压电发电技术的应用和发展趋势

2022-09-10

近年来, 能量的收集日益引起人们的关注, 压电材料因具有优良的机电转换特性成为撷取环境机械能获得电能的重要方法。压电发电装置具有结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现微小化、集成化等优点, 因此利用压电装置发电已经成为一个新的研究热点[1]。

1 压电发电原理

压电材料具有正压电效应和逆压电效应[2]。所谓正压电效应是指晶体由于机械应力的作用表面荷电的效应, 晶体的这种性质称为压电性。逆压电效应是指给晶体施加电场时, 晶体会产生几何形变。压电发电就是利用压电材料的正压电效应将机械振动能量转变为电能。当前, 压电材料可分为压电单晶体、压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料四大类。

压电能量转换系统由压电发电装置、存储与控制电路组成。人们通常将压电材料粘接在金属上构成压电振子, 压电振子在外界冲击力作用下产生形变而输出电荷, 其每次变形所产生的电荷经过存储与控制电路的调整, 可输出稳定的电压, 并可根据要求调整输出电压值的大小。压电材料产生的电信号具有高电压、低电流特性, 电荷生成是瞬态和交替等特性。

2 压电发电的应用

目前国内外在多种领域尝试了压电发电技术的应用。

2.1 路面或地板压电发电

将压电装置铺设于路面内, 车辆通过时路面振动产生电能, 所产生的电能经过电路调整可充当道路灯具和其他设施的工作电源, 或提供给储能装置加以存储和利用。压电材料制成地板, 使用在车站等人流密度较大的场所, 行人经过可使地板发生形变, 从而获得电能。欧洲某一舞蹈俱乐部的地板就是利用压电技术产生能量给电灯供电。

2.2 压电发电鞋

美国麻省理工学院媒体实验室开发了压电发电鞋, 分别在鞋的前底面与鞋跟使用压电材料, 底面使用可挠的聚偏氟乙烯 (PVDF) 压电聚合物材料。新加坡国防科技局和新加坡大学的研究者也尝试在鞋里安装压电材料, 让鞋子变成充电器。压电鞋的出现使人们边走路边发电的想法变成了现实。

2.3 汽车轮胎压电发电

压电发电装置随机械振动源振动产生电能, 非特定振动源会因振幅与频率变化范围太大, 输出的电压不容易高效率地转换与收集, 因此压电发电常以特定的振动源为对象。例如汽车行进时车轮的运动频率与人的行走相比较稳定, 配合胎压计成为免电池式的汽车胎压监控系统。法国Michelin公司设计的此类产品最先使用于赛车轮胎中, 同时已获得多项专利。即使在频率变化较大的情况下, 汽车轮胎等重负荷物体运动时由于具有相对大的机械能, 仍能产生足够大的电能输出。

2.4 压电发电衣服

这项技术是将具有压电性质的材质编入衣料内, 当衣服受到压折或扭曲时便会产生电流。来自澳大利亚联邦科学与工业研究组织的研究人员正在开发可以直接穿在身上的发电制服。它利用运动过程中人体与衣服、衣服与衣服之间的压力来产生电能, 然后储存进镶嵌在衣服内的软式蓄电池里, 就可以拿来为行动电话或是M P 3充电。

2.5 海浪压电发电系统

海浪压电发电是把压电聚合物安装在海上的一个巨大的浮体和海底的锚之间的锚链内, 当浮体随海浪上下浮动时, 压电聚合物发生形变, 产生低频率的高压电, 通过电子元件变成为高压电流。美国新泽西州普林斯顿海洋动力技术公司也在研究从海洋获洁净能源的方法, 即把一种压电聚合物置于海浪和海流中, 利用海浪和海流产生的压力和应力使压电聚合物发电[3]。

2.6 声波压电发电

除利用固体和液体的振动发电外, 利用气体振动也可产生电能。美国德克萨斯A&M大学教授泰希·卡金的一项最新发明可让手机用户在说话时产生的声波通过微型压电装置转变成电能, 从而使手机常用而不断电。此发现将对开发低耗电的电子产品具有深远意义, 由此可开发出自我供电的手机、笔记本电脑、个人通报器和大量其它与电脑有关的电子产品。

3 压电发电技术的发展趋势

当前, 随着纳米技术、器件微型化等领域的发展, 压电发电技术的应用遇到了新的机遇和挑战, 其发展趋势主要有以下几个方面。

3.1 应用于微机电系统

微机电系统 (MEMS) 是21世纪重要的研究领域之一, 而微能源器件的发展直接关系到MEMS的应用。以压电陶瓷的机电耦合性能为换能基础的微型压电发电装置符合MEMS新型电源的能量密度高、体积小且寿命长等要求, 且与MEMS加工工艺兼容。随着国内外学者研究的不断深入, 高寿命的便携式压电电源必将出现在市场, 推动MEMS技术的进一步发展。

3.2 应用于便携式设备

在便携式和无线式电子市场不断繁荣的今天, 实现设备的自供电越来越重要, 能量捕获是自供电的关键。未来能量捕获技术的研究将集中在能量捕获、存储和应用电路等方面, 以解决无线传感器网络、嵌入式传感器等领域的供电问题, 这方面已经有初步的研究, 如将能量捕获装置和状态监测设备集成在一起构成完全自供电、自感应单元, 用于结构健康监控。

3.3 应用于旋转机械

当前, 能量捕获装置大都是将设备周围的振动能量转换为电能, 为了控制噪声和减少机械零部件的疲劳损伤, 可利用具有动能较大的旋转机械发电。当前, 从旋转机械上收集能量的装置有高速公路隧道中的视线导航标识等, 但这方面的研究还很少。压电发电技术与旋转机械的结合将成为下一步的研究重点。

3.4 与纳米技术相结合

纳米技术作为21世纪的一个重要新兴科技领域, 在理论与实践上正经历着高速的发展。2006年, 北京大学工学院先进材料与纳米技术系王中林研究小组发明了基于压电技术的纳米发电机。这种发电机是在具有竖直结构的氧化锌纳米线的基础上研制而成的。利用氧化锌纳米线的压电效应, 可将机械能转化成为电能。这一纳米发电机能达到17%~30%的发电效率, 为自发电的纳米器件奠定了原理和理论基础[4]。

摘要：简要介绍了压电发电的原理, 概括了当前国内外压电发电技术的应用领域, 指出压电发电技术应用于微机电系统、便携式设备和旋转机械并和纳米技术相结合是其发展趋势。

关键词：压电效益,振动能量捕获,压电发电