压电发电技术现状分析与材料介绍

黄子明

摘 要：探究了压电发电技术的发展历史及发展价值，通过对国内外压电发电技术的整理，进而进行研究比较。通过对当今能源利用现状的解读以及压电发电技术的原理分析证明了压电发电技术的可行性，并以国内外压电发电的应用为例展示了压电发电技术的发展历程。介绍了压电材料的应用情况。

关键词：压电效应；压电发电；新能源发电

引言：随着城市发展，用电负荷的急剧增加也使得环境负荷逐渐增加，如何实现在提高现有能源的利用效率的前提下，在短时间内展开新型能源的发现、使用和过度一直是个难以实现的问题。目前煤、石油、天然气等一直是农工商业所必须的能源，但作为化石能源终会因各种原因被人们舍弃。而环境震动作为能量逸散的一种形式，通过对它的研究一方面可以提供提高能量利用效率的合理化建议，另一方面自然环境中的震动也可以作为新能源被人们所接受。压电发电技术是利用外界震动使压电发电材料产生形变进而发电，且压电发电材料的构造使其不受环境限制，还实现二氧化碳的零排放，使其可与核能、风能、太阳能等成为当前最具希望的新能源。

1.压电发电工作原理

压电材料具有正压电效应和逆压电效应1，由于晶体在机械力的作用下发生形变（伸长和压缩）而引起带电粒子的相对位移（偏离平衡位置），从而使得晶体的总电矩发生变化，产生正压电效应和逆压电效应两个方面，二者耦合在一起将机械动能转化为电能。通过在压电陶瓷上添加交变电场可形成振动现象，反之，压电陶瓷可通过机械振动产生交变的电场，准确地说，压电发电技术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，从而实现发电的目标。因此，以机械震动发电可以实现。

2.国内外发展现状

近年来，压电技术的不断发展使得发电效率也在不断提升，人们也越来越关注压电材料将环境震动转换为电能的研究成绩。其中PZT（即Pb（Zr，Ti）O3压电陶瓷）因其压电效应强，稳定性好被认为是近些年研究的焦点。改良自1954年由美国学者B.贾飞等人于发现的PbZrO3-PbTiO3二元系固溶体压电陶瓷。由此可见无论是压电材料特性还是发电效率的研究均早已取得实质性成效，这些成果为国内外现阶段压电发电的实现与应用提供了基础。国内在近些年便开始了压电发电技术的研究，虽然美国、英国、荷兰、日本等国先于我国开展研究，但我国任然取得了许多的的实验成果。

为实现通过乘客踩踏驱动检票机的正常运作，日本于06至09年期间先后三次在JR东京站进行试验改进，而在2011年的上海世博会上，日方展示了其最新成果压电发电地板，据悉，此设备的发电效率将比原来高十多倍，每天能回收1400千瓦电力。而日本的NEC等公司联合开发的新型发光道路标识，通过在公路下装填压电发电装置，使其为LED发光指示牌供电，现基本达到可自供电的实用水平。由Israel Institute of Technology旗下项目组的设想的压电公路正在小型试验中，通过在沥青中植入大量的压电晶体，汽车每行进1英里（1.6公里）可产生超过640千瓦电量。理论上，这些植入沥青的压电材料能至少使用30年，可用于任何大流量的道路。美国麻省理工学院媒体实验室则通过在鞋前地面与鞋跟处使用压电材料实现将鞋子作为充电器的设想。同样的道理也适用在军事设备中，美国军方正在开发一种通过士兵行军进而发电的装置。士兵们可通过该装置对所携带的电子设备进行供电，从而大幅度减少行军负重。

诸多如压电服、海浪压电发电系统、声波压电发电也在国外不断兴起。而国内虽然近年来才兴起研究，但以中国科学院上海硅酸盐研究所为首的中国科研机构依然取得了不错的成绩，其中上海上海硅酸盐先后在2012年、2013年在全国科技活动周展示了自己开发的压电发电装置。

3.压电材料

压电效应是由1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现的。发展至今已经衍生出具有各种不同的性能和特点的压电材料。随着科学技术的发展，压电材料已经得到了广泛的应用。压电材料一般可分为三类：第一类为无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷。第二类为有机压电材料，这类材料拥有材质柔韧、低密度、低阻抗以及高压电电压常数（g）等优点，发展十分迅速，但因其压电应变常数（d）偏低，使之作为压电换能器有巨大限制。第三类则是在有機聚合物基底材料中嵌入压电材料而成的压电复合材料，至今在各个领域中拥有广泛应用。综合分析各类压电材料的特点并考虑到经济适用性，我们采用压电效应强、稳定性好的压电陶瓷—PZT。PZT现已广泛应用于电子技术、通信技术、激光技术、生物技术等高科技领域。使用其作为压电发电材料是目前最好的选择，但随着科学技术的发展会生产出更高温度、高机电耦合系数和机械品质因数及无铅性质的高性能压电陶瓷，大大增强发电效率，使压电发电具有更宽泛的使用条件。

4.结论

压电发电技术作为能量获取的一种新兴形式，从最初的设想和应用逆压电效应的压电传感器，到现在利用压电效应大量捕获能量的实现。这正是压电发电技术发展的必然趋势。而当压电发电的正式普及之日，便可大幅缓解人员密集度区域的用电供给紧张的问题。压电发电技术作为一种新兴的绿色环保的发电技术，具有广阔的发展前景。而在未来，这必将是新能源开发工程中的重要环节。

参考文献：

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[4]陈子光，胡元太，杨嘉实.基于扭转模态的角振动压电俘能器研究[J].应用数学和力学，2007，28（6）：693～698.

[5]渐行渐近的压电发电技术科学时报2011年05月13日

[6]南京航空航天大学硕士学位论文基于压电效应的能量收集潘家伟20080301.

作者简介：潘宏刚（1982—），男，辽宁沈阳人，工程师，从事旋转机械振动及故障诊断方向。