基于压电效应的能量收集与存储器件

高硕　黄泽彦　汤继秋　任梦宇　陈兆奎　李伟

摘 要：压电效应可以实现机械能与电能的相互转换，针对这一原理，我们设计了一款能将机械能转化为电能的器件。该器件不仅可以将压电效应产生的交流电转化为直流电，还能控制输出电压的大小，供不同规格的用电器正常用电。根据不同的应用环境，采用不同类型的压电陶瓷，产生最大的能量输出。器件不仅能够满足供电的需求，而且使用寿命长、无污染、免维护，拥有广阔的应用前景。

关键词：压电陶瓷;压电效应;器件;能量收集

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.094

从国内外发展来看，随着压电陶瓷制备技术的不断升级，其各方面性能有了极大的改善，并且在换能器、驱动器、传感器等方面都拥有成熟的应用技术。但是目前运用压电陶瓷发电的实验和研究成果尚不多见，以往由于机-电转化效率不高，故压电效应在产电方面应用不广泛。而如今，随着压电陶瓷的性能不断提升，机-电转化效率也有了极大的改善，在此基础之上，我们开始对这一方面进行试验与探索。

1 压电陶瓷和器件的发展

早期人们发现水晶、酒石酸钾钠等少数单晶体具有压电性，但是由于单晶产量低，难于加工成型等因素，在实际应用中受到限制。后来，人们在钛酸钡陶瓷上施加高压获得了陶瓷的压电性，并且钛酸钡可以通过合理的配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能[1]，成本低廉，由此产生了压电陶瓷在一批器件上的应用[2]、例如水声换能器[3]、电声换能器[4]、压力传感器等计测器件以及陶瓷滤波器[5]和陶瓷变压器[6]等压电器件，由于压电陶瓷本身性能的限制，器件的应用主要以检测与变压为主。尽管钛酸钡的压电性在工程上有着广泛的应用，但由于其居里温度低、工作温度范围窄等缺点，逐步被性能更加优良的钛酸铅和锆钛酸铅陶瓷（PZT）所取代。为了满足新型器件的特殊工作要求，国内外的科研人员在二元系PZT的基础上研制出了三元、四元及五元系材料，改善了压电陶瓷的种种性能[7]。由于钛酸铅和锆钛酸铅陶瓷居里温度以及温度和时间变化的稳定性都高于钛酸钡压电陶瓷，所以含铅陶瓷逐步取代了钛酸钡压电陶瓷在器件中的应用，直至今日，锆钛酸铅陶瓷仍然是水声换能器等器件的主要功能材料。随着压电陶瓷性能的不断提升，陶瓷的应用也更加多元化，近年来，利用压电陶瓷正压电效应发电的研究逐渐增多，例如以色列科学家制作的压电公路，日本东京地铁站里的压电地板等，都是压电陶瓷发电的实际应用。但由于压电公路造价昂贵，成本回收时间长，导致成果无法大规模推广。基于以上案例，我们设计了一款成本低，产能高，适合实际推广的器件，该器件基于压电陶瓷的正压电效应，使用价格低廉的市售压电陶瓷片，获得了较高的电能输出，使得成果的大规模推广变得现实。

2 器件总体设计

本研究分为三大板块，分别为压电组、充电组和用电组，这三大板块充分模拟了作品在实际应用时的情景。压电组由压力板，压力槽和外壳组成。压力板是按位置将凸点粘在木板上，其结构如图1，每一个压力点均对应于相应的陶瓷片，保证每一处的压电陶瓷片都尽可能的受到力的作用，既提高了作品的承载能力，又提高了机械能的转化效率，极具创新性。压力槽放置压电陶瓷片，如图2。在压力槽中，有一百个正方形空格，用于放置所选的一百个压电陶瓷片，空格深0.5厘米，以保证压电陶瓷片产生最大弹性形变时，不会使压电陶瓷片损坏。在压力槽中对压电陶瓷片进行串联并线，再用热熔胶对焊点进行封胶处理，将焊点粘在陶瓷片上，防止焊点脱落。焊接的电路上采用单排焊接的方式，使陶瓷片进行单排发电，然后将它们整合，在面对不同功率的用电器时，可以通过增加或减少排数，来调整压电组的产电效率。在最终的接口处，使用排针来进行电路的连接与对电流的整合，便于使用与拆卸。

充电组分为四个模块：集线板模块、整流滤波模块、变压模块、充电模块。集线板模块对应着压电组的排针，将压电组单排电路上的排针插入集线板模块中，连接压电组与充电组。由于压电陶瓷片产生的电流是正弦交流电，而整流电路的作用是将产生的不稳定的正弦交流电转换成的单向的直流电。由于经过整流电路（图3）之后的电压是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，所以稳压模块的作用是将混合电压的电压值稳定在5伏，用以充电模块充电。

用电组目前是生活中的小功率电器，例如LED灯、手机、电风扇等，当压电组的产电量达到一定规模时，器件可以使大功率用电器正常工作。

3 器件基本参数

器件选用的陶瓷片的基本参数如表1。

压电组整体为一个长40厘米、宽40厘米，高1厘米的长方体实物如图4，内部空格长与宽均为3.5厘米，深0.5厘米，压力点之间的间距与空格相匹配，也为3.5厘米。

经对器件的初步测试，用手按压压电组所产生的电能足以使LED灯持续发光，电压持续控制在5伏，具备实际应用的能力。

4 应用前景

本器件制作成本低廉，制作成本除人工外，共花费70元，考虑到实际应用时需更换外壳，预计每平米成本200元，以一公里普通公路为例，原有道路造价约260万元，器件道路造价约300万元，预计每年将产生36万千瓦时的电量，折合人民币约18万元，成本低，收益高，适合替换现有公路。

本器件发电方式相较于传统的火力发电，不会产生粉尘，污水等废弃物;相较于核能发电，没有放射性污染和熱污染，投资成本低;相较于水力发电，不受地形等因素制约，且发电量高。在环保性方面，机械能转化为电能的方式不会引起环境污染，压电陶瓷片可选择无铅的钛酸钡基陶瓷片，不会引起铅污染。若产品大规模应用，可以带动一批相关产业的发展，促进当地经济的建设，解决部分就业问题，并且器件的应用不占用新的土地，只需在原有的道路上改造即可，可行性高，适合大规模推广[8]。

5 结语

随着时代的发展，当今社会对能源的需求量不断提升，而传统能源由于储量有限以及容易引发环境等问题已经满足不了社会发展的需要，因此开发清洁、可再生能源成为当今社会面临的主要问题。该器件真正实现了能量的循环与利用，在实际应用后，能大幅度缓解城市用电紧张问题，减少不可再生资源的消耗，真正实现社会的可持续发展。

参考文献：

[1]刘祥建，陈仁文.压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势[J].振动与冲击，2012，31（16）：169-176.

[2]裴立宅.高技术陶瓷材料[M].合肥：合肥工业大学出版社，2015：14-24.

[3]莫喜平.水声换能器发展中的创新[J].陕西师范大学学报，2018，46（03）：1-11.

[4]吴迪.电声换能器与扬声器打摩[J].科技世界，2011（23）：104-106.

[5]林庭芬.通讯用宽带陶瓷滤波器[J].压电与声光，1996，18（03）：179-181.

[6]周桃生.压电陶瓷变压器材料的研究与进展[J].材料导报，1994（04）：39-42.

[7]李广慧，陈松，王振.五氧化二铌对锆钛酸铅压电陶瓷性能的影响[J].福建农机，2017（01）：38-40.

[8]李全禄，王胜利，秦梅宝等.钛酸铋钠无铅陶瓷研究进展[J].应用声学，2010，29（03）：617-618.

作者简介：高硕（1997-），男，山东济宁人，本科在读，研究方向：材料科学与工程。