压电发电技术的现状及展望

胡 柳,何元庭,吴 婷,邓任华,朱本仁

(1.南华大学机械工程学院,湖南衡阳421001;2.南华大学核科学与技术学院,湖南衡阳421001)

1 当前世界能源利用现状

能源是科技发展的关键。历史上主要技术的发展都与新能源的利用或能源利用方法的改进有关。人类的一切活动都离不开能源,社会向前发展是以能源消费为前提的。自然界的能量总是遵守能量守恒定律,目前,工、农业所需的能量来源主要是石油、煤、天然气等。根据目前能源的消耗速度,在不久的将来,石油、煤、天然气等能源必将耗尽。因此,能源危机并非是虚幻。针对能源危机,应降低能源消耗速度,进行能量回收再利用,同时寻找并开发新能源。以上3种方法中最有前景的是寻找并开发新能源,近年来利用压电材料进行能量收集的研究越来越受到人们的关注,压电材料是一种节能型环保材料,绿色安全,不会产生有毒有害的残留物质,符合可持续发展的要求。压电发电是依靠外界振动使压电材料发生变形而发电,其可利用的振动源无处不在,其应用不受场地的限制,也不需要专设场地,其应用的伸缩性及活动性强。同时利用压电材料制作的压电发电装置结构简单,易于实现,成本低,可大型化批量生产。

2 压电发电技术的工作原理及研究现状

2.1 压电发电工作原理——压电效应

压电效应分为正压电效应和逆压电效应 。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的2个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。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,实现发电的目标[1]。

2.2 国内外研究状况

近几十年来,利用压电材料将环境中的机械能转换为电能的研究越来越受人们的重视,国内外许多科学家对压电材料的实验研究都已经证明压电材料有着广泛的用途,对压电材料特性的研究和发电能力的研究与探讨也已经获得了实质性的效果,这些为实现压电材料发电在实际中的应用打下了坚实的基础。目前,关于压电发电与能量存储技术的研究在美国、日本、荷兰、以色列、西班牙等许多国家已经逐步深入,并且取得了一定的实验成果,但国内压电发电技术的研究尚处于起步阶段。

2.3 压电发电的应用实例

2.3.1 压电发电保暖鞋

国外所研究的压电发电装置大多属于人力发电机,其中对“压电发电鞋”研究的报道最多。压电发电鞋原理就是把压电材料发电装置置入鞋底,通过走路时脚对鞋底的冲击使压电材料变形而产生电量[2,3],达到保暖的效果。这种发电装置的发电功率可满足户外登山运动员的脚底保暖和陆上部队在野外军事行动中的保暖使用需求,这项技术的成功运用展示了压电发电与能量存储技术的光明前景。国内现在也开发出了压电发光鞋,原理跟上述压电保暖鞋相似。

2.3.2 压电发电型电池充电器

维基尼亚科学家HENRY A.SODANO等在比较利用电容存储电能不足的前提下,第一次证明了利用压电材料制作的发电系统给电池充电的可行性。并且得出压电振子在谐振工作条件下给一个40mAh电池充电时间不到1h,利用随机频率充电需要1.5h的结果[4]。这项研究结果使利用压电材料进行能量收集的方法更加趋于实用化,同时也扩大其应用范围。

2.3.3 无源安全带检测装置

阿尔卑斯电气公司开发了一种无源安全带检测装置,解决了车内布线难的问题。此装置是通过将压电元件和无线电路嵌入到安全带带扣中,利用解下安全带时的动作,对压电元件施加压力使其发电来驱动无线电路,就能向司机通报安全带使用情况。无线电路使用遥控车门系统所用的频带 315MHz或433MHz[5]。

2.3.4 利用公路路面振动进行压电发电

以色列科学家表示,他们已经找到一种利用汽车运动让街道和公路发电的方法。据负责该项目的科学家海姆阿布拉莫维奇称该技术可以让汽车在耗能的同时也能产生新的能量,这项技术的奥秘在于路面下铺设了一种特殊的材料——微型压电晶体,这种压电晶体在受到挤压变形时会产生少量电量(相当于将等量的正负电荷分离,出现了电压),而当成千上万个压电晶体被植入公路表面时,公路便可产生巨大的电能。研究人员还表示,这种发电系统的具体发电能力取决于路面上通行车辆的数量、重量和行驶速度,理想情况下每千米路段每小时的发电量可达400 kWh,足以供应800户人家的日常用电需求[6]。

2.3.5 发电舞池

全世界第1家通过跳舞发电的迪厅在荷兰鹿特丹开业。在这家名为“瓦特俱乐部”的迪厅,舞池中大约1/3的用电是由跳舞的宾客们自己制造。2009年7月10日,坐落在伦敦繁华的国王十字大街的生态环保夜总会开张纳客。环保夜总会提供有机饮料、选用可回收餐具、在卫生间安装水循环系统以节约用水,最具创新的是它有一个会发电的舞池。当年轻男女在舞池中翩翩起舞时,地板可以将他们随音乐舞动而产生的能量通过地板下面的弹簧和一系列发电装置转化成电能储存在充电电池中,据说采用这套装置,理想情况下可以解决夜总会60%的电力需求,舞迷们在狂欢之余也为环保“踩”出了积极的贡献[7]。

2.3.6 海浪使压电材料发电

新泽西州普林斯顿海洋动力技术公司研究一种从海洋中获取廉价而洁净能源的方法,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。据估算,一个100MW的发电系统,其浮体可能要覆盖约7.7km2的海面,它发出的电力足够供一个2万人的城市用电。压电发电机的发电成本是很有竞争力的,在有些地方每千瓦时的电只需要1～3美分。因为海浪是“免费”的,而压电聚合物很少需要甚至不需要维修。压电聚合物对有腐蚀性的海水有良好的抗蚀性,且不透水,设计寿命可以达20年,而且还可以回收利用[8]。

3 压电发电技术的发展趋势

3.1 向微能源器件发展

微机电系统(MEMS)是21世纪重要的研究领域之一,而微能源器件是MEMS的一个重要分支,其发展直接关系到MEMS在某些领域的应用。当前,很多领域解决方案只适用于短寿命周期。基于压电材料的发电装置虽然只能产生小级别的电力,一般在微瓦到毫瓦之间,但对于微功耗系统已经足够。目前,压电技术在加速度传感器、变压器、变频器、滤波器等领域中得到了广泛的应用,但作为独立的微能源器件来满足商业和生活需求的压电电源还仅仅处于实验原型阶段。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,以推动电子技术、计算机技术和MEMS技术的进一步发展。

3.1.1 压电马达

压电马达是利用压电材料的逆压电效应,把电信号加到压电陶瓷-金属构成的定子上,使定子产生一定轨迹的机械振动,驱动转子运动的新型电机。由于定子的振动频率多数工作在超声频范围,因此也称为超声波电机或超声马达。压电马达的超静运行适用于医院、宾馆、办公室等要求低噪声的场合。它的大能量密度适用于机器人的驱动,驱动过程中不需要齿轮装置,适用于精密定位装置中。在汽车工业和航天工业中压电马达也有着广泛的应用前景。特别是在航天领域,它有着电磁马达所不可替代的地位：一台大型的航天器(如太空站),需要众多的电动机,采用超声马达,不仅不产生电磁干扰,而且还能实现快速准确的定位控制和锁定位置的自保持功能,减小航天器的重量和体积.超声马达的一系列优点越来越引起航天领域内许多专家、学者的兴趣和重视。

3.1.2 替代传统的电声器件

电声器件是指电与声音转换的器件,传统的电声器件主要是利用电磁效应、静电感应效应等原理来实现电与声的转换,而压电电声器件是利用压电效应来实现的,压电电声器件不需要外接电源,它能够采集环境中的能量,为器件供电。主要有压电传声器、压电耳机、压电受话器等。压电电声器件具有体积小、重量轻、节能等优点,有很大的发展前途。

3.1.3 压电变压器

压电变压器是20世纪50年代开始研制,并于70年代发展起来的新型电子变压器。早期使用钞酸钡材料,转换效率很低,实用价值不大。随着钦馅酸铅等高压电常数、高KA和高Qm压电陶瓷材料的出现,压电变压器的研制才取得了显著进展。与传统的线绕变压器相比,压电变压器具有体积小、重量轻、耐高温、耐辐射、高可靠、使用时不会击穿,且不产生电磁干扰等优良特性。压电变压器也具有电压变换、阻抗变换和电流变换等功能,压电变压器由于结构简单,易于批量生产。近10多年来压电变流器得到了迅速发展,并在笔记本电脑中成功应用,随着压电变压器的设计、制作和应用等方面的问题得到解决,压电变压器代替电磁变压器不再是梦想。

3.2 集成实现设备的自供电技术

在便携式和无线电子市场不断繁荣的今无,能量捕获是其自供电的一个关键。未来能量捕获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的供电感应单元,用于结构监测[9]。这类系统的进一步发展将促使能量捕获方法从纯粹的实验向实用方面发展。通过压电检测与控制传感器集成,利用压电效应和逆压电效应能设计制作出各种各样的检测与控制传感器,以实现不同的需求。在一些特殊的场合,实现设备的自供电越来越重要,自供电的关键是能量捕获。在这一方面,压电材料有着显著的优点,能够消除工作环境的限制。

3.3 压电发电技术与旋转机械结合

当前,能量捕获装置基本上都是将设备周围的振动能量转换为电能。而为了控制噪声和减少机械零部件的疲劳损伤,很多场合都会尽力抑制设备的振动,这使得振动能量的捕获更加团难。但旋转机械有大量可以转换的动能,即使效率低的压电发电装置也可以提供大部分电器设备所需的能量。当前,从旋转机械上收集能量的装置有高速公路中的视线导航标识等,但其他方面的研究很少见。因此,压电发电技术与旋转机械的结合将成为下一步研究的重点[10]。

4 结语

从微电量在点火装置传感器和压电器件的应用,到压电能量的大量捕获,这是压电技术发展的必然趋势。根据实际的振动环境,选择更优化的结构配置、压电振子村料和几何参数,以及高效的能量转换存储电路是提高振动能量捕获量和捕获效率的必要途径。压电发电是一种绿色环保的新能源发电技术,具有很好的发展前景,必定会是将来新能源开发工程中的一个重要部分。

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