如何从日常生活中回收能量？

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行走、说话等这些日常小动作都能释放能量。为了使之不被白白浪费，研究人员研发出五种巧妙的能源收集与利用装置。

行道、水管、手机和火车站的共同点是什么？

答案：它们都是能量之源。

曾有媒体报道过利用人行道和住宅水管发电的新闻。为了寻找新能源，研究人员跳出寻常思维，萌生从日常生活中回收能量的奇想。

比如，人行走时可以产生50至100瓦的电流，与其白白浪费，何不加以利用呢？

如今，有关回收利用生活中能量的研究已经取得了若干成果。这类能量以热量、声波、振动或移位的形式传递，通过实用的巧妙装置，就能为其他设备提供电能。

追求回收效益

在这股潮流中，名为“能量回收”的项目组独占鳌头。

它成立于十几年前，由分布在全球各地的几家研究实验室组成。起初，项目组的目标是回收日常生活中的能量，供居民住宅或工厂中的自主传感器运行所需。设想的蓝图很美，但在实际中成本高效率低，使得最初尝试举步维艰。

能源回收主要基于两个物理原理，即热电（热电材料将热能转化为电能）和压电（压电材料承受机械力后产生电流）。

法国原子能与替代能源署研究员弗雷德里克·加亚尔（Frédéric Gaillard）回忆说：“当时的技术很不成熟，没有收益。”

直到两年前金属间化合物、方钴矿等新热电材料面世，才使得热电设备能承受更高的温度，能量转换效率提高。在工业领域，压电技术的发展使得压电材料的可控性提高，性能得到优化，价格下降。这些有力地促进了项目组研究工作的进展。

当然，能量回收装置尚无法与传统或替代发电装置相提并论。弗雷德里克·加亚尔总结道：“要知道，一个热电元件的发电效率只有5W/m^2〜10W/m^2，而一块光电板的发电效率可达130W/m^2。”

不过，能量回收研究的目标并不在此。美国弗吉尼亚大学机械工程系阿尔珀·埃蒂尔克（Alper Ertruk）解释说：“研究的目的之一，是有朝一日能够向低功率的小电子元件供电，如漫游装置或医用传感器。”弗雷德里克·加亚尔又说：“在山谷或者发展中国家铺设传统电网费用过高的偏僻地区，回收的能量还能用于为小型分散型电力系统供电。而在电力高峰期，甚至可以用作补充能源。”

总之，电能储蓄不分多少！

从行走中回收能量

人在行走时会向地面施加一个力。那么，能否通过地砖回收这种能量并将其转化为电能呢？2000年，全球有几位科学家萌生此念，8年后这种装置出现在荷兰鹿特丹一家迪斯科舞厅。

这家“可持续”舞厅由荷兰埃因霍温大学和代尔夫特大学设计，舞厅铺设的64块地砖下装有弹簧，可带动发电机运转，将地面上的运动转化为电能。每块地砖能产生20瓦电（每个舞步可产生6瓦），可以部分解决舞厅内的照明问题。

2010年，法国图卢兹市委托法国国立高等电工技术学院在市内铺设一段发电人行道。人行道由20块路板组成，有人走过时会下陷5毫米，这一变化导致路板下的磁铁移位，从而产生电能，为50瓦的LED路灯供电。目前，这条用于示范的发电人行道正在铺设中。

从人体释放的热量中回收能量

37.5℃的人体有如将周围一切加热的小型流动散热器，其释放的热量可以转化为50至100瓦功率的电能。据此，瑞典Jerhusen公司在2007年决定回收人体热量，用于一幢13层建筑的供暖。

一个人释放的热量，显然不能满足建筑物供暖的需要。不过，在距离建筑物200米开外的斯德哥尔摩火车站，每天有20万个乘客进进出出，所以不愁热量的来源，问题是如何将火车站里收集到的人体热量输送到需要供暖的建筑物。

研究人员灵机一动：在火车站安装采集人体热量的通风系统，通过热交换器将水管系统里的水加热，然后通过地下管道将热水一直输送到附近的建筑物，由建筑物的相应装置释放出可观的热量。全部设备已安装完毕。

工程负责人卡尔·松德霍尔姆（Karl Sundholm）表示:“这个装置将能满足建筑物30%的供暖需要。”受此启发，巴黎家居和巴黎大众运输公司正在研究采集地铁2号线通道人群热量向巴黎市内一幢建筑物供暖的技术可行性。

从水管中回收能量

利用流水发电的梦想已经通过水电站成为现实。不过，将这个系统运用于水管发电，既要有创意，还要把它付诸实施。法国工程师约瑟夫-安托万·保利（Joseph-Antoine Paoli）迎难而上，研制出名为“水力”的水管发电机。其原理是在水管内插入一只微型叶轮，通过它根据需要调节水流的压力及流量。水流带动叶轮，由此产生的机械力驱动电动机。

在发电机输出端，电流被回收，随后通过电网输送。由于这项发明，这位工程师赢得了上一届法国国际发明展大奖。他解释说：“无论水流的流向如何，水管发电机都能调节水流。直径为100毫米的水管，回收的电能平均达到7千瓦时。”

第一台样机已经在法国尼姆市运行。唯一的不足之处是环绕水管的发电机过于庞大，达1.30米x1米。发明者正在研究如何缩小其体积，使之能够安装在各种供水管网中。

从声音回收能量

用日常生活中的声音发电？借助于压电技术，这个不同寻常的设想正在变为现实。2010年，两位韩国科研人员打算利用声音所产生的振动，使压电材料移动并产生电力。由于振动过小，传统的压电材料石英根本不起反应，两人为此面临巨大挑战。

不过，他们成功研制出了钯基超灵敏片，上面缠有氧化锌纳米线。在100分贝（相当于摇滚乐音乐会的音量）的声波敲击钯片时，后者会产生振动，使纳米线移动，产生5纳瓦电。当然，电功率十分有限，但研究人员希望将来通过手机用户对话或者利用马路上噪声，来为手机供电。

回收发动机的热量

将工业设备热量转化为电能，是几家公司运用热电原理完成的杰作。2008年，德国宝马汽车公司（BMW）研制出一种碲化铋基热电材料，能够将汽车排气管排放出的300℃〜900℃气体热量转化为电能。一辆时速为130公里的汽车，其发动机释放的热功率为200瓦。

2010年底，美国普渡大学研究人员取得新进展，他们直接利用来自汽车发动机的1000℃热量，为车载电子装置提供电能。其奥秘在于使用了镍和铁的混合物——方钴矿类热电材料制成的微型热电集成电路片。

研究人员认为，使用这种元件能使目前汽车耗油量降低5%，未来还会达到10%。面对如此诱人的前景，美国阿尔法能源公司等企业已经研发出能将高炉、天然气放空燃烧烟囱等所有工业设备的热量转化为电能的材料，其转化电能最大可达到20兆瓦。

撰文 Muriel Valin

编译 李晓桦

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