壓電發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀分析與材料介紹

黃子明

摘 要：探究了壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷史及發(fā)展價值，通過對國內(nèi)外壓電發(fā)電技術(shù)的整理，進而進行研究比較。通過對當今能源利用現(xiàn)狀的解讀以及壓電發(fā)電技術(shù)的原理分析證明了壓電發(fā)電技術(shù)的可行性，并以國內(nèi)外壓電發(fā)電的應(yīng)用為例展示了壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷程。介紹了壓電材料的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：壓電效應(yīng)；壓電發(fā)電；新能源發(fā)電

引言：隨著城市發(fā)展，用電負荷的急劇增加也使得環(huán)境負荷逐漸增加，如何實現(xiàn)在提高現(xiàn)有能源的利用效率的前提下，在短時間內(nèi)展開新型能源的發(fā)現(xiàn)、使用和過度一直是個難以實現(xiàn)的問題。目前煤、石油、天然氣等一直是農(nóng)工商業(yè)所必須的能源，但作為化石能源終會因各種原因被人們舍棄。而環(huán)境震動作為能量逸散的一種形式，通過對它的研究一方面可以提供提高能量利用效率的合理化建議，另一方面自然環(huán)境中的震動也可以作為新能源被人們所接受。壓電發(fā)電技術(shù)是利用外界震動使壓電發(fā)電材料產(chǎn)生形變進而發(fā)電，且壓電發(fā)電材料的構(gòu)造使其不受環(huán)境限制，還實現(xiàn)二氧化碳的零排放，使其可與核能、風(fēng)能、太陽能等成為當前最具希望的新能源。

1.壓電發(fā)電工作原理

壓電材料具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)1，由于晶體在機械力的作用下發(fā)生形變（伸長和壓縮）而引起帶電粒子的相對位移（偏離平衡位置），從而使得晶體的總電矩發(fā)生變化，產(chǎn)生正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩個方面，二者耦合在一起將機械動能轉(zhuǎn)化為電能。通過在壓電陶瓷上添加交變電場可形成振動現(xiàn)象，反之，壓電陶瓷可通過機械振動產(chǎn)生交變的電場，準確地說，壓電發(fā)電技術(shù)是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而實現(xiàn)發(fā)電的目標。因此，以機械震動發(fā)電可以實現(xiàn)。

2.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，壓電技術(shù)的不斷發(fā)展使得發(fā)電效率也在不斷提升，人們也越來越關(guān)注壓電材料將環(huán)境震動轉(zhuǎn)換為電能的研究成績。其中PZT（即Pb（Zr，Ti）O3壓電陶瓷）因其壓電效應(yīng)強，穩(wěn)定性好被認為是近些年研究的焦點。改良自1954年由美國學(xué)者B.賈飛等人于發(fā)現(xiàn)的PbZrO3-PbTiO3二元系固溶體壓電陶瓷。由此可見無論是壓電材料特性還是發(fā)電效率的研究均早已取得實質(zhì)性成效，這些成果為國內(nèi)外現(xiàn)階段壓電發(fā)電的實現(xiàn)與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。國內(nèi)在近些年便開始了壓電發(fā)電技術(shù)的研究，雖然美國、英國、荷蘭、日本等國先于我國開展研究，但我國任然取得了許多的的實驗成果。

為實現(xiàn)通過乘客踩踏驅(qū)動檢票機的正常運作，日本于06至09年期間先后三次在JR東京站進行試驗改進，而在2011年的上海世博會上，日方展示了其最新成果壓電發(fā)電地板，據(jù)悉，此設(shè)備的發(fā)電效率將比原來高十多倍，每天能回收1400千瓦電力。而日本的NEC等公司聯(lián)合開發(fā)的新型發(fā)光道路標識，通過在公路下裝填壓電發(fā)電裝置，使其為LED發(fā)光指示牌供電，現(xiàn)基本達到可自供電的實用水平。由Israel Institute of Technology旗下項目組的設(shè)想的壓電公路正在小型試驗中，通過在瀝青中植入大量的壓電晶體，汽車每行進1英里（1.6公里）可產(chǎn)生超過640千瓦電量。理論上，這些植入瀝青的壓電材料能至少使用30年，可用于任何大流量的道路。美國麻省理工學(xué)院媒體實驗室則通過在鞋前地面與鞋跟處使用壓電材料實現(xiàn)將鞋子作為充電器的設(shè)想。同樣的道理也適用在軍事設(shè)備中，美國軍方正在開發(fā)一種通過士兵行軍進而發(fā)電的裝置。士兵們可通過該裝置對所攜帶的電子設(shè)備進行供電，從而大幅度減少行軍負重。

諸多如壓電服、海浪壓電發(fā)電系統(tǒng)、聲波壓電發(fā)電也在國外不斷興起。而國內(nèi)雖然近年來才興起研究，但以中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所為首的中國科研機構(gòu)依然取得了不錯的成績，其中上海上海硅酸鹽先后在2012年、2013年在全國科技活動周展示了自己開發(fā)的壓電發(fā)電裝置。

3.壓電材料

壓電效應(yīng)是由1880年皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)的。發(fā)展至今已經(jīng)衍生出具有各種不同的性能和特點的壓電材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓電材料已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。壓電材料一般可分為三類：第一類為無機壓電材料，分為壓電晶體和壓電陶瓷。第二類為有機壓電材料，這類材料擁有材質(zhì)柔韌、低密度、低阻抗以及高壓電電壓常數(shù)（g）等優(yōu)點，發(fā)展十分迅速，但因其壓電應(yīng)變常數(shù)（d）偏低，使之作為壓電換能器有巨大限制。第三類則是在有機聚合物基底材料中嵌入壓電材料而成的壓電復(fù)合材料，至今在各個領(lǐng)域中擁有廣泛應(yīng)用。綜合分析各類壓電材料的特點并考慮到經(jīng)濟適用性，我們采用壓電效應(yīng)強、穩(wěn)定性好的壓電陶瓷—PZT。PZT現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)、通信技術(shù)、激光技術(shù)、生物技術(shù)等高科技領(lǐng)域。使用其作為壓電發(fā)電材料是目前最好的選擇，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會生產(chǎn)出更高溫度、高機電耦合系數(shù)和機械品質(zhì)因數(shù)及無鉛性質(zhì)的高性能壓電陶瓷，大大增強發(fā)電效率，使壓電發(fā)電具有更寬泛的使用條件。

4.結(jié)論

壓電發(fā)電技術(shù)作為能量獲取的一種新興形式，從最初的設(shè)想和應(yīng)用逆壓電效應(yīng)的壓電傳感器，到現(xiàn)在利用壓電效應(yīng)大量捕獲能量的實現(xiàn)。這正是壓電發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。而當壓電發(fā)電的正式普及之日，便可大幅緩解人員密集度區(qū)域的用電供給緊張的問題。壓電發(fā)電技術(shù)作為一種新興的綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。而在未來，這必將是新能源開發(fā)工程中的重要環(huán)節(jié)。

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作者簡介：潘宏剛（1982—），男，遼寧沈陽人，工程師，從事旋轉(zhuǎn)機械振動及故障診斷方向。