2008 硅谷 压电发电技术研究应用
压电效应及其应用
压电效应及其应用电介质在电场中可以极化，某些电介质，当沿着一定方向对它施力而使其变形时，在它的端面上产生符号相反的电荷。
这种没有电场作用，只是由于形变而产生的极化电荷现象称为压电效应。
能产生压电效应的晶体，称为压电晶体，常见的压电晶体有石英晶体（）、压电陶瓷、钛2SiO 酸钡()、锆钛酸铅等。
3a B TiO 压电晶体具有以下功能：(1)压电效应：当外力加于晶体上时，晶体发生形变，导致在受力的两个晶面上出现等量异号的电荷。
压力产生的极化电荷与拉力产生的极化电荷的方向相反，如图7－64所示。
极化电荷的多少与外力引起的形变程度有关。
压电效应产生的原因是，在外力作用的方向上，由于晶体发生形变造成晶格间距的变化，使得晶粒的正负电荷中心发生分离，从而产生极化现象。
(2)电致伸缩效应：压电晶体在电场力的作用下发生形变的现象，叫做电致伸缩效应。
它是压电效应的逆效应。
其产生的原因是，压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。
压电晶体在交变电场的作用下，其内应力和形变都会发生周期性变化，从而产生机械振动。
(3)热电效应：某些压电晶体通过温度的变化可以改变极化状态，从而在某些相对应的表面上产生极化电荷，这种现象叫做热释电效应。
反之，这种晶体在外电场作用下，其温度会发生显著变化，这种现象叫做电生热效应。
热释电效应的发生源于晶体的各向异性，是由于晶体在不同方向上的线膨胀系数不同而引起的。
由于压电晶体具有以上的特殊功能，因而在现代科技中有着广泛的应用，诸如压电晶体振荡器、压电电声换能器、压电变压器、压电传感器等。
现举例说明如下：压电晶体振荡器压电晶体振荡器是将机械振动变为同频率的电振荡的器件，由夹在两个电极之间的压电晶片构成。
由于压电晶片的机械振动有一个确定的固有频率，所以它对频率非常敏感。
石英晶体振荡器是目前应用最多的一种压电晶体振荡器，由于它制造容易、性能稳定、精度高、体积小。
因此广泛应用于军事通讯和精密电子设备、小型电子计算机、微处理机以及石英钟表内作为时间或频率的标准。
2008年科技成果(离极保护)
一、项目基本情况
专业评审组： 编号：
项目名称
整流所供电系统加装离极保护
申报单位
动力厂
项目起止时间
2008年1月8日——2008年1月12日
项目主要完成单位
动力厂
项目主要完成人
资料目录
《整流所离极保护设计图（80KA、200KA、350KA）》
《甘肃省调度中心关于兰铝加装离极保护的报告回复》
在事故发生后，相关技术人员经过分析讨论，决定加装离极保护装置，在电解槽发生离极事故，离极保护动作跳开220KV母联开关，以起到保护整个供电系统和电解槽的安全。
2、详细内容：
（1）、方案设计
针对电解工艺生产要求，当电解槽发生离极的时候，系列电流会急剧下降，甚至降到0，系列电压急剧上升，无限增大的特性，我们可以对系列电流、系列电压进行监测，并与设定值进行比较。所以我们的设计方就是对系列电流、电压进行比较，然后做出判断。
2、项目的特点：
本项目经过认真的实际考察，科学、合理的设计，具有设备增加少，投入资金小，系统运行可靠性高的特点。
3、应用推广：
离极保护在本项目中的应用，分别在80KA、200KA、350KA电解系列中进行了实验运行，电解系列电流的大小，基本涵概了国内电解生产的主要电流等级。生产运行数据具有很大的实用性 ，适用于不同的生产工况。目前已经在本厂范围内全面实施应用。
三、项目详细内容
1、立项背景：
随着电解产量的增加，电解生产工艺的精细化、科学化，电解生产对直流供电的安全性、可靠性都有了很大的提高。对供电部门的要求也不断提高，为了不断地提高供电部门供电的安全、可靠，供电部门必须针对每个可能出现故障或带来不安全的因素进行分析治理。
压电发电可行性报告
压电发电可行性报告引言压电技术作为一种能够将机械振动转化为电能的先进技术，近年来受到了广泛的关注。
本报告将探讨压电发电技术在可行性方面的潜力。
我们将首先介绍压电技术的基本原理，然后评估其在实际应用中的可行性，并探讨可能的发展方向。
压电技术原理压电效应是指某些材料在受到机械应力时会产生电荷分布不均，从而产生电压。
这种效应可以用来将机械能转化为电能。
压电材料的典型例子包括石英、钨酸锶等。
当这些材料受到外力挤压或拉伸时，内部的电荷分布发生改变，导致产生电势差。
压电发电的优势1. 环保可再生压电发电不涉及化石燃料的燃烧，因此不会产生温室气体和其他污染物。
使用压电技术发电有助于减缓气候变化，并为环境提供更可持续的解决方案。
2. 高效能转换相比传统发电方式，压电技术能够实现较高效率的能量转换。
在一些特定的应用场景中，压电发电系统的能量转换效率甚至可以超过传统的发电方式。
3. 适用于特定环境压电发电系统对于一些特殊环境具有优势，例如振动频率较高或者需要小型化的场景。
这使得压电技术在一些特殊应用中具备独特的竞争力。
可行性评估1. 技术可行性目前，压电技术在实验室中已经取得了显著的进展。
研究人员成功地利用压电效应生成电能，并通过改进材料和设计提高了能量转换效率。
因此，从技术角度看，压电发电是可行的。
2. 经济可行性尽管压电技术在实验室中表现出色，但其经济可行性仍然是一个挑战。
压电材料的生产成本较高，制造压电发电设备的投资也相对昂贵。
在降低生产成本和提高规模生产方面仍需进一步研究和改进。
3. 社会可行性从社会角度考虑，压电发电系统的使用不涉及有害排放，有望对改善空气质量和降低对环境的影响起到积极作用。
然而，对于新技术的接受度和社会适用性，需要更多的宣传和教育工作。
发展方向为了提高压电发电技术的可行性，有必要在以下几个方面进行进一步的研究和发展：1. 材料研究投入更多资源进行压电材料的研究，寻找更廉价、高效的材料，以降低生产成本。
压电材料在能量收集中的应用
压电材料在能量收集中的应用压电材料是一类特殊的晶体材料，具有压电效应，即在受到机械应力作用时会产生电荷分离现象。
压电材料由于其独特的性质被广泛应用于能量收集领域，可以将机械能转化为电能，实现能量的收集和存储。
本文将以压电材料在能量收集中的应用为主题展开讨论。
首先，压电材料在振动能量收集中的应用已经取得了重要的突破。
人体行走、机动车行驶等活动都会产生振动能量，而利用压电材料可以将这种振动能量转化为电能。
目前，压电发电器已经成功应用于振动能量收集装置中，可以将机械振动转化为电能进行收集和存储。
这种方法不仅可以为小型电子设备提供便携式、绿色的电源，还可以应用于建筑物、桥梁等大型结构的健康监测和智能化管理。
其次，压电材料在环境能量收集中也有着广阔的应用前景。
环境中存在着丰富的能量资源，如光能、热能和机械能等，而压电材料可以将这些能量转化为电能进行收集。
例如，压电太阳能电池可以将光能转化为电能，实现太阳能的高效利用；压电热能收集装置可以将温度差转化为电能，为低温发电提供了新的思路。
此外，利用压电材料将环境噪声转化为电能也成为研究的热点，这为城市环境能量的收集和利用提供了新的途径。
除了振动和环境能量收集外，压电材料还在海洋能量收集、机械能量收集和生物能量收集等方面展现了其独特价值。
海洋中的潮汐、波浪和水流等能量被广泛认为是一种无限的清洁能源，而利用压电材料可以将这些能量转化为电能，实现海洋能源的高效利用。
此外，利用压电材料收集机械能量有望应用于车辆行驶过程中的能量回收和储存系统，提高能源利用效率。
压电材料还可以应用于生物体内能量的收集和传感，为生物医学研究和医疗设备提供新的可能性。
虽然压电材料在能量收集中的应用具有很大的潜力，但目前还存在一些挑战和问题需要解决。
首先，压电材料的效率和稳定性需要进一步提高，以提高能量收集的效率和可靠性。
其次，压电材料的制备成本较高，需要进一步优化工艺和改进材料的制备方法，降低制造成本。
压电技术在实验中的应用与分析方法
压电技术在实验中的应用与分析方法压电技术是一种将压电晶体应用于传感、操控和控制系统中的技术。
压电材料是一类具有压电效应的特殊材料，当施加力或电场时，会产生电荷分布的不均匀和电位差，从而在材料上产生机械变形。
这种压电效应被广泛应用于实验中，为科研和实验室提供了一种有效的工具与分析方法。
压电技术的应用主要涵盖了传感器、发电器和操控器等方面。
在实验中，压电技术常常被用于制作高灵敏度的传感器。
例如，将压电材料附加到实验装置上，当外界施加压力或变形时，压电材料会产生相应的电信号。
通过测量这种电信号的变化，可以获取到实验中发生的微小变化，进而分析和研究实验结果。
这种应用方式在材料研究、物理实验、生物实验等领域具有广泛的应用。
除了传感器，压电技术还可以用于实验装置的操控。
在实验中，人们常常需要控制实验装置的运动、位置或振动等参数。
利用压电技术，可以将压电材料作为操控器来实现对实验装置的精准操控。
通过改变外界施加的压力或电场，压电材料会发生相应的形变或电信号变化，从而驱动实验装置的运动。
这种方式不仅可以实现高精度的操控，还可以减少实验装置的机械部件，提高实验的可靠性和稳定性。
在实验中，分析方法是实验结果得以验证和解读的重要手段。
借助压电技术，可以开发出一系列的分析方法，用于对实验结果进行分析和解读。
例如，在材料研究领域，可以利用压电技术来测量材料的压电系数、力学性能等参数。
通过对这些参数的分析，可以评估材料的性能特点，探究其物理和化学特性。
类似地，在生物实验中，可以利用压电技术来测量生物组织的压力响应，从而推断其机能和特性。
这些分析方法为实验结果的解读提供了重要的参考和依据。
当然，压电技术在实验中的应用并不仅限于以上几个方面。
随着科学技术的不断进步，压电技术的应用领域也在不断扩大。
例如，在能源研究方面，压电技术已经被应用于发电、能量收集等领域。
通过将压电材料放置在振动或变形的环境中，可以将机械能转化为电能。
这种能量转换方式具有高效、可靠的特点，为能源利用和储存提供了新的途径。
压电陶瓷发电技术研究综述
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, and supply energy density is not significantly 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 of persistent, clean and maintenance-free power generation device. The research of piezoelectric ceramic technology for power generation has received wide attention, which has good prospect of applications in wireless sensor networks.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。
【2008年世界科技发展回顾---能源环保】
【2008年世界科技发展回顾---能源环保】来源：科技日报美国：太阳能电池研究独领风骚，持续关注全球气候变暖，注重生物燃料和清洁能源的开发。
08年1月，美国硅谷纳米太阳能公司研制出可“印”在铝箔上、大规模生产的超薄太阳能电池板，预计用这种电池板发电，可像用煤发电一样便宜，该发明被称为太阳能发电领域的一场革命。
4月，美国弗吉尼亚理工大学找到了生产氢气的最便捷反应体系，可生产出比厌氧发酵理论产量高3倍的氢气。
该体系可解决“氢经济”在成本、储存及运输三个方面存在的技术壁垒。
8月，美国通用汽车公司与俄亥俄州立大学成功地将汽车尾气“改造”为驱动汽车的能源。
科学家将一种特殊的电镀金属装置安装在汽车排气管上，利用尾气与空气间温差导致的热电效应，形成电流来驱动汽车，有望将汽车的燃油利用率提高10%。
9月，美国康奈尔大学在实验室造出世界首棵“合成树”，它能模拟普通树木的光合作用，这将有助于开发出可用于汽车和建筑物的被动传热新技术，并找到改良土壤及从局部干燥土壤中有效抽取水分的更好方法。
10月，美国伊利诺伊大学将极易破碎的硅片转印到柔性材料上，成功制出能附着在铅笔粗细的棍状物体和平滑玻璃表面的柔性硅基太阳能电池，这将为新型太阳能建筑的推广打开大门。
在环保领域，2月，美国国家工程院宣布了14项21世纪重大工程技术挑战项目，其中包括生产可负担得起的太阳能、以核聚变提供能源、开发碳隔离技术、管理氮循环、全球都可用到洁净水等。
2月至3月，美国波音公司3次成功试飞以氢燃料电池为动力源的小型飞机，这在世界航空史上尚属首次，预示航空工业未来将更加环保。
10月，美国科学家发现三氟化氮对全球气候变暖的作用被大大低估，其在大气中的浓度至少是之前认为的4倍，且其存储热量的能力是二氧化碳的1.2万倍至2万倍。
12月，美国研究人员找到一种能将风能或太阳能产生的过剩电能储存备用的新途径，利用一种相对容易获得的钴磷催化剂和过剩电能将水电解获得氢气，然后将氢气反过来充入燃料电池再次产生电力。
压电效应及其应用
压电效应及其应用压电效应是指在某些晶体中，当受到外力的作用时，会发生电荷的分离，从而产生电场的现象。
这种效应是由于晶体的结构对外力的敏感性所引起的，因此被称为压电效应。
在压电效应的基础上，人们开发出了许多应用，为现代科技的发展和人类生活的改善做出了贡献。
一、压电效应的发现和研究压电效应最早是在18世纪被发现的。
当时，法国的物理学家皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现，在某些晶体中，当受到外力的作用时，会产生电荷的分离，从而形成电场。
这种现象被称为压电效应。
随后，他的妻子玛丽·居里（Marie Curie）也对压电效应进行了研究，并发现压电效应还可以用来产生声波和超声波。
在接下来的几十年里，人们对压电效应进行了深入的研究，并发现了许多新的晶体具有压电效应。
例如，石英、钛酸锶、钨酸铅等都是具有压电效应的晶体。
此外，人们还研究了压电效应的机理和影响因素，为后来的应用奠定了基础。
二、压电效应的应用1. 压电传感器压电传感器是一种利用压电效应来检测物理量的传感器。
它的工作原理是将物理量转化为力或压力，并作用于压电晶体上，从而产生电荷的分离，形成电场。
通过测量电场的大小，可以确定物理量的大小。
压电传感器广泛应用于机械、电子、医疗等领域，用于测量压力、力、形变等物理量。
2. 压电陶瓷压电陶瓷是一种利用压电效应制成的陶瓷材料。
它具有良好的压电性能，可以将机械能转化为电能，并且具有高灵敏度、高稳定性、高温度稳定性等特点。
因此，压电陶瓷被广泛应用于声学、电子、自动化等领域，如扬声器、超声波发生器、压电振荡器等。
3. 压电马达压电马达是一种利用压电效应制成的电机。
它的工作原理是将电场作用于压电晶体上，使其产生形变，并将形变转化为机械能，从而驱动负载。
压电马达具有体积小、重量轻、响应速度快等特点，被广泛应用于微型机械、精密仪器、航空航天等领域。
4. 压电降噪压电降噪是一种利用压电效应来降低噪声的技术。
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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
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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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，
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
压电发电装置，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
（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。
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。
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
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％。
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，
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
［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
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
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。