高碩 黃澤彥 湯繼秋 任夢宇 陳兆奎 李偉
摘 要:壓電效應(yīng)可以實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換,針對這一原理,我們設(shè)計了一款能將機械能轉(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、無污染、免維護,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
從國內(nèi)外發(fā)展來看,隨著壓電陶瓷制備技術(shù)的不斷升級,其各方面性能有了極大的改善,并且在換能器、驅(qū)動器、傳感器等方面都擁有成熟的應(yīng)用技術(shù)。但是目前運用壓電陶瓷發(fā)電的實驗和研究成果尚不多見,以往由于機-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-電轉(zhuǎn)化效率也有了極大的改善,在此基礎(chǔ)之上,我們開始對這一方面進行試驗與探索。
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,在實際應(yīng)用中受到限制。后來,人們在鈦酸鋇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合理的配方和摻雜等人工控制來達(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]、壓力傳感器等計測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,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,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)電的實際應(yīng)用。但由于壓電公路造價昂貴,成本回收時間長,導(dǎo)致成果無法大規(guī)模推廣?;谝陨习咐?,我們設(shè)計了一款成本低,產(chǎn)能高,適合實際推廣的器件,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。
2 器件總體設(shè)計
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際應(yīng)用時的情景。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粘在木板上,其結(jié)構(gòu)如圖1,每一個壓力點均對應(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,有一百個正方形空格,用于放置所選的一百個壓電陶瓷片,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,不會使壓電陶瓷片損壞。在壓力槽中對壓電陶瓷片進行串聯(lián)并線,再用熱熔膠對焊點進行封膠處理,將焊點粘在陶瓷片上,防止焊點脫落。焊接的電路上采用單排焊接的方式,使陶瓷片進行單排發(fā)電,然后將它們整合,在面對不同功率的用電器時,可以通過增加或減少排數(shù),來調(diào)整壓電組的產(chǎn)電效率。在最終的接口處,使用排針來進行電路的連接與對電流的整合,便于使用與拆卸。
充電組分為四個模塊: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、電風(fēng)扇等,當(dāng)壓電組的產(chǎn)電量達(dá)到一定規(guī)模時,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。
壓電組整體為一個長40厘米、寬40厘米,高1厘米的長方體實物如圖4,內(nèi)部空格長與寬均為3.5厘米,深0.5厘米,壓力點之間的間距與空格相匹配,也為3.5厘米。
經(jīng)對器件的初步測試,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70元,考慮到實際應(yīng)用時需更換外殼,預(yù)計每平米成本200元,以一公里普通公路為例,原有道路造價約260萬元,器件道路造價約300萬元,預(yù)計每年將產(chǎn)生36萬千瓦時的電量,折合人民幣約18萬元,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,不會產(chǎn)生粉塵,污水等廢棄物;相較于核能發(fā)電,沒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,機械能轉(zhuǎn)化為電能的方式不會引起環(huán)境污染,壓電陶瓷片可選擇無鉛的鈦酸鋇基陶瓷片,不會引起鉛污染。若產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用,可以帶動一批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的建設(shè),解決部分就業(yè)問題,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
隨著時代的發(fā)展,當(dāng)今社會對能源的需求量不斷提升,而傳統(tǒng)能源由于儲量有限以及容易引發(fā)環(huán)境等問題已經(jīng)滿足不了社會發(fā)展的需要,因此開發(fā)清潔、可再生能源成為當(dāng)今社會面臨的主要問題。該器件真正實現(xiàn)了能量的循環(huán)與利用,在實際應(yīng)用后,能大幅度緩解城市用電緊張問題,減少不可再生資源的消耗,真正實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。
參考文獻:
[1]劉祥建,陳仁文.壓電振動能量收集裝置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].振動與沖擊,2012,31(16):169-176.
[2]裴立宅.高技術(shù)陶瓷材料[M].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2015:14-24.
[3]莫喜平.水聲換能器發(fā)展中的創(chuàng)新[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報,2018,46(03):1-11.
[4]吳迪.電聲換能器與揚聲器打摩[J].科技世界,2011(23):104-106.
[5]林庭芬.通訊用寬帶陶瓷濾波器[J].壓電與聲光,1996,18(03):179-181.
[6]周桃生.壓電陶瓷變壓器材料的研究與進展[J].材料導(dǎo)報,1994(04):39-42.
[7]李廣慧,陳松,王振.五氧化二鈮對鋯鈦酸鉛壓電陶瓷性能的影響[J].福建農(nóng)機,2017(01):38-40.
[8]李全祿,王勝利,秦梅寶等.鈦酸鉍鈉無鉛陶瓷研究進展[J].應(yīng)用聲學(xué),2010,29(03):617-618.
作者簡介:高碩(1997-),男,山東濟寧人,本科在讀,研究方向:材料科學(xué)與工程。