压电效应的应用

接勐 吴泊润 陈思宇

摘   要：文章介绍了压电材料的正压电效应和逆压电效应，介绍了发电地板、纳米发电机、海洋浮体发电等装置利用正压电效应的压电发电技术概况。上述压电发电装置结构简单、体积小、重量轻、造价低，具有广阔的应用前景。

关键词：压电效应;压电材料;纳米发电机

压电晶体在某个方向受到外载荷作用，晶体内部会产生极化现象，其上表面和下表面会产生相反极性的正、负电荷，称为正压电效应;若把压电晶体放置在电场中，它会沿着某一方向发生变形，如果此电场是交变的，则晶体会发生正、反两个方向的交替变形，称为逆压电效应。逆压电效应可以应用于压电材料的精密驱动领域，国内外高校和科研院所对超声电机、压电泵、压电驱动器等进行了大量的研究。正压电效应可以应用于压电发电装置进行机械能、动能对电能的转化，如图1所示。

20世纪80年代末，欧洲的科学家开始对压电材料的电能捕获进行研究，从此，压电发电与能量存储技术才被人们所认识[1]。

日本的SOUNDPOWER公司于2008年在地铁站口安置了自行设计的利用正压电效应原理工作的发电地板，人群经过地铁站口踩踏在上面，发电地板可以发电，并将电能提供给LED灯，如图2所示。科研人员的研究表明，人群从边长为7 cm的发电地板上往返走过一个来回可以产生1.6 J的电能。试验已经初获成效，如果研制成功，该公司将会大批量地生产该种产品[2]。

声音以波的形式在介质中传播。国外科研人員已经将声音作为驱动力源，从而对驱动纳米发电机开始了研究[3]，纳米发电机如图3所示。科研人员输入声压级为100 dB，利用传统的压电换能装置的薄膜收集能量，对声音的反应十分灵敏，纳米线本身所特有的结构使得它的表面产生极化电荷，所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需。

海洋浮体发电也是近年来利用正压电效应发电的一种新技术，由漂浮在海洋上的浮体和压电体等组成。在波浪的作用下，机械装置推动压电体弯曲变形，产生电荷并将其收集起来。海洋浮体发电装置简单可靠，振动频率高，有可观的发电效率。

为了降低碳排放量，维持世界生态和环境的可持续发展，各国大力发展可再生能源技术。发电地板、纳米发电机、海洋浮体发电等装置是利用压电发电技术的典型应用，具有广阔的前景。

[参考文献]

[1]STARNER T.Human-powered wearable computing[J].IBM Systems Journal，1996（3.4）：618-629.

[2]孙扬.韩研发新型发电装置：能将声音转化成电能[EB/OL].（2010-09-18）[2019-11-15].http：//tech.sina.com.cn/d/2010-09-18/09044670806.shtml.