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(jià)值，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外壓電發(fā)電技術(shù)的整理，進(jìn)而進(jìn)行研究比較。通過(guò)對(duì)當(dāng)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(guó)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(fù)荷的急劇增加也使得環(huán)境負(fù)荷逐漸增加，如何實(shí)現(xiàn)在提高現(xiàn)有能源的利用效率的前提下，在短時(shí)間內(nèi)展開(kāi)新型能源的發(fā)現(xiàn)、使用和過(guò)度一直是個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)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(huì)因各種原因被人們舍棄。而環(huán)境震動(dòng)作為能量逸散的一種形式，通過(guò)對(duì)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(dòng)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(dòng)使壓電發(fā)電材料產(chǎn)生形變進(jìn)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(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放，使其可與核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等成為當(dāng)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(jī)械力的作用下發(fā)生形變（伸長(zhǎng)和壓縮）而引起帶電粒子的相對(duì)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(gè)方面，二者耦合在一起將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。通過(guò)在壓電陶瓷上添加交變電場(chǎng)可形成振動(dòng)現(xiàn)象，反之，壓電陶瓷可通過(guò)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)，準(zhǔn)確地說(shuō)，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)殡娔埽瑥亩鴮?shí)現(xiàn)發(fā)電的目標(biāo)。因此，以機(jī)械震動(dòng)發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)。

2.國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，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(lái)越關(guān)注壓電材料將環(huán)境震動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能的研究成績(jī)。其中PZT（即Pb（Zr，Ti）O3壓電陶瓷）因其壓電效應(yīng)強(qiáng)，穩(wěn)定性好被認(rèn)為是近些年研究的焦點(diǎn)。改良自1954年由美國(guó)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(jiàn)無(wú)論是壓電材料特性還是發(fā)電效率的研究均早已取得實(shí)質(zhì)性成效，這些成果為國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段壓電發(fā)電的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)在近些年便開(kāi)始了壓電發(fā)電技術(shù)的研究，雖然美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)先于我國(guó)開(kāi)展研究，但我國(guó)任然取得了許多的的實(shí)驗(yàn)成果。

為實(shí)現(xiàn)通過(guò)乘客踩踏驅(qū)動(dòng)檢票機(jī)的正常運(yùn)作，日本于06至09年期間先后三次在JR東京站進(jìn)行試驗(yàn)改進(jìn)，而在2011年的上海世博會(huì)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(lái)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(kāi)發(fā)的新型發(fā)光道路標(biāo)識(shí)，通過(guò)在公路下裝填壓電發(fā)電裝置，使其為L(zhǎng)ED發(fā)光指示牌供電，現(xiàn)基本達(dá)到可自供電的實(shí)用水平。由Israel Institute of Technology旗下項(xiàng)目組的設(shè)想的壓電公路正在小型試驗(yàn)中，通過(guò)在瀝青中植入大量的壓電晶體，汽車每行進(jìn)1英里（1.6公里）可產(chǎn)生超過(guò)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(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室則通過(guò)在鞋前地面與鞋跟處使用壓電材料實(shí)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(guó)軍方正在開(kāi)發(fā)一種通過(guò)士兵行軍進(jìn)而發(fā)電的裝置。士兵們可通過(guò)該裝置對(duì)所攜帶的電子設(shè)備進(jìn)行供電，從而大幅度減少行軍負(fù)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(guó)外不斷興起。而國(guó)內(nèi)雖然近年來(lái)才興起研究，但以中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所為首的中國(guó)科研機(jī)構(gòu)依然取得了不錯(cuò)的成績(jī)，其中上海上海硅酸鹽先后在2012年、2013年在全國(guó)科技活動(dòng)周展示了自己開(kāi)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(diǎn)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(wú)機(jī)壓電材料，分為壓電晶體和壓電陶瓷。第二類為有機(jī)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(diǎn)，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(jī)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(gè)領(lǐng)域中擁有廣泛應(yīng)用。綜合分析各類壓電材料的特點(diǎn)并考慮到經(jīng)濟(jì)適用性，我們采用壓電效應(yīng)強(qiáng)、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(huì)生產(chǎn)出更高溫度、高機(jī)電耦合系數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)及無(wú)鉛性質(zhì)的高性能壓電陶瓷，大大增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。這正是壓電發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。而當(dāng)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(wèn)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(lái)，這必將是新能源開(kāi)發(fā)工程中的重要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張福學(xué)，王麗坤.現(xiàn)代壓電學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2]林聲和，葉至碧，王裕斌.壓電陶瓷.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979，29-38.

[3] R. A. Islam and S. Priya， Appl. Phys. Lett. 88， 032903 （2006） .

[4]陳子光，胡元太，楊嘉實(shí).基于扭轉(zhuǎn)模態(tài)的角振動(dòng)壓電俘能器研究[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2007，28（6）：693～698.

[5]漸行漸近的壓電發(fā)電技術(shù)科學(xué)時(shí)報(bào)2011年05月13日

[6]南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文基于壓電效應(yīng)的能量收集潘家偉20080301.

作者簡(jiǎn)介：潘宏剛（1982—），男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)及故障診斷方向。