压电材料的新能源应用

1、压电材料在新能源应用 杨华一、压电材料的定义 压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电石英晶体材料压电效应 1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。 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，同时在它的两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

2、象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。压电材料piezoelectric material 材料从使用性能上可以分为结构材料和功能材料两大类。 功能材料以其电、磁、光、声、热等物理性能为基础，用以制作有特殊功能的器件。 压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，是一类对机、电、声、光、热敏感的电子材料，广泛应用于工业部门和高科技领域1。也可以理解为受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电发电技术工作原理 压电发电技术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。 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

3、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。压电发电应用 压电发电鞋 压电发电衣服 汽车轮胎压电发电 路面或地板压电发电：（1）发电公路 （2）发电舞池 海浪压电发电系统 声波压电发电压电发电鞋 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

4、边发电的想法变成了现实。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MP3充电。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

5、。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。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。发电公路 西安交通大学曹秉刚等人发明发电一种利用震动能量压电的发电方法及其道路灯具系统，其

6、工作原理见右图。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。海

7、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。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。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