壓電發(fā)電技術的現(xiàn)狀及展望

胡 柳,何元庭,吳 婷,鄧任華,朱本仁

(1.南華大學機械工程學院,湖南衡陽421001;2.南華大學核科學與技術學院,湖南衡陽421001)

1 當前世界能源利用現(xiàn)狀

能源是科技發(fā)展的關鍵。歷史上主要技術的發(fā)展都與新能源的利用或能源利用方法的改進有關。人類的一切活動都離不開能源,社會向前發(fā)展是以能源消費為前提的。自然界的能量總是遵守能量守恒定律,目前,工、農(nóng)業(yè)所需的能量來源主要是石油、煤、天然氣等。根據(jù)目前能源的消耗速度,在不久的將來,石油、煤、天然氣等能源必將耗盡。因此,能源危機并非是虛幻。針對能源危機,應降低能源消耗速度,進行能量回收再利用,同時尋找并開發(fā)新能源。以上3種方法中最有前景的是尋找并開發(fā)新能源,近年來利用壓電材料進行能量收集的研究越來越受到人們的關注,壓電材料是一種節(jié)能型環(huán)保材料,綠色安全,不會產(chǎn)生有毒有害的殘留物質(zhì),符合可持續(xù)發(fā)展的要求。壓電發(fā)電是依靠外界振動使壓電材料發(fā)生變形而發(fā)電,其可利用的振動源無處不在,其應用不受場地的限制,也不需要專設場地,其應用的伸縮性及活動性強。同時利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置結(jié)構簡單,易于實現(xiàn),成本低,可大型化批量生產(chǎn)。

2 壓電發(fā)電技術的工作原理及研究現(xiàn)狀

2.1 壓電發(fā)電工作原理——壓電效應

壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應 。某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時,其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時在它的2個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后,它又會恢復到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時,電荷的極性也隨之改變。相反,當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場,這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形,電場去掉后,電介質(zhì)的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應,或稱為電致伸縮現(xiàn)象。準確地說,壓電發(fā)電技術是利用壓電材料的正壓電效應,將機械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?實現(xiàn)發(fā)電的目標[1]。

2.2 國內(nèi)外研究狀況

近幾十年來,利用壓電材料將環(huán)境中的機械能轉(zhuǎn)換為電能的研究越來越受人們的重視,國內(nèi)外許多科學家對壓電材料的實驗研究都已經(jīng)證明壓電材料有著廣泛的用途,對壓電材料特性的研究和發(fā)電能力的研究與探討也已經(jīng)獲得了實質(zhì)性的效果,這些為實現(xiàn)壓電材料發(fā)電在實際中的應用打下了堅實的基礎。目前,關于壓電發(fā)電與能量存儲技術的研究在美國、日本、荷蘭、以色列、西班牙等許多國家已經(jīng)逐步深入,并且取得了一定的實驗成果,但國內(nèi)壓電發(fā)電技術的研究尚處于起步階段。

2.3 壓電發(fā)電的應用實例

2.3.1 壓電發(fā)電保暖鞋

國外所研究的壓電發(fā)電裝置大多屬于人力發(fā)電機,其中對“壓電發(fā)電鞋”研究的報道最多。壓電發(fā)電鞋原理就是把壓電材料發(fā)電裝置置入鞋底,通過走路時腳對鞋底的沖擊使壓電材料變形而產(chǎn)生電量[2,3],達到保暖的效果。這種發(fā)電裝置的發(fā)電功率可滿足戶外登山運動員的腳底保暖和陸上部隊在野外軍事行動中的保暖使用需求,這項技術的成功運用展示了壓電發(fā)電與能量存儲技術的光明前景。國內(nèi)現(xiàn)在也開發(fā)出了壓電發(fā)光鞋,原理跟上述壓電保暖鞋相似。

2.3.2 壓電發(fā)電型電池充電器

維基尼亞科學家HENRY A.SODANO等在比較利用電容存儲電能不足的前提下,第一次證明了利用壓電材料制作的發(fā)電系統(tǒng)給電池充電的可行性。并且得出壓電振子在諧振工作條件下給一個40mAh電池充電時間不到1h,利用隨機頻率充電需要1.5h的結(jié)果[4]。這項研究結(jié)果使利用壓電材料進行能量收集的方法更加趨于實用化,同時也擴大其應用范圍。

2.3.3 無源安全帶檢測裝置

阿爾卑斯電氣公司開發(fā)了一種無源安全帶檢測裝置,解決了車內(nèi)布線難的問題。此裝置是通過將壓電元件和無線電路嵌入到安全帶帶扣中,利用解下安全帶時的動作,對壓電元件施加壓力使其發(fā)電來驅(qū)動無線電路,就能向司機通報安全帶使用情況。無線電路使用遙控車門系統(tǒng)所用的頻帶 315MHz或433MHz[5]。

2.3.4 利用公路路面振動進行壓電發(fā)電

以色列科學家表示,他們已經(jīng)找到一種利用汽車運動讓街道和公路發(fā)電的方法。據(jù)負責該項目的科學家海姆阿布拉莫維奇稱該技術可以讓汽車在耗能的同時也能產(chǎn)生新的能量,這項技術的奧秘在于路面下鋪設了一種特殊的材料——微型壓電晶體,這種壓電晶體在受到擠壓變形時會產(chǎn)生少量電量(相當于將等量的正負電荷分離,出現(xiàn)了電壓),而當成千上萬個壓電晶體被植入公路表面時,公路便可產(chǎn)生巨大的電能。研究人員還表示,這種發(fā)電系統(tǒng)的具體發(fā)電能力取決于路面上通行車輛的數(shù)量、重量和行駛速度,理想情況下每千米路段每小時的發(fā)電量可達400 kWh,足以供應800戶人家的日常用電需求[6]。

2.3.5 發(fā)電舞池

全世界第1家通過跳舞發(fā)電的迪廳在荷蘭鹿特丹開業(yè)。在這家名為“瓦特俱樂部”的迪廳,舞池中大約1/3的用電是由跳舞的賓客們自己制造。2009年7月10日,坐落在倫敦繁華的國王十字大街的生態(tài)環(huán)保夜總會開張納客。環(huán)保夜總會提供有機飲料、選用可回收餐具、在衛(wèi)生間安裝水循環(huán)系統(tǒng)以節(jié)約用水,最具創(chuàng)新的是它有一個會發(fā)電的舞池。當年輕男女在舞池中翩翩起舞時,地板可以將他們隨音樂舞動而產(chǎn)生的能量通過地板下面的彈簧和一系列發(fā)電裝置轉(zhuǎn)化成電能儲存在充電電池中,據(jù)說采用這套裝置,理想情況下可以解決夜總會60%的電力需求,舞迷們在狂歡之余也為環(huán)保“踩”出了積極的貢獻[7]。

2.3.6 海浪使壓電材料發(fā)電

新澤西州普林斯頓海洋動力技術公司研究一種從海洋中獲取廉價而潔凈能源的方法,即把一種壓電聚合物置于海浪和海流中,利用海浪和海流產(chǎn)生的壓力和應力使壓電聚合物發(fā)電。據(jù)估算,一個100MW的發(fā)電系統(tǒng),其浮體可能要覆蓋約7.7km2的海面,它發(fā)出的電力足夠供一個2萬人的城市用電。壓電發(fā)電機的發(fā)電成本是很有競爭力的,在有些地方每千瓦時的電只需要1～3美分。因為海浪是“免費”的,而壓電聚合物很少需要甚至不需要維修。壓電聚合物對有腐蝕性的海水有良好的抗蝕性,且不透水,設計壽命可以達20年,而且還可以回收利用[8]。

3 壓電發(fā)電技術的發(fā)展趨勢

3.1 向微能源器件發(fā)展

微機電系統(tǒng)(MEMS)是21世紀重要的研究領域之一,而微能源器件是MEMS的一個重要分支,其發(fā)展直接關系到MEMS在某些領域的應用。當前,很多領域解決方案只適用于短壽命周期?；趬弘姴牧系陌l(fā)電裝置雖然只能產(chǎn)生小級別的電力,一般在微瓦到毫瓦之間,但對于微功耗系統(tǒng)已經(jīng)足夠。目前,壓電技術在加速度傳感器、變壓器、變頻器、濾波器等領域中得到了廣泛的應用,但作為獨立的微能源器件來滿足商業(yè)和生活需求的壓電電源還僅僅處于實驗原型階段。隨著國內(nèi)外學者研究的不斷深入,高壽命的便攜式壓電電源必將出現(xiàn),以推動電子技術、計算機技術和MEMS技術的進一步發(fā)展。

3.1.1 壓電馬達

壓電馬達是利用壓電材料的逆壓電效應,把電信號加到壓電陶瓷-金屬構成的定子上,使定子產(chǎn)生一定軌跡的機械振動,驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的新型電機。由于定子的振動頻率多數(shù)工作在超聲頻范圍,因此也稱為超聲波電機或超聲馬達。壓電馬達的超靜運行適用于醫(yī)院、賓館、辦公室等要求低噪聲的場合。它的大能量密度適用于機器人的驅(qū)動,驅(qū)動過程中不需要齒輪裝置,適用于精密定位裝置中。在汽車工業(yè)和航天工業(yè)中壓電馬達也有著廣泛的應用前景。特別是在航天領域,它有著電磁馬達所不可替代的地位：一臺大型的航天器(如太空站),需要眾多的電動機,采用超聲馬達,不僅不產(chǎn)生電磁干擾,而且還能實現(xiàn)快速準確的定位控制和鎖定位置的自保持功能,減小航天器的重量和體積.超聲馬達的一系列優(yōu)點越來越引起航天領域內(nèi)許多專家、學者的興趣和重視。

3.1.2 替代傳統(tǒng)的電聲器件

電聲器件是指電與聲音轉(zhuǎn)換的器件,傳統(tǒng)的電聲器件主要是利用電磁效應、靜電感應效應等原理來實現(xiàn)電與聲的轉(zhuǎn)換,而壓電電聲器件是利用壓電效應來實現(xiàn)的,壓電電聲器件不需要外接電源,它能夠采集環(huán)境中的能量,為器件供電。主要有壓電傳聲器、壓電耳機、壓電受話器等。壓電電聲器件具有體積小、重量輕、節(jié)能等優(yōu)點,有很大的發(fā)展前途。

3.1.3 壓電變壓器

壓電變壓器是20世紀50年代開始研制,并于70年代發(fā)展起來的新型電子變壓器。早期使用鈔酸鋇材料,轉(zhuǎn)換效率很低,實用價值不大。隨著欽餡酸鉛等高壓電常數(shù)、高KA和高Qm壓電陶瓷材料的出現(xiàn),壓電變壓器的研制才取得了顯著進展。與傳統(tǒng)的線繞變壓器相比,壓電變壓器具有體積小、重量輕、耐高溫、耐輻射、高可靠、使用時不會擊穿,且不產(chǎn)生電磁干擾等優(yōu)良特性。壓電變壓器也具有電壓變換、阻抗變換和電流變換等功能,壓電變壓器由于結(jié)構簡單,易于批量生產(chǎn)。近10多年來壓電變流器得到了迅速發(fā)展,并在筆記本電腦中成功應用,隨著壓電變壓器的設計、制作和應用等方面的問題得到解決,壓電變壓器代替電磁變壓器不再是夢想。

3.2 集成實現(xiàn)設備的自供電技術

在便攜式和無線電子市場不斷繁榮的今無,能量捕獲是其自供電的一個關鍵。未來能量捕獲的研究將集中在能量捕獲、存儲和應用電路等方面,以解決無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式傳感器等領域的供電問題,這方面已經(jīng)有初步的研究,如將能量捕獲裝置和狀態(tài)監(jiān)測設備集成在一起構成完全的供電感應單元,用于結(jié)構監(jiān)測[9]。這類系統(tǒng)的進一步發(fā)展將促使能量捕獲方法從純粹的實驗向?qū)嵱梅矫姘l(fā)展。通過壓電檢測與控制傳感器集成,利用壓電效應和逆壓電效應能設計制作出各種各樣的檢測與控制傳感器,以實現(xiàn)不同的需求。在一些特殊的場合,實現(xiàn)設備的自供電越來越重要,自供電的關鍵是能量捕獲。在這一方面,壓電材料有著顯著的優(yōu)點,能夠消除工作環(huán)境的限制。

3.3 壓電發(fā)電技術與旋轉(zhuǎn)機械結(jié)合

當前,能量捕獲裝置基本上都是將設備周圍的振動能量轉(zhuǎn)換為電能。而為了控制噪聲和減少機械零部件的疲勞損傷,很多場合都會盡力抑制設備的振動,這使得振動能量的捕獲更加團難。但旋轉(zhuǎn)機械有大量可以轉(zhuǎn)換的動能,即使效率低的壓電發(fā)電裝置也可以提供大部分電器設備所需的能量。當前,從旋轉(zhuǎn)機械上收集能量的裝置有高速公路中的視線導航標識等,但其他方面的研究很少見。因此,壓電發(fā)電技術與旋轉(zhuǎn)機械的結(jié)合將成為下一步研究的重點[10]。

4 結(jié)語

從微電量在點火裝置傳感器和壓電器件的應用,到壓電能量的大量捕獲,這是壓電技術發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)實際的振動環(huán)境,選擇更優(yōu)化的結(jié)構配置、壓電振子村料和幾何參數(shù),以及高效的能量轉(zhuǎn)換存儲電路是提高振動能量捕獲量和捕獲效率的必要途徑。壓電發(fā)電是一種綠色環(huán)保的新能源發(fā)電技術,具有很好的發(fā)展前景,必定會是將來新能源開發(fā)工程中的一個重要部分。

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