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      基于壓電效應(yīng)的能量收集與存儲(chǔ)器件

      2019-08-26 01:20高碩黃澤彥湯繼秋任夢(mèng)宇陳兆奎李偉
      山東工業(yè)技術(shù) 2019年22期
      關(guān)鍵詞:器件

      高碩 黃澤彥 湯繼秋 任夢(mèng)宇 陳兆奎 李偉

      摘 要:壓電效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換,針對(duì)這一原理,我們?cè)O(shè)計(jì)了一款能將機(jī)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(lèi)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(zhǎng)、無(wú)污染、免維護(hù),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(guó)內(nèi)外發(fā)展來(lái)看,隨著壓電陶瓷制備技術(shù)的不斷升級(jí),其各方面性能有了極大的改善,并且在換能器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器等方面都擁有成熟的應(yīng)用技術(shù)。但是目前運(yùn)用壓電陶瓷發(fā)電的實(shí)驗(yàn)和研究成果尚不多見(jiàn),以往由于機(jī)-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(jī)-電轉(zhuǎn)化效率也有了極大的改善,在此基礎(chǔ)之上,我們開(kāi)始對(duì)這一方面進(jìn)行試驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用中受到限制。后來(lái),人們?cè)阝佀徜^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(guò)合理的配方和摻雜等人工控制來(lái)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(jì)測(cè)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(cè)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(diǎn),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(guó)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(shí)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(lái),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(shí)際應(yīng)用。但由于壓電公路造價(jià)昂貴,成本回收時(shí)間長(zhǎng),導(dǎo)致成果無(wú)法大規(guī)模推廣?;谝陨习咐覀?cè)O(shè)計(jì)了一款成本低,產(chǎn)能高,適合實(shí)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(jià)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(shí)。

      2 器件總體設(shè)計(jì)

      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(shí)際應(yīng)用時(shí)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(diǎn)粘在木板上,其結(jié)構(gòu)如圖1,每一個(gè)壓力點(diǎn)均對(duì)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(jī)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(gè)正方形空格,用于放置所選的一百個(gè)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(shí),不會(huì)使壓電陶瓷片損壞。在壓力槽中對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行串聯(lián)并線,再用熱熔膠對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行封膠處理,將焊點(diǎn)粘在陶瓷片上,防止焊點(diǎn)脫落。焊接的電路上采用單排焊接的方式,使陶瓷片進(jìn)行單排發(fā)電,然后將它們整合,在面對(duì)不同功率的用電器時(shí),可以通過(guò)增加或減少排數(shù),來(lái)調(diào)整壓電組的產(chǎn)電效率。在最終的接口處,使用排針來(lái)進(jìn)行電路的連接與對(duì)電流的整合,便于使用與拆卸。

      充電組分為四個(gè)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(duì)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(guò)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(jī)、電風(fēng)扇等,當(dāng)壓電組的產(chǎn)電量達(dá)到一定規(guī)模時(shí),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(gè)長(zhǎng)40厘米、寬40厘米,高1厘米的長(zhǎng)方體實(shí)物如圖4,內(nèi)部空格長(zhǎng)與寬均為3.5厘米,深0.5厘米,壓力點(diǎn)之間的間距與空格相匹配,也為3.5厘米。

      經(jīng)對(duì)器件的初步測(cè)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(shí)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(fèi)70元,考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)需更換外殼,預(yù)計(jì)每平米成本200元,以一公里普通公路為例,原有道路造價(jià)約260萬(wàn)元,器件道路造價(jià)約300萬(wàn)元,預(yù)計(jì)每年將產(chǎn)生36萬(wàn)千瓦時(shí)的電量,折合人民幣約18萬(wàn)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(huì)產(chǎn)生粉塵,污水等廢棄物;相較于核能發(fā)電,沒(méi)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的方式不會(huì)引起環(huán)境污染,壓電陶瓷片可選擇無(wú)鉛的鈦酸鋇基陶瓷片,不會(huì)引起鉛污染。若產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用,可以帶動(dòng)一批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的建設(shè),解決部分就業(yè)問(wèn)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(yǔ)

      隨著時(shí)代的發(fā)展,當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源的需求量不斷提升,而傳統(tǒng)能源由于儲(chǔ)量有限以及容易引發(fā)環(huán)境等問(wèn)題已經(jīng)滿足不了社會(huì)發(fā)展的需要,因此開(kāi)發(fā)清潔、可再生能源成為當(dāng)今社會(huì)面臨的主要問(wèn)題。該器件真正實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)與利用,在實(shí)際應(yīng)用后,能大幅度緩解城市用電緊張問(wèn)題,減少不可再生資源的消耗,真正實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

      參考文獻(xiàn):

      [1]劉祥建,陳仁文.壓電振動(dòng)能量收集裝置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].振動(dòng)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(bào),2018,46(03):1-11.

      [4]吳迪.電聲換能器與揚(yáng)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(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),1994(04):39-42.

      [7]李廣慧,陳松,王振.五氧化二鈮對(duì)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷性能的影響[J].福建農(nóng)機(jī),2017(01):38-40.

      [8]李全祿,王勝利,秦梅寶等.鈦酸鉍鈉無(wú)鉛陶瓷研究進(jìn)展[J].應(yīng)用聲學(xué),2010,29(03):617-618.

      作者簡(jiǎn)介:高碩(1997-),男,山東濟(jì)寧人,本科在讀,研究方向:材料科學(xué)與工程。

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