压电陶瓷发电技术研究报告综述

压电陶瓷发电技术的研究

摘要：信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展，电源的能量密度没有明显的提高[1]。虽然化学能电池因使用方便而被广泛使用，但环境污染、回收困难、浪费材料等问题也日益突出。压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置，压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视,在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。

Abstract: The rapid development of information technology has not led to the progress of power source, andsupply energy density is notsignificantly improved. Although the chemical batteries are widely used, but the disadvantage that they waste materials, pollute environment and recycle difficulty. Piezoelectric vibration generator is an innovative type ofpersistent, clean and maintenance-free power generation device. The research of piezoelectric ceramic technologyfor power generation has received wide attention, which has good prospect of applications in wireless sensornetworks.

1、压电陶瓷振动发电原理

压电材料具有压电效应,压电效应是由于晶体在机械力的作用下发生形变<伸长和压缩）而引起带电粒子的相对位移(偏离平衡位置>，从而使得晶体的总电矩发生变化而造成的，分为正压电效应和逆压电效应两个方面,二者耦合在一起的。如果在压电陶瓷上加交变电场，则其就会交替出现伸长和压缩，即发生振动，反之，压电陶瓷发生机械振动时也会产生电场。因此，可利用机械能使压电陶瓷振动发电。

图1 压电效应原理

在1942年到1945年，美国、前苏联及日本的科学家发现钦酸钡(BaTIO3>是铁电体，极化后具有压电性能。钦酸钡陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电性能上也有了大幅度提高。但BaTi

O3

的压电性随温度和时间的变化比石英晶体大，而压电性又比罗息盐弱，不能满足广泛的应用需求。后来人们发现了锆

钛酸铅PbZrO

3-PbTi0

3

(PZT>固溶体系统有非常强及稳定的压电性能。到目前，

PZT系陶瓷几乎已完全取代了BaTi0

3

系陶瓷。

2、压电陶瓷发电技术和理论的国内外研究现状

压电陶瓷在外力的作用下可以产生电荷这一现象被发现几十年了，但受压电材料发电能力的限制，将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究一直很少。近年来，高集成化、低能耗电子器件和无线电射频技术(RF，Radio- frequency>的使用，为压电发电技术的应用提供了前提。另一方面，随着材料科学和制造技术的发展，高性能、高机电转换效率的压电材料不断出现，压电薄膜的厚度可减小到0.02mm，利用多压电薄膜并、串联的方法可获得所需要的电流、电压。

S. W. Arms等人研制成功的温湿度传感器节点，该传感器能够通过无限发射器将检测到的信息传输出去[2]。该传感器最大的特点其内部包含了小型压电发电装置，该发电装置能够利用环境中的振动能发电以维持整个传感器节点的工作，因此不需要定时更换电池或充电，可广泛应用于环境检测领域。该模块是一个由质量块和双压电片悬臂梁组成的锥形弹簧系统，锥形悬臂梁(长5Omm>的设计使压电材料上具有几乎相等的应力分布，设置在悬臂梁自由端的质量块(250g>能够确保该系统与环境振动处于共振状态。

2003年，由NEC TOKIN与日本Heardea联合开发出采用压电发电装置的新型道路标识，该标识是直径为13.5cm的圆形，外围有受风的羽状物。内部配置

了压电转换元件和钢球以及6个LED。其原理就是通过钢球下落时撞击压电转换元件来发电。可发电风速为3m/s-6m/s，每秒发光3次，每次发光时间3ms 以上。

美国德克萨斯州大学的电子工程师Priya发明了一种可以为无线网络供电的袖珍风车[3]。这种风车周长大约为10 cm,它附在一个旋转凸轮上,当凸轮旋转时,可使一系列压电晶体不断伸缩。当压电材料被挤压或伸展时,便会产生电能。

在理论研究方面，压电发电器的理论模型对于研究压电发电装置的发电特性、压电发电装置的性能预测以及压电发电装置的优化设计等方面都具有指导性作用。我认为目前构建压电发电装置的几种理论数学模型各有各的优缺点。主要通过两种方法构建，一种是基于忽略内部电场的正压电方程，推导压电晶体开路电压的数学表达式[4]。如Newnham的复合陶瓷串并联理论模型，方法简便，但是由于模型忽略了压电晶体内部的电场对能量转化效率的影响，导致得出的表达式不能准确的反应压电发电装置的发电特性，另外，他的模型只能推导出发电装置开路电压的数学表达式，不能讨论输出电压、输出电流、负载特性等重要的电源特性参数，因此模型本身于压电发电装置的性能研A究和优化设计所能发挥的作用不大。另外一种建模方法是用各种电学元件模拟压电转化及力学传动过程中的各种阻尼，把压电发电器的机械部分和电学部分分别等效成电路，用一个等效变换器模拟压电晶体的机电藕合过程，从而把机械部分和电学部分的等效电路联系

不变时，理论计算值与样品测量值的比较

图2 ν

2

起来，建立模型[5]。如Roundy博士和Archin C. Bhatt的数学模型，是通过把压电发电器的机械部分和电学部分分别等效成电路、然后用一个等效变压器将