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前沿科技:压电材料新应用让人边走边发电

中研股份2019年4月12日讯  压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。压电效应的原理是,如果对压电材料施加压力,它便会产生电位差,称之为正压电效应;反之施加电压,则产生机械应力,称为逆压电效应。在现实生活中,压电材料具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能,因此在工程中得到了广泛的应用。最近,有研究人员尝试利用人行走对地板的压力生成可利用的电能,还有研究人员将压电材料用于背包,可以边走边提供能量。

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前沿科技:压电材料新应用让人边走边发电

“人群农场”为火车站供电

两名波士顿的研究生正在欧洲进行一项火车站设计工程,他们最近有了个奇怪的想法——把人的运动转化为电能。他们的“人群农场”将会利用人们走动时地板的滑动来产生电。

这两名年轻人是美国麻省理工学院建筑和规划系的James Graham和Thaddeus Jusczyk。他们正在意大利都灵进行一项火车站的模型设计。Graham说:“在设计时,我们试图就近寻找资源,就产生了这个想法。这是一个振动的空间,有很多人,所以我们想捕获所有的运动,把它们转化成能量。”

据ENR网站报道,他们最初的想法比较简单,后来决定用人的脚步。Graham介绍说,欧洲曾有一家建筑公司为一家舞蹈俱乐部设计的地板就是利用压电(机械能转化为电能)技术产生能量给电灯供电。“我们的这个火车站有3/4英里乘1/4英里大小,但是能用于发电的部分很集中,很适合这种工程。”

大厅和斜坡使用的动力地板系统有很大的节能潜力。Graham和Jusczyk估计,理想状况下人的一步能使两盏60瓦的灯泡亮一秒钟。而一群人的脚步,或者拖行李的压力能让人的行动产生的动态能量成为一种新的、便宜又干净的能源。“我们并不仅仅是想发明一种可以用在某些地方的高科技垫子,我们是想真正把它结合到建筑系统中。”

发电地板有望面世

Graham和Jusczyk的想法还停留在理论阶段,但已经有人把理论付诸于现实了。这个人就是美国芝加哥的自由设计师Elizabeth Redmond。

Redmond在负责一项名为“能源飞跃”的工程。在这项工程中,地板砖就是用可以发电的材料制成的。“我的设计是使用2英寸乘1英寸由锆酸铅制成的压电陶瓷板,上面装有黄铜覆盖的镍电极,这样电流渗漏很低。”Redmond介绍说,每1英尺乘1英尺的地面上有这么一块板,当有人踩过一块板,可以产生5.5瓦的电能。

Redmond去年在美国密歇根州Ann Arbor闹市区的人行道上试验了她的设计。工作装置是4块2英尺乘4英尺的压电板,周围是普通的水泥板。这些压电板内部安装了4个发光二极管,只要有人踩上就会被点亮。这样参与者就可以看见他们的运动确实产生了电。这个试验模型花费了1000美元,不包括人力。Redmond表示最大的花费在于压电材料,但如果压电板能大量生产,只要有人在内部或者附近走动,它们就可以用于建筑物、街道和霓虹灯的照明。

Redmond现在正在进行她的下一代设计,她从Mohawk Industries—— 一家专营家用和商业地板的大型公司那里获得了1万美元的资助,用来研究瓷砖、材料和最优的安装尺寸之间的关联。Redmond表示这代产品可能今年10月就会面世。

发电背包为便携式电子设备供电

Redmond的想法来源于密歇根大学艺术设计学院一名本科生的毕业论文。而密歇根理工大学的研究人员最近发明了可以提供电能的背包。

密歇根理工大学机械工程师Jonathan Granstrom和Joel Feenstra、亚利桑那州立大学的Henry Sodano和NanoSonic公司的Kevin Farinholt在最近一期的《巧妙材料和结构》杂志上发表了文章,介绍了他们在能量获得方面的最新创新成果—— 一款利用压电材料制成的通过背带产生能量,为便携式的电子设备充电的背包。

研究组设计这种背包的目的是想让电子设备的使用者可以保持其行动的灵活性,同时让便携式电子设备的用户不需要再背着沉重的电池。

PhysOrg网站采访了Sodano。他表示:“这种系统的好处就是可以无缝取代现有材料。背带在使用上和传统材料毫无差别。”据介绍,这种背包的背带是用聚偏氟乙烯(PVDF)制成的。这种材料很强韧,感觉和尼龙很像。但不同于尼龙的是,PVDF是一种压电材料,可以把压力转化为电力。

当负重100磅——士兵背包的通常重量,以2~3公里的时速行走时,模拟数据显示,背带可以产生45.6毫瓦的能量。研究人员表示,这个能量输出可以为小型电子设备提供电能,又能在长时间行路中成为沉重电池的替代品。

据Sodano介绍,可以使用的电子设备包括矿工帽子上的小型照明灯(约38毫瓦)、苹果iPod nanoMP3播放器(约46毫瓦)和摩托罗拉Razr手机——待机时需要9毫瓦的持续电能,通话中需要360毫瓦。Sodano表示,用之前要积累能量,因此可以走20分钟,再通话两分半钟,或者可以白天给照明灯充电,晚上使用。将来,这个能量还可以用于给手持的GPS系统供电——该系统要求165~200毫瓦的持续电能。

Sodano表示,设计背带最大的挑战是找到非常强健、持久的电极,因为一般的电极不能忍受背带的巨大张力。因此,研究人员和NanoSonic公司合作,后者提供了可以做电极的材料。研究人员制作了100纳米厚的电极,可以承受1000%的张力,同时保证导电性,释放之后还可以回到原来的形状。

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