道路发电资料

色列技术研究院(Israel Institute of Technology，世界排名约在109位的著名学府)下属公司Innowattech的一个项目，它在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，通过汽车驶过时的压电转换来发电，1公里的路面能产生约100~400千瓦的电力。 Innowattech的科学家表示，理论上，这些植入沥青的压电晶体能使用至少30年，因此，该技术可以用于任何大流量的道路，包括铁路和公路。目前，其路面改造成本约为每公里65万美元，但在大规模生产启动后，造价还能降低2/3，而Innowattech的远期目标是，由该系统产生的电力价格能降到每度3~10美分(约合人民币0.2元~0.7元)——非常接近目前的民用电价了，甚至还更低，而且由此带来的减碳效应不可估量，尤其是对中国这种严重依赖煤电的国家而言，更是具有相当的意义：截至2008年底，中国共有高速公路4.1万公里，如果全部应用了此种技术，那么它们一年最多将发电1436亿度！ 据英国媒体18日报道，以色列科学家表示，已经找到一种利用汽车移动让街道和公路发电的方式，他们将于2009年1月开放世界上第一条可发电的公路，汽车每在公路上行驶1英里(1.6公里)便可产生超过640千瓦电量，足以为12辆小型汽车供电。 这种公路的工作方式与已经用于伦敦夜总会的可发电舞池类似。当在公路上行驶时，汽车会挤压微型压电晶体，使其产生少量电量。如果数千个压电晶体被植入公路表面，便可产生巨大电量。产生的电流可以被传回国家供电网或者用于照明和供热。参与此项研究的以色列公司同时也在研发用于铁路以及机场自动人行道的类似系统。 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。 压电介绍 1880年前在杰克斯的实验室发现了压电性。起先，皮尔致力于焦电现象（pyroelectriceffect，注二）与晶体对称性关系的研究，后来兄弟俩却发现，在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统的研究了施压方向与电场强度间的关系，及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现，具有压电性的材料有：闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐（sodiumchlorate）、电气石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、异极矿（calamine）、黄晶（topaz）及若歇尔盐（Rochellesalt）。这些晶体都具有非晶方性（anisotropic）结构，晶方性（isotropic）材料是不会产生压电性的。 在非晶方性晶体中，施一外力使晶体变形，则由于晶格中电荷的移动造成晶体内局部性不均匀电荷分布，而产生一电位移。电荷的位移是由于晶体内部所有离子的移动，或者因为原子轨道上电子分布的变形而引起离子偏极化所造成，这些电荷位移现象在所有材料中都存在，可是要具有压电效应，则必须能在材料每单位体积中造成有效地净的电双极矩变化。是否能有这种变化，端视晶格结构之对称性而定。压电现象理论最早是李普曼（Lippmann）在研究热力学原理时就已发现，后来在同一年，居里兄弟做实验证明了这个理论，且建立了压电性与晶体结构的关系。1894年，福克特（W.Voigt）更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类（class）可能具有压电效应（32类中不具有对称中心的有21种，其中一种压电常数为零，其余20种都具有压电效应）。 今天，我们都知道，压晶体管可用来作为声波的产生器与接收器，无论在军事上（如声纳）、工业上、工程上都具有广泛的用途。可是早在居里兄弟发现压电性后的三分之一世纪中，压电效应在应用上几乎没有受到任何重视。就是皮尔本人也只不过用它来测量镭元素所辐射出的电荷罢了。到了第一次世界大战，盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损，于是设法寻找有效侦测潜艇的方法。因为电磁波无法有效穿透海水，而声波则能容易地在海里行进，因此，当时的蓝杰文（P.Langevin）发展出利用石英压晶体管作为声波产生器。可惜等到有了好结果，大战已接近尾声而来不及用上了。石英两面各贴一钢片，使其振荡频率降到50KHz，外加一电脉波讯号，则经换能器转换成声波传至海底；过一段时间后，换能器接收到由海底反射之回波，由来回时间及波在海中行进的速度，可决定换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。 第一次大战后不久，石英换能器便发展出两项重要的应用。首先，哈佛大学的皮尔士教授（G.W.Pierce）用石英晶体制作超声波干涉仪，由石英所发生的超声波和图中声波反射器所反射的回波混合，产生极大值，若微调反射板使前进或后退，则可获得另一极大值，由两极大值间的距离，亦即反射板在两相邻极大值间所移动的距离，可测出声波波长。因为已知频率，因此由频率与波长的乘积，可定出波在气体介质中的速度。同时，由几个极大值间的振幅降低率，可求出波在气体中的表减系数。当时用它来测量声波在二氧化碳中波速对频率的关系，而求出波速的色散关系。用这种方法，可研究气体在不同混合比与温度下声波的波速与衰减率。 1927年，伍德（R.W.Wood）与鲁密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超声波。使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管，在液体中产生高能量，使液体引起所谓的空腔（cavitation）现象。同时也研究高功率超声波对生物试样的效应。 在水下音响（underwatersound）的研究中发现，石英晶体并不是很好的换能器材料，但是它的振荡频率却不随温度而变，亦即所谓的具有低的温度系数。这种频率对温度的高稳定性，用在控制振荡器的频率，及某些滤波器上最有用。1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英当作频率控制器，图四就是最早期的晶体控制振荡器电路。因为晶体具有极高的Q值（注三），振荡器的频率受到晶体共振频率的控制，且频率不随温度变化而变。后来，皮尔士和皮尔士-米勒（Pierce-Miller）又发明一种以后广被采用的晶体控制振荡电路。在第二次世界大战中，大约使用了一千万个晶体振荡器，用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通讯。 石英晶体另一个重要的应用在于获得高度频率选择性的振荡器。石英晶体是一个高Q值的压电芯片，高Q值意味着低的声波能量损耗（其衰减率则与频率平方成正比）；高Q值也意味着窄频带，因此不适合声音传输电路使用。为了能在载波通信系统中使用，可用一串联电感（见图五）来获得宽带操作。此类滤波器的结构图，它常被用在有线通讯系统、微波通讯系统等。 二次大战声纳音鼓所使用的材料是若歇尔盐而非石英晶体。虽然若歇尔盐具有高机电耦合效率，可是却较不稳定，耐压不高，很难在太高的功率下操作。在理论上，若歇尔盐是第一个具有铁电性（ferroelectricity）的材料，沿着晶轴方向具有一个自发极化性（spontaneouspolarization）。图七表示沿X轴所测得偏极化量对温度的关系。它具有两个居里温度（Curietemperature），在居里温度时偏极化量是零，在两温度之间则偏极化是最大。为了纪念在若歇尔市出生的塞格内特（Seignette）博士，这种效应称为塞格内特铁电效应，一般简称为铁电效应，以表示它与铁磁效应的相似性。在铁电材料中，当温度低于居里温度时，材料内部具有电双极（dipole）。大部分氢键结合的电双极，如若歇尔盐，其双极都具有规则性排列，且一般都只有一个居里温度，可是若歇尔盐则具有两个居里温度，这两类的差异主要在于氢键终端负离子的不同。一般氢键晶体的电位井（potentialwell）分布如图八所示，在两氧离子之间氢离子可存在的位置有两个，氢键电双极值等于电荷和两组离子分开距离差的乘积。外加一电场可使氢离子由一位置跳至另一位置，而使电双极的方向改变。在高温，则热量的扰动使氢离子充满两个井的位置的机会相等，因此没有自然偏极化存在。当温度降低，则两电双极相吸而使双极方向排列趋规则化。在居里温度则两电双极互相抵消，但在居里温度加一小外力就能引起大的偏极性。温度低于居里温度则自发偏极性产生。对于一般具有如图八的电位井的氢键晶体，其偏极性可一直增加，直到饱和发生。可是对于若歇尔盐，则偏极性在达到一极大值后就开始降低到零。其原因可用图八的电位井分布图说明，在很低温下，所有氢离子完全分布在两低能井中，没有自发偏极性存在。温度上升，有些氢离子得到热能而跃至较高能阶。温度愈高，这种跃迁机会愈大，两电双极因互相吸引而产生一较低的居里温度。图九表示若歇尔盐的X光绕射晶体结构。造成铁电效应的是标号1的氧分子与标号10的水分子所组成的氢键。对氢离子言，此二分子是端点上两个不同的离子，因此形成如图八所示的两个不同名称之电位井。 以前若歇尔盐一直是唯一为人所知的铁电材料，可是现在我们知道，具有铁电性的材料已超过百种。铁电性材料因具有自发偏极性，且加电场能生感应偏极性，因此用它作换能器此一般压电单晶如石英等具有更高的机电耦合效率及灵敏度，可是其稳定性则略逊于压晶体管。渐渐地，人们用铁电陶磁来作换能器。最早被人使用的是钛酸钡（BaTiO3），它是麻省理工学院的冯希普尔（vonHippel）及苏俄科学家伏耳（Vul）及戈曼（Goldman）所分别发现的。未被极化的陶磁，在域（domain,注五）中之偏极化方向不具规则性，整片陶磁就像一块高介电常数的电容器，因为它只需很小的体积就有够大的电容量，因此被用在电视机上。如在120℃以上的温度下加一高电压，则一些域内之电耦呈规则性排列，而有净的偏极性存在，具压电效应。我们可因外加交流电场的方向不同，而使产生纵波（电场平行于厚度方向）或横波（电场垂直于厚度方向）。纵波可在水中行进，亦可在固体中产生高能量。横波则因速度较慢，适合用来制作延迟线。目前最好的压电陶磁要属PZT（lead-zirconate-titanate）。 最近两种重要铁电材料可用来制作声波换能器，一是高分子薄膜，聚双氟亚乙烯（polyvinylidenefluoride,简称PVF2或PVDF），一是氧化锂铌（lithiumniobate,LiNbO3）。聚双氟亚乙烯经拉伸及加高直流电压后呈强压电性，它具有许多优点：其声波特性阻抗和水很近，阻抗自然匹配，容易获得宽带操作，适合非破坏检测、医学诊断及声纳与水中听音器（hydrophone）使用，尤其是它具有很高的声波接收系数，用来制作被动式声纳（passivesonar）之水听器数组（hydrophoneassay）具有重要性。除外，它具柔软性，又可耐高电压（其崩溃电压比PZT高约100倍）。氧化锂铌单晶具有高机电耦合及极低的声波衰减系数，容易激发高频表面声波（Rayleighwave），是用来制作表面声波（surfaceacousticwave,简称SAW）组件的最佳材料。这些组件在讯号处理系统与通信系统上具有不可取代的地位。图十一表示使用氧化锂铌表面波通频滤波器。用一组正负电压相间的交趾状换能器产生表面声波（所谓的interdigitaltransducer,或简称IDT），所激发声波之中心频率由正负电极间之距离决定，其频宽则与电极数目成反比。图十二表示另一表面声波脉波伸张与压缩滤波器，它可用在CHIRP雷达系统中，以提高搜索范围与解像力。