压电发电技术研究应用

[摘要]压电电源具有其他传统电源所不具备的独特特点，压电发电技术的研究已经得到广泛的重视，在为无线网络传感器供电等方面有着较广阔的实用价值和应用前景。针对压电发电技术在国内外的研究状况，研究了压电材料的压电发电原理，阐述了压电材料的发电方式及研究成果，并指出了压电发电技术需要解决的问题。

[关键词]压电效应 压电发电 压电应用

中图分类号：TN384 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0720120－01

一、压电效应

压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指晶体由于机械应力的作用而使其介质化，并使其表面荷电的效应。反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变，这边称之为逆压电效应。压电发电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，为网络传感器等微机电系统供电。

二、压电方程

压电发电装置的核心元件是压电振子，根据压电振子所处的电学边界条件和机械边界条件的不同，对应有四类压电方程，这里介绍第一类压电方程[1]： （1）

其中：D－电位移；d－压电常数；dt－d的转置；S－应变；sE－弹性柔顺常数；T－应力；E－电场；εT－介电常

数。

三、压电发电装置

压电材料发出的电信号具有高电压、低电流特性，电荷生成是瞬态和交替的，为达到微机电系统对电压、电流的要求，在设计压电发电装置时，应选择合适的压电振子的发电模式、支撑方式、激励方式与连接方式，来提高压电振子的机电转换效率及发电能力。

（一）发电模式。压电材料根据极化方向不同可分为d33模式与d31模式2种工作模式，矩形压电振子采用d31模式，应用在无线传感节点的压电电源等方面；圆形压电振子采用 d33模式，应用在压电发电鞋等方面。

（二）支撑方式。不同的压电振子的支撑方式，其工作方式及能量输出特点也不同，压电振子的支撑方式[3]主要有以下几种，如图1所示。

图1(a)为悬臂支撑方式，矩形压电发电元件多采用此方式；图1(b)为两端顶住、可自由旋转的支撑方式；图1(c)为刚性夹持支撑方式，这种方式导致压电振子的机电耦合极低，不适合用于压电发电；图1(d)为称简支支撑，圆片形压电振子常采用这种支撑方式；图1(e)为自由支撑方式，这种方式很少采用，安装不方便。

（三）激励方式。因为激励方式对压电振子的发电性能影响很大，因此需要结合实际情况选择不同的激励方式。

1．惯性自由振动式。如图2在悬臂梁末端施加力F时，压电振子自由振动，该方式发电能力较弱，但具有较长的振动持续时间，可以用来吸收环境振动能量，可作为微电子器件的电源。

2．冲击自由振动式。如图3利用自由振动金属球撞击压电振子，使之产生弯曲振动。该发电方式能产生瞬间的高压、大电流，其发电量可以点亮数十个毫瓦级的发光二极管。

3．强制振动式。如图4通过施加振幅迫使压电振子产生交替的弯曲变形来获得能量。这种发电方式可单独使用或与电器集成一体，便于及时为电器提供或补充电能，对于长期野外作业或边远地区尤其适用。

（四）连接方式。压电振子的连接方式有串联和并联两种方式，两压电振子并联输出2倍的电流，串联输出2倍的电压。

四、压电发电技术的应用

目前为微机电系统供能的微能源的研究与开发有许多，但是大部分只适合用于短寿命周期，太阳能电池也受到关照的影响。一些科研机构已经研究采集机械能的压电发电系统，虽然产生的电能一般在微瓦到毫瓦级，但对于网络传感器等微功耗系统已经足够。目前国内外在多种领域尝试了压电发电技术的应用。

（一）压电发电型电池充电器。维基尼亚科学家 HENRY A.SODANO利用压电材料制作的发电系统给电池充电，压电振子在谐振工作条件下给一个40mAh电池充电时间不到1小时，利用随机频率充电需要1个半小时的结果。

（二）利用公路路面振动进行压电发电。将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，通过车辆行走时路面振动来发电，所产生的电能经过电路调整可充当道路灯具和其他路政设施的工作电源，或者提供给储能装置加以存储和利用。

（三）海浪压电发电系统。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，就产生了一种低频率的高压电，通过电子元件变成为高压电流。

（四）纳米发电机。纳米发电机利用氧化锌纳米线，将环境中的机械能转化成电能，比如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的机械能，声波和超声波产生的振动能，体液流动、血液流动和动脉收缩产生的流体能量，它所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，发电效率可达17％－30％。

（五）纤维纳米发电机。与此前研发出的直流纳米发电机相比，纤维纳米发电机的突破在于：生长纳米线的基片从硬质、昂贵的硅材料换成了柔软、便宜的纤维丝；带动纳米线摩擦错动的机械运动由之前频率较高的超声波改为更容易获取的低频机械运动。纤维纳米发电机的材料都是生物安全材料，整个过程无排放、无污染，堪称最具潜力的绿色发电。

五、总结

压电电源是一种绿色电源，后续需要研究的是如何设计出更加合理的压电发电装置，来提高压电发电的能量转换

效率（机械能电能），并能采集环境中更多频率范围内的能量（主要是低频振动能）。

参考文献：

[1]张福学、王丽坤．现代压电学[M]．北京：科学出版社，2002．

[2]陈重华．压电陶瓷应用．山东大学出版社．1985．

[3]発電バイモルフモジェール．日本，2004．

[4]孙亚飞、陈仁文，陈勇等.压电材料电荷能量回收技术研究[J].压电与声光，2002.2.

作者简介：林玲，女，硕士研究生，江西理工大学讲师。主要研究方向为机械设计及理论，传感检测技术，动力学仿真。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”