胡 柳,何元庭,吳 婷,鄧任華,朱本仁

(1.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖南衡陽421001;2.南華大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖南衡陽421001)

1 當(dāng)前世界能源利用現(xiàn)狀

能源是科技發(fā)展的關(guān)鍵。歷史上主要技術(shù)的發(fā)展都與新能源的利用或能源利用方法的改進(jìn)有關(guān)。人類的一切活動(dòng)都離不開能源,社會(huì)向前發(fā)展是以能源消費(fèi)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(jī)并非是虛幻。針對(duì)能源危機(jī),應(yīng)降低能源消耗速度,進(jìn)行能量回收再利用,同時(shí)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(jìn)行能量收集的研究越來越受到人們的關(guān)注,壓電材料是一種節(jié)能型環(huán)保材料,綠色安全,不會(huì)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(dòng)使壓電材料發(fā)生變形而發(fā)電,其可利用的振動(dòng)源無處不在,其應(yīng)用不受場(chǎng)地的限制,也不需要專設(shè)場(chǎng)地,其應(yīng)用的伸縮性及活動(dòng)性強(qiáng)。同時(shí)利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),成本低,可大型化批量生產(chǎn)。

2 壓電發(fā)電技術(shù)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(yīng)

壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng) 。某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí),其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的2個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后,它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變。相反,當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng),這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形,電場(chǎng)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(yīng),或稱為電致伸縮現(xiàn)象。準(zhǔn)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(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目標(biāo)[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(jī)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(xué)家對(duì)壓電材料的實(shí)驗(yàn)研究都已經(jīng)證明壓電材料有著廣泛的用途,對(duì)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(shí)質(zhì)性的效果,這些為實(shí)現(xiàn)壓電材料發(fā)電在實(shí)際中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前,關(guān)于壓電發(fā)電與能量存儲(chǔ)技術(shù)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(shí)驗(yàn)成果,但國內(nèi)壓電發(fā)電技術(shù)的研究尚處于起步階段。

2.3 壓電發(fā)電的應(yīng)用實(shí)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(jī),其中對(duì)“壓電發(fā)電鞋”研究的報(bào)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(shí)腳對(duì)鞋底的沖擊使壓電材料變形而產(chǎn)生電量[2,3],達(dá)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(yùn)動(dòng)員的腳底保暖和陸上部隊(duì)在野外軍事行動(dòng)中的保暖使用需求,這項(xiàng)技術(shù)的成功運(yùn)用展示了壓電發(fā)電與能量存儲(chǔ)技術(shù)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(xué)家HENRY A.SODANO等在比較利用電容存儲(chǔ)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(gè)40mAh電池充電時(shí)間不到1h,利用隨機(jī)頻率充電需要1.5h的結(jié)果[4]。這項(xiàng)研究結(jié)果使利用壓電材料進(jìn)行能量收集的方法更加趨于實(shí)用化,同時(shí)也擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

2.3.3 無源安全帶檢測(cè)裝置

阿爾卑斯電氣公司開發(fā)了一種無源安全帶檢測(cè)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(shí)的動(dòng)作,對(duì)壓電元件施加壓力使其發(fā)電來驅(qū)動(dòng)無線電路,就能向司機(jī)通報(bào)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(dòng)進(jìn)行壓電發(fā)電

以色列科學(xué)家表示,他們已經(jīng)找到一種利用汽車運(yùn)動(dòng)讓街道和公路發(fā)電的方法。據(jù)負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的科學(xué)家海姆阿布拉莫維奇稱該技術(shù)可以讓汽車在耗能的同時(shí)也能產(chǎn)生新的能量,這項(xiàng)技術(shù)的奧秘在于路面下鋪設(shè)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(shí)會(huì)產(chǎn)生少量電量(相當(dāng)于將等量的正負(fù)電荷分離,出現(xiàn)了電壓),而當(dāng)成千上萬個(gè)壓電晶體被植入公路表面時(shí),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(shí)的發(fā)電量可達(dá)400 kWh,足以供應(yīng)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(huì)開張納客。環(huán)保夜總會(huì)提供有機(jī)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(gè)會(huì)發(fā)電的舞池。當(dāng)年輕男女在舞池中翩翩起舞時(shí),地板可以將他們隨音樂舞動(dòng)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(chǔ)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(huì)60%的電力需求,舞迷們?cè)诳駳g之余也為環(huán)?！安取背隽朔e極的貢獻(xiàn)[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(dòng)力技術(shù)公司研究一種從海洋中獲取廉價(jià)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(yīng)力使壓電聚合物發(fā)電。據(jù)估算,一個(gè)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(gè)2萬人的城市用電。壓電發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本是很有競(jìng)爭(zhēng)力的,在有些地方每千瓦時(shí)的電只需要1～3美分。因?yàn)楹＠耸恰懊赓M(fèi)”的,而壓電聚合物很少需要甚至不需要維修。壓電聚合物對(duì)有腐蝕性的海水有良好的抗蝕性,且不透水,設(shè)計(jì)壽命可以達(dá)20年,而且還可以回收利用[8]。

3 壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 向微能源器件發(fā)展

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是21世紀(jì)重要的研究領(lǐng)域之一,而微能源器件是MEMS的一個(gè)重要分支,其發(fā)展直接關(guān)系到MEMS在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前,很多領(lǐng)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(jí)別的電力,一般在微瓦到毫瓦之間,但對(duì)于微功耗系統(tǒng)已經(jīng)足夠。目前,壓電技術(shù)在加速度傳感器、變壓器、變頻器、濾波器等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,但作為獨(dú)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(shí)驗(yàn)原型階段。隨著國內(nèi)外學(xué)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(dòng)電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

3.1.1 壓電馬達(dá)

壓電馬達(dá)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),把電信號(hào)加到壓電陶瓷-金屬構(gòu)成的定子上,使定子產(chǎn)生一定軌跡的機(jī)械振動(dòng),驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的新型電機(jī)。由于定子的振動(dòng)頻率多數(shù)工作在超聲頻范圍,因此也稱為超聲波電機(jī)或超聲馬達(dá)。壓電馬達(dá)的超靜運(yùn)行適用于醫(yī)院、賓館、辦公室等要求低噪聲的場(chǎng)合。它的大能量密度適用于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)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(dá)也有著廣泛的應(yīng)用前景。特別是在航天領(lǐng)域,它有著電磁馬達(dá)所不可替代的地位：一臺(tái)大型的航天器(如太空站),需要眾多的電動(dòng)機(jī),采用超聲馬達(dá),不僅不產(chǎn)生電磁干擾,而且還能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)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(dá)的一系列優(yōu)點(diǎn)越來越引起航天領(lǐng)域內(nèi)許多專家、學(xué)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(yīng)、靜電感應(yīng)效應(yīng)等原理來實(shí)現(xiàn)電與聲的轉(zhuǎn)換,而壓電電聲器件是利用壓電效應(yīng)來實(shí)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(jī)、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(diǎn),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(jì)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(shí)用價(jià)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(jìn)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(shí)不會(huì)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(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用,隨著壓電變壓器的設(shè)計(jì)、制作和應(yīng)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(mèng)想。

3.2 集成實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自供電技術(shù)

在便攜式和無線電子市場(chǎng)不斷繁榮的今無,能量捕獲是其自供電的一個(gè)關(guān)鍵。未來能量捕獲的研究將集中在能量捕獲、存儲(chǔ)和應(yīng)用電路等方面,以解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式傳感器等領(lǐng)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(cè)設(shè)備集成在一起構(gòu)成完全的供電感應(yīng)單元,用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)[9]。這類系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展將促使能量捕獲方法從純粹的實(shí)驗(yàn)向?qū)嵱梅矫姘l(fā)展。通過壓電檢測(cè)與控制傳感器集成,利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)能設(shè)計(jì)制作出各種各樣的檢測(cè)與控制傳感器,以實(shí)現(xiàn)不同的需求。在一些特殊的場(chǎng)合,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自供電越來越重要,自供電的關(guān)鍵是能量捕獲。在這一方面,壓電材料有著顯著的優(yōu)點(diǎn),能夠消除工作環(huán)境的限制。

3.3 壓電發(fā)電技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)合

當(dāng)前,能量捕獲裝置基本上都是將設(shè)備周圍的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。而為了控制噪聲和減少機(jī)械零部件的疲勞損傷,很多場(chǎng)合都會(huì)盡力抑制設(shè)備的振動(dòng),這使得振動(dòng)能量的捕獲更加團(tuán)難。但旋轉(zhuǎn)機(jī)械有大量可以轉(zhuǎn)換的動(dòng)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(shè)備所需的能量。當(dāng)前,從旋轉(zhuǎn)機(jī)械上收集能量的裝置有高速公路中的視線導(dǎo)航標(biāo)識(shí)等,但其他方面的研究很少見。因此,壓電發(fā)電技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的結(jié)合將成為下一步研究的重點(diǎn)[10]。

4 結(jié)語

從微電量在點(diǎn)火裝置傳感器和壓電器件的應(yīng)用,到壓電能量的大量捕獲,這是壓電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)際的振動(dòng)環(huán)境,選擇更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)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(chǔ)電路是提高振動(dòng)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(shù),具有很好的發(fā)展前景,必定會(huì)是將來新能源開發(fā)工程中的一個(gè)重要部分。

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