壓電現象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現的。壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會(huì )產(chǎn)生電位差，稱(chēng)之為正壓電效應；反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應力，稱(chēng)為逆壓電效應。在現實(shí)生活中，壓電材料具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，因此在工程中得到了廣泛的應用。近，有研究人員嘗試利用人行走對地板的壓力生成可利用的電能，還有研究人員將壓電材料用于背包，可以邊走邊提供能量。
“人群農場(chǎng)”為火車(chē)站供電
兩名波士頓的研究生正在歐洲進(jìn)行一項火車(chē)站設計工程，他們近有了個(gè)奇怪的想法——把人的運動(dòng)轉化為電能。他們的“人群農場(chǎng)”將會(huì )利用人們走動(dòng)時(shí)地板的滑動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電。
這兩名年輕人是美國麻省理工學(xué)院建筑和規劃系的James Graham和Thaddeus Jusczyk。他們正在意大利都靈進(jìn)行一項火車(chē)站的模型設計。Graham說(shuō)：“在設計時(shí)，我們試圖就近尋找資源，就產(chǎn)生了這個(gè)想法。這是一個(gè)振動(dòng)的空間，有很多人，所以我們想捕獲所有的運動(dòng)，把它們轉化成能量。”
據ENR網(wǎng)報道，他們初的想法比較簡(jiǎn)單，后來(lái)決定用人的腳步。Graham介紹說(shuō)，歐洲曾有一家建筑公司為一家舞蹈俱樂(lè )部設計的地板就是利用壓電（機械能轉化為電能）技術(shù)產(chǎn)生能量給電燈供電。“我們的這個(gè)火車(chē)站有3/4英里乘1/4英里大小，但是能用于發(fā)電的部分很集中，很適合這種工程。”
大廳和斜坡使用的動(dòng)力地板系統有很大的節能潛力。Graham和Jusczyk估計，理想狀況下人的一步能使兩盞60瓦的燈泡亮一秒鐘。而一群人的腳步，或者拖行李的壓力能讓人的行動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)能量成為一種新的、便宜又干凈的能源。“我們并不僅僅是想發(fā)明一種可以用在某些地方的高科技墊子，我們是想真正把它結合到建筑系統中。”
發(fā)電地板10月有望面世
Graham和Jusczyk的想法還停留在理論階段，但已經(jīng)有人把理論付諸于現實(shí)了。這個(gè)人就是美國芝加哥的自由設計師Elizabeth Redmond。
Redmond在負責一項名為“能源飛躍”的工程。在這項工程中，地板磚就是用可以發(fā)電的材料制成的。“我的設計是使用2英寸乘1英寸由鋯酸鉛制成的壓電陶瓷板，上面裝有黃銅覆蓋的鎳電極，這樣電流滲漏很低。”Redmond介紹說(shuō)，每1英尺乘1英尺的地面上有這么一塊板，當有人踩過(guò)一塊板，可以產(chǎn)生5.5瓦的電能。
Redmond去年在美國密歇根州Ann Arbor鬧市區的人行道上試驗了她的設計。工作裝置是4塊2英尺乘4英尺的壓電板，周?chē)瞧胀ǖ乃喟?。這些壓電板內部安裝了4個(gè)發(fā)光二極管，只要有人踩上就會(huì )被點(diǎn)亮。這樣參與者就可以看見(jiàn)他們的運動(dòng)確實(shí)產(chǎn)生了電。這個(gè)試驗模型花費了1000美元，不包括人力。Redmond表示大的花費在于壓電材料，但如果壓電板能大量生產(chǎn)，只要有人在內部或者附近走動(dòng)，它們就可以用于建筑物、街道和霓虹燈的照明。
Redmond現在正在進(jìn)行她的下一代設計，她從Mohawk Industries—— 一家專(zhuān)營(yíng)家用和商業(yè)地板的大型公司那里獲得了1萬(wàn)美元的資助，用來(lái)研究瓷磚、材料和優(yōu)的安裝尺寸之間的關(guān)聯(lián)。Redmond表示這代產(chǎn)品可能今年10月就會(huì )面世。
發(fā)電背包為便攜式電子設備供電
Redmond的想法來(lái)源于密歇根大學(xué)藝術(shù)設計學(xué)院一名本科生的畢業(yè)論文。而密歇根理工大學(xué)的研究人員近發(fā)明了可以提供電能的背包。
密歇根理工大學(xué)機械工程師Jonathan Granstrom和Joel Feenstra、亞利桑那州立大學(xué)的Henry Sodano和NanoSonic公司的Kevin Farinholt在近一期的《巧妙材料和結構》雜志上發(fā)表了文章，介紹了他們在能量獲得方面的新創(chuàng )新成果—— 一款利用壓電材料制成的通過(guò)背帶產(chǎn)生能量，為便攜式的電子設備充電的背包。
研究組設計這種背包的目的是想讓電子設備的使用者可以保持其行動(dòng)的靈活性，同時(shí)讓便攜式電子設備的用戶(hù)不需要再背著(zhù)沉重的電池。
PhysOrg網(wǎng)采訪(fǎng)了Sodano。他表示：“這種系統的好處就是可以無(wú)縫取代現有材料。背帶在使用上和傳統材料毫無(wú)差別。”據介紹，這種背包的背帶是用聚偏氟乙烯(PVDF)制成的。這種材料很強韌，感覺(jué)和尼龍很像。但不同于尼龍的是，PVDF是一種壓電材料，可以把壓力轉化為電力。
當負重100磅——士兵背包的通常重量，以2~3公里的時(shí)速行走時(shí)，模擬數據顯示，背帶可以產(chǎn)生45.6毫瓦的能量。研究人員表示，這個(gè)能量輸出可以為小型電子設備提供電能，又能在長(cháng)時(shí)間行路中成為沉重電池的替代品。
據Sodano介紹，可以使用的電子設備包括礦工帽子上的小型照明燈（約38毫瓦）、蘋(píng)果iPod nanoMP3播放器（約46毫瓦）和摩托羅拉Razr手機——待機時(shí)需要9毫瓦的持續電能，通話(huà)中需要360毫瓦。Sodano表示，用之前要積累能量，因此可以走20分鐘，再通話(huà)兩分半鐘，或者可以白天給照明燈充電，晚上使用。將來(lái)，這個(gè)能量還可以用于給手持的GPS系統供電——該系統要求165~200毫瓦的持續電能。
Sodano表示，設計背帶大的挑戰是找到非常強健、持久的電極，因為一般的電極不能忍受背帶的巨大張力。因此，研究人員和NanoSonic公司合作，后者提供了可以做電極的材料。研究人員制作了100納米厚的電極，可以承受1000%的張力，同時(shí)保證導電性，釋放之后還可以回到原來(lái)的形狀。
