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压电发电技术现状及展望 　　摘要:探讨了压电发电技术的研究价值及发展前景,参考了国内外众多压电发电技术方面的研究资料,并对其进行综合的比较研究。介绍了当今能源利用的现状,压电发电技术的特点及国内外利用新型压电材料发电的研究现状,从理论和实践上证明了压电发电技术的可行性及发展潜力,探讨了压电发电技术在微能源器件、自供电及旋转机械方面的发展趋势。 　　关键词:压电效应;新能源发电;压电发电;微机电;自供电 　　中图分类号:TN76 文献标识码:A 文章编号:1674?9944(2010)10?0165?03 　　1 当前世界能源利用现状 　　能源是科技发展的关键。历史上主要技术的发展都与新能源的利用或能源利用方法的改进有关。人类的一切活动都离不开能源,社会向前发展是以能源消费为前提的。自然界的能量总是遵守能量守恒定律,目前,工、农业所需的能量来源主要是石油、煤、天然气等。根据目前能源的消耗速度,在不久的将来,石油、煤、天然气等能源必将耗尽。因此,能源危机并非是虚幻。针对能源危机,应降低能源消耗速度,进行能量回收再利用,同时寻找并开发新能源。以上3种方法中最有前景的是寻找并开发新能源,近年来利用压电材料进行能量收集的研究越来越受到人们的关注,压电材料是一种节能型环保材料,绿色安全,不会产生有毒有害的残留物质,符合可持续发展的要求。压电发电是依靠外界振动使压电材料发生变形而发电,其可利用的振动源无处不在,其应用不受场地的限制,也不需要专设场地,其应用的伸缩性及活动性强。同时利用压电材料制作的压电发电装置结构简单,易于实现,成本低,可大型化批量生产。 　　2 压电发电技术的工作原理及研究现状 　　2.1 压电发电工作原理――压电效应 　　压电效应分为正压电效应和逆压电效应 。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的2个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为??压电效应,或称为电致伸缩现象。准确地说,压电发电技术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,实现发电的目标[1]。 　　2.2 国内外研究状况 　　近几十年来,利用压电材料将环境中的机械能转换为电能的研究越来越受人们的重视,国内外许多科学家对压电材料的实验研究都已经证明压电材料有着广泛的用途,对压电材料特性的研究和发电能力的研究与探讨也已经获得了实质性的效果,这些为实现压电材料发电在实际中的应用打下了坚实的基础。目前,关于压电发电与能量存储技术的研究在美国、日本、荷兰、以色列、西班牙等许多国家已经逐步深入,并且取得了一定的实验成果,但国内压电发电技术的研究尚处于起步阶段。 　　2.3 压电发电的应用实例 　　2.3.1 压电发电保暖鞋 　　国外所研究的压电发电装置大多属于人力发电机,其中对“压电发电鞋”研究的报道最多。压电发电鞋原理就是把压电材料发电装置置入鞋底,通过走路时脚对鞋底的冲击使压电材料变形而产生电量[2,3],达到保暖的效果。这种发电装置的发电功率可满足户外登山运动员的脚底保暖和陆上部队在野外军事行动中的保暖使用需求,这项技术的成功运用展示了压电发电与能量存储技术的光明前景。国内现在也开发出了压电发光鞋,原理跟上述压电保暖鞋相似。 　　2.3.2 压电发电型电池充电器 　　维基尼亚科学家HENRY A.SODANO等在比较利用电容存储电能不足的前提下,第一次证明了利用压电材料制作的发电系统给电池充电的可行性。并且得出压电振子在谐振工作条件下给一个40mAh电池充电时间不到1h,利用随机频率充电需要1.5h的结果[4]。这项研究结果使利用压电材料进行能量收集的方法更加趋于实用化,同时也扩大其应用范围。 　　2.3.3 无源安全带检测装置 　　阿尔卑斯电气公司开发了一种无源安全带检测装置,解决了车内布线难的问题。此装置是通过将压电元件和无线电路嵌入到安全带带扣中,利用解下安全带时的动作,对压电元件施加压力使其发电来驱动无线电路,就能向司机通报安全带使用情况。无线电路使用遥控车门系统所用的频带315MHz或433MHz[5]。 　　2.3.4 利用公路路面振动进行压电发电 　　以色列科学家表示,他们已经找到一种利用汽车运动让街道和公路发电的方法。据负责该项目的科学家海姆 阿布拉莫维奇称该技术可以让汽车在耗能的同时也能产生新的能量,这项技术的奥秘在于路面下铺设了一种特殊的材料――微型压电晶体,这种压电晶体在受到挤压变形时会产生少量电量(相当于将等量的正负电荷分离,出现了电压),而当