壓電效應(yīng)的應(yīng)用

接勐 吳泊潤(rùn) 陳思宇

摘? ?要：文章介紹了壓電材料的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，介紹了發(fā)電地板、納米發(fā)電機(jī)、海洋浮體發(fā)電等裝置利用正壓電效應(yīng)的壓電發(fā)電技術(shù)概況。上述壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、造價(jià)低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：壓電效應(yīng);壓電材料;納米發(fā)電機(jī)

壓電晶體在某個(gè)方向受到外載荷作用，晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其上表面和下表面會(huì)產(chǎn)生相反極性的正、負(fù)電荷，稱(chēng)為正壓電效應(yīng);若把壓電晶體放置在電場(chǎng)中，它會(huì)沿著某一方向發(fā)生變形，如果此電場(chǎng)是交變的，則晶體會(huì)發(fā)生正、反兩個(gè)方向的交替變形，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)可以應(yīng)用于壓電材料的精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外高校和科研院所對(duì)超聲電機(jī)、壓電泵、壓電驅(qū)動(dòng)器等進(jìn)行了大量的研究。正壓電效應(yīng)可以應(yīng)用于壓電發(fā)電裝置進(jìn)行機(jī)械能、動(dòng)能對(duì)電能的轉(zhuǎn)化，如圖1所示。

20世紀(jì)80年代末，歐洲的科學(xué)家開(kāi)始對(duì)壓電材料的電能捕獲進(jìn)行研究，從此，壓電發(fā)電與能量存儲(chǔ)技術(shù)才被人們所認(rèn)識(shí)[1]。

日本的SOUNDPOWER公司于2008年在地鐵站口安置了自行設(shè)計(jì)的利用正壓電效應(yīng)原理工作的發(fā)電地板，人群經(jīng)過(guò)地鐵站口踩踏在上面，發(fā)電地板可以發(fā)電，并將電能提供給LED燈，如圖2所示。科研人員的研究表明，人群從邊長(zhǎng)為7 cm的發(fā)電地板上往返走過(guò)一個(gè)來(lái)回可以產(chǎn)生1.6 J的電能。試驗(yàn)已經(jīng)初獲成效，如果研制成功，該公司將會(huì)大批量地生產(chǎn)該種產(chǎn)品[2]。

聲音以波的形式在介質(zhì)中傳播。國(guó)外科研人員已經(jīng)將聲音作為驅(qū)動(dòng)力源，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)開(kāi)始了研究[3]，納米發(fā)電機(jī)如圖3所示?？蒲腥藛T輸入聲壓級(jí)為100 dB，利用傳統(tǒng)的壓電換能裝置的薄膜收集能量，對(duì)聲音的反應(yīng)十分靈敏，納米線(xiàn)本身所特有的結(jié)構(gòu)使得它的表面產(chǎn)生極化電荷，所產(chǎn)生的電能足夠供給納米器件或系統(tǒng)所需。

海洋浮體發(fā)電也是近年來(lái)利用正壓電效應(yīng)發(fā)電的一種新技術(shù)，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(jī)械裝置推動(dòng)壓電體彎曲變形，產(chǎn)生電荷并將其收集起來(lái)。海洋浮體發(fā)電裝置簡(jiǎn)單可靠，振動(dòng)頻率高，有可觀的發(fā)電效率。

為了降低碳排放量，維持世界生態(tài)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，各國(guó)大力發(fā)展可再生能源技術(shù)。發(fā)電地板、納米發(fā)電機(jī)、海洋浮體發(fā)電等裝置是利用壓電發(fā)電技術(shù)的典型應(yīng)用，具有廣闊的前景。

[參考文獻(xiàn)]

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

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