壓電效應的應用

接勐 吳泊潤 陳思宇

摘? ?要：文章介紹了壓電材料的正壓電效應和逆壓電效應，介紹了發電地板、納米發電機、海洋浮體發電等裝置利用正壓電效應的壓電發電技術概況。上述壓電發電裝置結構簡單、體積小、重量輕、造價低，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：壓電效應;壓電材料;納米發電機

壓電晶體在某個方向受到外載荷作用，晶體內部會產生極化現象，其上表面和下表面會產生相反極性的正、負電荷，稱為正壓電效應;若把壓電晶體放置在電場中，它會沿著某一方向發生變形，如果此電場是交變的，則晶體會發生正、反兩個方向的交替變形，稱為逆壓電效應。逆壓電效應可以應用于壓電材料的精密驅動領域，國內外高校和科研院所對超聲電機、壓電泵、壓電驅動器等進行了大量的研究。正壓電效應可以應用于壓電發電裝置進行機械能、動能對電能的轉化，如圖1所示。

20世紀80年代末，歐洲的科學家開始對壓電材料的電能捕獲進行研究，從此，壓電發電與能量存儲技術才被人們所認識[1]。

日本的SOUNDPOWER公司于2008年在地鐵站口安置了自行設計的利用正壓電效應原理工作的發電地板，人群經過地鐵站口踩踏在上面，發電地板可以發電，并將電能提供給LED燈，如圖2所示?？蒲腥藛T的研究表明，人群從邊長為7 cm的發電地板上往返走過一個來回可以產生1.6 J的電能。試驗已經初獲成效，如果研制成功，該公司將會大批量地生產該種產品[2]。

聲音以波的形式在介質中傳播。國外科研人員已經將聲音作為驅動力源，從而對驅動納米發電機開始了研究[3]，納米發電機如圖3所示?？蒲腥藛T輸入聲壓級為100 dB，利用傳統的壓電換能裝置的薄膜收集能量，對聲音的反應十分靈敏，納米線本身所特有的結構使得它的表面產生極化電荷，所產生的電能足夠供給納米器件或系統所需。

海洋浮體發電也是近年來利用正壓電效應發電的一種新技術，由漂浮在海洋上的浮體和壓電體等組成。在波浪的作用下，機械裝置推動壓電體彎曲變形，產生電荷并將其收集起來。海洋浮體發電裝置簡單可靠，振動頻率高，有可觀的發電效率。

為了降低碳排放量，維持世界生態和環境的可持續發展，各國大力發展可再生能源技術。發電地板、納米發電機、海洋浮體發電等裝置是利用壓電發電技術的典型應用，具有廣闊的前景。

[參考文獻]

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

[2]孫揚.韓研發新型發電裝置：能將聲音轉化成電能[EB/OL].（2010-09-18）[2019-11-15].http：//tech.sina.com.cn/d/2010-09-18/09044670806.shtml.