《新能源材料概论》 课件 第4章 力电转换新能源材料.pptx

新能源材料概论;1.压电材料;学习目标(Learningoutcomes);①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，同时在它的两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，这种现象称为逆压电效应;②压电陶瓷的性能参数

a.压电系数：压电系数是压电陶瓷重要的特性参数，它是压电介质把机械能(或电能)转换为电能(或机械能)的比例常数，反映了应力或应变和电场或电位移之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。常见的四种压电常数：dij、gij、eij、hij(i=1，2，3；j=1，2，3，..6)，其中i表示电学参量的方向(即电场或电位移的方向)，j表示力学量(应力或应变)的方向。压电常数的完整矩阵应有18个独立参量，对于四方钙铁矿结构的压电陶瓷只有3个独立分量，以dij为例，即d31、d33、d15。;b.机械品质因素Qm：表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度，机械品质因素越高，能量的损耗就越少，产生机械损耗的原因是存在内摩擦，在压电元件振动时，要克服摩擦而消耗能量，机械品质因素与机械损耗成反比。

c.频率常数N：对于压电陶瓷材料，其压电振子的谐振频率和振子振动方向长度的乘积是个常数，即频率常数。频率常数是谐振频率和决定谐振的线度尺寸的乘积。如果外加电场垂直于振动方向，则谐振频率为串联谐振频率；如果电场平行于振动方向，则谐振频率为并联谐振频率。

d.机电耦合系数K：或称有效机电耦合系数，是综合反映压电陶瓷材料性能的一个重要参数，是衡量材料压电性能好坏和压电材料机电能量转换效率的一个重要物理量。;e.压电陶瓷振子与振动模式

压电振子的谐振特性：极化后的压电体即是压电振子。对压电振子施加交变电场，当电场频率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。谐振频率为形成驻波的频率。

压电振子的等效电路：压电振子的谐振特性，即阻抗随???率变化的曲线，与LC电路谐振特性类似，即与二端网络的三元件电路(一个电感与一个电容串联，再与一个电容并联的电路)的阻抗随频率的变化曲线类似。

振动模式：压电陶瓷根据振动模式又可分为横效应振子、纵效应振子、厚度切变振子三种。;在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应可能十分微弱，没有实际应用价值。随着对材料的深入研究，逐渐发现了石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3)，它是由碳酸钡和二氧化钛按1：1摩尔比混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍，但居里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃。钛酸钡由于具有压电特性，并且为无铅压电陶瓷，被用于与羟基磷灰石复合用于骨修复，同时也有学者将钛酸钡处理在钛合金的表面，制备出一层具有压电特性的生物涂层用于骨组织工程中。;全球风能资源：根据世界气象组织(WMO)主持绘制的风能资源图，地球陆地表面1.07×108km2中27%的面积平均风速高于5m/s(距地面10m处)，这部分面积总共约为3×107km2。

中国风能资源：我国的风能储量很大，分布范围广，甚至比水资源还要丰富。根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面10m高度层的风能资源总储量为3226GW，其中实际可开发利用的风能资源储量为253GW，另外海上可开发的风能储量约为750GW。;①风力发电原理概述：风力发电一般有三种形式：小型风力发电机独立运行的方式、风力发电与其他发电方式相结合的方式、风力发电并入常规电网运行的方式。风力发电的核心部件是风力发电机(也叫风动机、风车等)，风力发电机是以风能为能源，将风能转换为机械能或电能而做功的一种动力机。

风力发电机的作用是将风能最终转换为电能输出，目前采用的发电机有直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机三种。;②风力发电的核心技术：

风力发电系统中的两个主要部件是风机和发电机，功率调节技术是风机最为关键的技术，变速恒频技术是发电机的核心技术，也是风力发电机的发展趋势。风力发电机使用中，风速超过额定风速(一般为12~16m/s)以后，由于部件机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率保持在额定值附近，以减少叶片所承受的负荷和整个风机受到的冲击，保证风机不受损害。功率调节方式主要有定桨距失