高碩　黃澤彥　湯繼秋　任夢(mèng)宇　陳兆奎　李偉

摘 要：壓電效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換，針對(duì)這一原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件。該器件不僅可以將壓電效應(yīng)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，還能控制輸出電壓的大小，供不同規(guī)格的用電器正常用電。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，采用不同類(lèi)型的壓電陶瓷，產(chǎn)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(zhǎng)、無(wú)污染、免維護(hù)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷;壓電效應(yīng);器件;能量收集

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

從國(guó)內(nèi)外發(fā)展來(lái)看，隨著壓電陶瓷制備技術(shù)的不斷升級(jí)，其各方面性能有了極大的改善，并且在換能器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器等方面都擁有成熟的應(yīng)用技術(shù)。但是目前運(yùn)用壓電陶瓷發(fā)電的實(shí)驗(yàn)和研究成果尚不多見(jiàn)，以往由于機(jī)-電轉(zhuǎn)化效率不高，故壓電效應(yīng)在產(chǎn)電方面應(yīng)用不廣泛。而如今，隨著壓電陶瓷的性能不斷提升，機(jī)-電轉(zhuǎn)化效率也有了極大的改善，在此基礎(chǔ)之上，我們開(kāi)始對(duì)這一方面進(jìn)行試驗(yàn)與探索。

1 壓電陶瓷和器件的發(fā)展

早期人們發(fā)現(xiàn)水晶、酒石酸鉀鈉等少數(shù)單晶體具有壓電性，但是由于單晶產(chǎn)量低，難于加工成型等因素，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。后來(lái)，人們?cè)阝佀徜^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(guò)合理的配方和摻雜等人工控制來(lái)達(dá)到所要求的性能[1]，成本低廉，由此產(chǎn)生了壓電陶瓷在一批器件上的應(yīng)用[2]、例如水聲換能器[3]、電聲換能器[4]、壓力傳感器等計(jì)測(cè)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(yīng)用主要以檢測(cè)與變壓為主。盡管鈦酸鋇的壓電性在工程上有著廣泛的應(yīng)用，但由于其居里溫度低、工作溫度范圍窄等缺點(diǎn)，逐步被性能更加優(yōu)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(guó)內(nèi)外的科研人員在二元系PZT的基礎(chǔ)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(shí)間變化的穩(wěn)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(yīng)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(yīng)用也更加多元化，近年來(lái)，利用壓電陶瓷正壓電效應(yīng)發(fā)電的研究逐漸增多，例如以色列科學(xué)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(fā)電的實(shí)際應(yīng)用。但由于壓電公路造價(jià)昂貴，成本回收時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致成果無(wú)法大規(guī)模推廣?；谝陨习咐覀?cè)O(shè)計(jì)了一款成本低，產(chǎn)能高，適合實(shí)際推廣的器件，該器件基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，使用價(jià)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(guī)模推廣變得現(xiàn)實(shí)。

2 器件總體設(shè)計(jì)

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(shí)際應(yīng)用時(shí)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(diǎn)粘在木板上，其結(jié)構(gòu)如圖1，每一個(gè)壓力點(diǎn)均對(duì)應(yīng)于相應(yīng)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(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率，極具創(chuàng)新性。壓力槽放置壓電陶瓷片，如圖2。在壓力槽中，有一百個(gè)正方形空格，用于放置所選的一百個(gè)壓電陶瓷片，空格深0.5厘米，以保證壓電陶瓷片產(chǎn)生最大彈性形變時(shí)，不會(huì)使壓電陶瓷片損壞。在壓力槽中對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行串聯(lián)并線，再用熱熔膠對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行封膠處理，將焊點(diǎn)粘在陶瓷片上，防止焊點(diǎn)脫落。焊接的電路上采用單排焊接的方式，使陶瓷片進(jìn)行單排發(fā)電，然后將它們整合，在面對(duì)不同功率的用電器時(shí)，可以通過(guò)增加或減少排數(shù)，來(lái)調(diào)整壓電組的產(chǎn)電效率。在最終的接口處，使用排針來(lái)進(jìn)行電路的連接與對(duì)電流的整合，便于使用與拆卸。

充電組分為四個(gè)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(duì)應(yīng)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(chǎn)生的電流是正弦交流電，而整流電路的作用是將產(chǎn)生的不穩(wěn)定的正弦交流電轉(zhuǎn)換成的單向的直流電。由于經(jīng)過(guò)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(wěn)壓模塊的作用是將混合電壓的電壓值穩(wěn)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(jī)、電風(fēng)扇等，當(dāng)壓電組的產(chǎn)電量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，器件可以使大功率用電器正常工作。

3 器件基本參數(shù)

器件選用的陶瓷片的基本參數(shù)如表1。

壓電組整體為一個(gè)長(zhǎng)40厘米、寬40厘米，高1厘米的長(zhǎng)方體實(shí)物如圖4，內(nèi)部空格長(zhǎng)與寬均為3.5厘米，深0.5厘米，壓力點(diǎn)之間的間距與空格相匹配，也為3.5厘米。

經(jīng)對(duì)器件的初步測(cè)試，用手按壓壓電組所產(chǎn)生的電能足以使LED燈持續(xù)發(fā)光，電壓持續(xù)控制在5伏，具備實(shí)際應(yīng)用的能力。

4 應(yīng)用前景

本器件制作成本低廉，制作成本除人工外，共花費(fèi)70元，考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)需更換外殼，預(yù)計(jì)每平米成本200元，以一公里普通公路為例，原有道路造價(jià)約260萬(wàn)元，器件道路造價(jià)約300萬(wàn)元，預(yù)計(jì)每年將產(chǎn)生36萬(wàn)千瓦時(shí)的電量，折合人民幣約18萬(wàn)元，成本低，收益高，適合替換現(xiàn)有公路。

本器件發(fā)電方式相較于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，不會(huì)產(chǎn)生粉塵，污水等廢棄物;相較于核能發(fā)電，沒(méi)有放射性污染和熱污染，投資成本低;相較于水力發(fā)電，不受地形等因素制約，且發(fā)電量高。在環(huán)保性方面，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的方式不會(huì)引起環(huán)境污染，壓電陶瓷片可選擇無(wú)鉛的鈦酸鋇基陶瓷片，不會(huì)引起鉛污染。若產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用，可以帶動(dòng)一批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的建設(shè)，解決部分就業(yè)問(wèn)題，并且器件的應(yīng)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(guī)模推廣[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源的需求量不斷提升，而傳統(tǒng)能源由于儲(chǔ)量有限以及容易引發(fā)環(huán)境等問(wèn)題已經(jīng)滿足不了社會(huì)發(fā)展的需要，因此開(kāi)發(fā)清潔、可再生能源成為當(dāng)今社會(huì)面臨的主要問(wèn)題。該器件真正實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)與利用，在實(shí)際應(yīng)用后，能大幅度緩解城市用電緊張問(wèn)題，減少不可再生資源的消耗，真正實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：高碩（1997-），男，山東濟(jì)寧人，本科在讀，研究方向：材料科學(xué)與工程。