2008 硅谷 压电发电技术研究应用

就产生了一种低频率的高压电，通过电子元件变成为高压电流。
（四）纳米发电机。纳米发电机利用氧化锌纳米线，将环境中的机械能
转化成电能，比如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的机械能，声波
和超声波产生的振动能，体液流动、血液流动和动脉收缩产生的流体能量，
它所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，发电效率可达１７％－３０％。
五、总结
压电电源是一种绿色电源，后续需要研究的是如何设计出更加合理的
压电wenku.baidu.com电装置，来提高压电发电的能量转换效率（机械能电能），并能采
集环境中更多频率范围内的能量（主要是低频振动能）。
参考文献： ［１］张福学、王丽坤．现代压电学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２． ［２］陈重华．压电陶瓷应用．山东大学出版社．１９８５． ［３］発電バイモルフモジェール．日本，２００４． ［４］孙亚飞、陈仁文，陈勇等．压电材料电荷能量回收技术研究［Ｊ］．压电与
元 件 多 采 用 此 方 式 ； 图 １（ｂ）为 两 端 顶 住 、 可
自由旋转的支撑方式；图１（ｃ）为刚性夹持支
撑方式，这种方式导致压电振子的机电耦合
极低，不适合用于压电发电；图１（ｄ）为称简
支支撑，圆片形压电振子常采用这种支撑方
式 ； 图 １（ｅ）为 自 由 支 撑 方 式 ， 这 种 方 式 很 少
声光，２００２．２．
作者简介：林玲，女，硕士研究生，江西理工大学讲师。主要研究方向为机械 设计及理论，传感检测技术，动力学仿真。
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式２种工作模式，矩形压电振子采用ｄ３１模式，应用在无线传感节点的压电
电源等方面；圆形压电振子采用 ｄ３３模式，应用在压电发电鞋等方面。
（二）支撑方式。不同的压电振子的支
撑方式，其工作方式及能量输出特点也不
同 ， 压 电 振 子 的 支 撑 方 式 ［３］主 要 有 以 下 几
种，如图１所示。
图１（ａ）为悬臂支撑方式，矩形压电发电
用压电材料的正压电效应将机械振动能量转变为电能，为网络传感器等微
机电系统供电。
二、压电方程
压电发电装置的核心元件是压电振子，根据压电振子所处的电学边界
条件和机械边界条件的不同，对应有四类压电方程，这里介绍第一类压电
方程［１］：
（１）
其中：Ｄ－电位移；ｄ－压电常数；ｄｔ－ｄ的转置；Ｓ－应变；ｓＥ－弹性
压电发电技术研究应用
林玲 刘辉
（江西理工大学 江西 赣州 ３４１０００）
［摘 要］压电电源具有其他传统电源所不具备的独特特点，压电发电技术的研究已经得到广泛的重视，在为无线网络传感器供电等方面有着较广阔的实用价值 和应用前景。针对压电发电技术在国内外的研究状况，研究了压电材料的压电发电原理，阐述了压电材料的发电方式及研究成果，并指出了压电发电技术需要解决 的问题。
柔顺常数；Ｔ－应力；Ｅ－电场；εＴ －介电常数。
三、压电发电装置
压电材料发出的电信号具有高电压、低电流特性，电荷生成是瞬态和
交替的，为达到微机电系统对电压、电流的要求，在设计压电发电装置
时，应选择合适的压电振子的发电模式、支撑方式、激励方式与连接方
式，来提高压电振子的机电转换效率及发电能力。
（一）发电模式。压电材料根据极化方向不同可分为ｄ３３模式与ｄ３１模
（二）利用公路路面振动进行压电发电。将压电装置铺设于路面内或
直接用压电材料作为路面组成部分，通过车辆行走时路面振动来发电，所
产生的电能经过电路调整可充当道路灯具和其他路政设施的工作电源，或
者提供给储能装置加以存储和利用。
（三）海浪压电发电系统。海浪压电发电是把压电聚合物安装在海上
的一个巨大的浮体和海底的锚之间的锚链内，当浮体随海浪上下浮动时，
［关键词］压电效应 压电发电 压电应用 中图分类号：ＴＮ３８４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－７５９７（２００８）０７２０１２０－０１
一、压电效应
压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指晶体由
于机械应力的作用而使其介质化，并使其表面荷电的效应。反之，当外加
电场于晶体时，晶体会产生形变，这边称之为逆压电效应。压电发电是利
（五）纤维纳米发电机。与此前研发出的直流纳米发电机相比，纤维
纳米发电机的突破在于：生长纳米线的基片从硬质、昂贵的硅材料换成了
柔软、便宜的纤维丝；带动纳米线摩擦错动的机械运动由之前频率较高的
超声波改为更容易获取的低频机械运动。纤维纳米发电机的材料都是生物
安全材料，整个过程无排放、无污染，堪称最具潜力的绿色发电。
采用，安装不方便。
（三）激励方式。因为激励方式对压电
振子的发电性能影响很大，因此需要结合实
际情况选择不同的激励方式。
图１ 压电振子支撑方式
１． 惯 性 自 由 振 动 式 。 如 图 ２在 悬 臂
梁末端施加力Ｆ时，压电振子自由振动，
该方式发电能力较弱，但具有较长的振动
持续时间，可以用来吸收环境振动能量，
图２ 惯性自由振动 可作为微电子器件的电源。
２．冲击自由振动式。如图３利用 自由振动金属球撞击压电振子，使之 产生弯曲振动。该发电方式能产生瞬
图３ 强制振动
间的高压、大电流，其发电量可以点亮
数十个毫瓦级的发光二极管。
３．强制振动式。如图４通过施加
振幅迫使压电振子产生交替的弯曲变
形来获得能量。这种发电方式可单独 使用或与电器集成一体，便于及时为
研究采集机械能的压电发电系统，虽然产生的电能一般在微瓦到毫瓦级，
但对于网络传感器等微功耗系统已经足够。目前国内外在多种领域尝试了
压电发电技术的应用。
（一）压电发电型电池充电器。维基尼亚科学家 ＨＥＮＲＹ Ａ．ＳＯＤＡＮＯ利用
压电材料制作的发电系统给电池充电，压电振子在谐振工作条件下给一个
４０ｍＡｈ电池充电时间不到１小时，利用随机频率充电需要１个半小时的结果。
图４ 强制振动
电器提供或补充电能，对于长期野外作业或边远地区尤其适用。
（四）连接方式。压电振子的连接方式有串联和并联两种方式，两压
电振子并联输出２倍的电流，串联输出２倍的电压。
四、压电发电技术的应用
目前为微机电系统供能的微能源的研究与开发有许多，但是大部分只
适合用于短寿命周期，太阳能电池也受到关照的影响。一些科研机构已经