基于壓電效應的能量收集與存儲器件

高碩　黃澤彥　湯繼秋　任夢宇　陳兆奎　李偉

摘 要：壓電效應可以實現機械能與電能的相互轉換，針對這一原理，我們設計了一款能將機械能轉化為電能的器件。該器件不僅可以將壓電效應產生的交流電轉化為直流電，還能控制輸出電壓的大小，供不同規格的用電器正常用電。根據不同的應用環境，采用不同類型的壓電陶瓷，產生最大的能量輸出。器件不僅能夠滿足供電的需求，而且使用壽命長、無污染、免維護，擁有廣闊的應用前景。

關鍵詞：壓電陶瓷;壓電效應;器件;能量收集

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

從國內外發展來看，隨著壓電陶瓷制備技術的不斷升級，其各方面性能有了極大的改善，并且在換能器、驅動器、傳感器等方面都擁有成熟的應用技術。但是目前運用壓電陶瓷發電的實驗和研究成果尚不多見，以往由于機-電轉化效率不高，故壓電效應在產電方面應用不廣泛。而如今，隨著壓電陶瓷的性能不斷提升，機-電轉化效率也有了極大的改善，在此基礎之上，我們開始對這一方面進行試驗與探索。

1 壓電陶瓷和器件的發展

早期人們發現水晶、酒石酸鉀鈉等少數單晶體具有壓電性，但是由于單晶產量低，難于加工成型等因素，在實際應用中受到限制。后來，人們在鈦酸鋇陶瓷上施加高壓獲得了陶瓷的壓電性，并且鈦酸鋇可以通過合理的配方和摻雜等人工控制來達到所要求的性能[1]，成本低廉，由此產生了壓電陶瓷在一批器件上的應用[2]、例如水聲換能器[3]、電聲換能器[4]、壓力傳感器等計測器件以及陶瓷濾波器[5]和陶瓷變壓器[6]等壓電器件，由于壓電陶瓷本身性能的限制，器件的應用主要以檢測與變壓為主。盡管鈦酸鋇的壓電性在工程上有著廣泛的應用，但由于其居里溫度低、工作溫度范圍窄等缺點，逐步被性能更加優良的鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT）所取代。為了滿足新型器件的特殊工作要求，國內外的科研人員在二元系PZT的基礎上研制出了三元、四元及五元系材料，改善了壓電陶瓷的種種性能[7]。由于鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛陶瓷居里溫度以及溫度和時間變化的穩定性都高于鈦酸鋇壓電陶瓷，所以含鉛陶瓷逐步取代了鈦酸鋇壓電陶瓷在器件中的應用，直至今日，鋯鈦酸鉛陶瓷仍然是水聲換能器等器件的主要功能材料。隨著壓電陶瓷性能的不斷提升，陶瓷的應用也更加多元化，近年來，利用壓電陶瓷正壓電效應發電的研究逐漸增多，例如以色列科學家制作的壓電公路，日本東京地鐵站里的壓電地板等，都是壓電陶瓷發電的實際應用。但由于壓電公路造價昂貴，成本回收時間長，導致成果無法大規模推廣。基于以上案例，我們設計了一款成本低，產能高，適合實際推廣的器件，該器件基于壓電陶瓷的正壓電效應，使用價格低廉的市售壓電陶瓷片，獲得了較高的電能輸出，使得成果的大規模推廣變得現實。

2 器件總體設計

本研究分為三大板塊，分別為壓電組、充電組和用電組，這三大板塊充分模擬了作品在實際應用時的情景。壓電組由壓力板，壓力槽和外殼組成。壓力板是按位置將凸點粘在木板上，其結構如圖1，每一個壓力點均對應于相應的陶瓷片，保證每一處的壓電陶瓷片都盡可能的受到力的作用，既提高了作品的承載能力，又提高了機械能的轉化效率，極具創新性。壓力槽放置壓電陶瓷片，如圖2。在壓力槽中，有一百個正方形空格，用于放置所選的一百個壓電陶瓷片，空格深0.5厘米，以保證壓電陶瓷片產生最大彈性形變時，不會使壓電陶瓷片損壞。在壓力槽中對壓電陶瓷片進行串聯并線，再用熱熔膠對焊點進行封膠處理，將焊點粘在陶瓷片上，防止焊點脫落。焊接的電路上采用單排焊接的方式，使陶瓷片進行單排發電，然后將它們整合，在面對不同功率的用電器時，可以通過增加或減少排數，來調整壓電組的產電效率。在最終的接口處，使用排針來進行電路的連接與對電流的整合，便于使用與拆卸。

充電組分為四個模塊：集線板模塊、整流濾波模塊、變壓模塊、充電模塊。集線板模塊對應著壓電組的排針，將壓電組單排電路上的排針插入集線板模塊中，連接壓電組與充電組。由于壓電陶瓷片產生的電流是正弦交流電，而整流電路的作用是將產生的不穩定的正弦交流電轉換成的單向的直流電。由于經過整流電路（圖3）之后的電壓是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，所以穩壓模塊的作用是將混合電壓的電壓值穩定在5伏，用以充電模塊充電。

用電組目前是生活中的小功率電器，例如LED燈、手機、電風扇等，當壓電組的產電量達到一定規模時，器件可以使大功率用電器正常工作。

3 器件基本參數

器件選用的陶瓷片的基本參數如表1。

壓電組整體為一個長40厘米、寬40厘米，高1厘米的長方體實物如圖4，內部空格長與寬均為3.5厘米，深0.5厘米，壓力點之間的間距與空格相匹配，也為3.5厘米。

經對器件的初步測試，用手按壓壓電組所產生的電能足以使LED燈持續發光，電壓持續控制在5伏，具備實際應用的能力。

4 應用前景

本器件制作成本低廉，制作成本除人工外，共花費70元，考慮到實際應用時需更換外殼，預計每平米成本200元，以一公里普通公路為例，原有道路造價約260萬元，器件道路造價約300萬元，預計每年將產生36萬千瓦時的電量，折合人民幣約18萬元，成本低，收益高，適合替換現有公路。

本器件發電方式相較于傳統的火力發電，不會產生粉塵，污水等廢棄物;相較于核能發電，沒有放射性污染和熱污染，投資成本低;相較于水力發電，不受地形等因素制約，且發電量高。在環保性方面，機械能轉化為電能的方式不會引起環境污染，壓電陶瓷片可選擇無鉛的鈦酸鋇基陶瓷片，不會引起鉛污染。若產品大規模應用，可以帶動一批相關產業的發展，促進當地經濟的建設，解決部分就業問題，并且器件的應用不占用新的土地，只需在原有的道路上改造即可，可行性高，適合大規模推廣[8]。

5 結語

隨著時代的發展，當今社會對能源的需求量不斷提升，而傳統能源由于儲量有限以及容易引發環境等問題已經滿足不了社會發展的需要，因此開發清潔、可再生能源成為當今社會面臨的主要問題。該器件真正實現了能量的循環與利用，在實際應用后，能大幅度緩解城市用電緊張問題，減少不可再生資源的消耗，真正實現社會的可持續發展。

參考文獻：

[1]劉祥建，陳仁文.壓電振動能量收集裝置研究現狀及發展趨勢[J].振動與沖擊，2012，31（16）：169-176.

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[7]李廣慧，陳松，王振.五氧化二鈮對鋯鈦酸鉛壓電陶瓷性能的影響[J].福建農機，2017（01）：38-40.

[8]李全祿，王勝利，秦梅寶等.鈦酸鉍鈉無鉛陶瓷研究進展[J].應用聲學，2010，29（03）：617-618.

作者簡介：高碩（1997-），男，山東濟寧人，本科在讀，研究方向：材料科學與工程。