压电发电技术研究应用
压电式纳米发电机的原理和潜在应用
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特约专稿 感器都需要电源， 一般来说， 这些传感器的电源都是 直接或者间接来源于电池& 如果这些传感器能从生 物体内自己给自己提供电源， 从而实现器件和电源 的同时小型化， 这是科学家们一直所梦寐以求的& 因 此， 开发出能将运动、 振动、 流体等自然存在的机械 能转化为电能从而实现无需外接电源的纳米器件的 新型纳米技术具有极其重要的意义& 这一技术在大 大减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率， 在集 成纳米系统的微型化方面将产生深远的影响& 最近， 我们利用竖直结构的氧化锌纳米线的独 特性质， 成功地在纳米尺度下将机械能转化成电能， 在世界上首次研制成功纳米发电机& 这一重大发现 .//0 年 1 月 23 开启了纳米科学和技术的新篇章， 日出版 的 美 国 4+)5,+5 周 刊 对 此 进 行 了 长 篇 的 报 道
［ 1］ ［ :］ ［ 0］ 类最 多， 如纳米线 、 纳米带 、 纳米条 、 纳米
环
［ 6］
、 纳米弓形结构
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、 纳米螺旋结构
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等& 尽管大
量的研究已经证明纳米线及纳米器件、 纳米带有很 多应用， 但目前很少有人研究这些纳米体系对能量 的需求& 氧化锌纳米线之所以能完成机械能到电能的高 效转变， 与其同时具有半导体以及压电特性密切相 关& 常规的压电材料， 如 =8> 等， 通常为绝缘体& 尽 管将它们弯曲或压缩也能产生电势变化， 但由于它 们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势
压电材料的研究和应用现状
压电材料的研究和应用现状一、概述压电材料是一类具有压电效应的特殊功能材料，它们能够将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。
自1880年居里兄弟发现压电效应以来，压电材料在科学研究和工业应用中就占据了重要地位。
随着科技的飞速发展，压电材料的研究和应用已经深入到众多领域，如传感器、换能器、振动控制、声波探测、生物医学等。
在压电材料的研究方面，科研人员一直致力于探索新型压电材料，优化其性能，拓宽其应用范围。
目前，压电材料的研究重点主要集中在压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料等领域。
这些新型压电材料在压电常数、介电常数、机械品质因数等关键指标上不断取得突破，为压电材料的应用提供了更多可能性。
在应用方面，压电材料在传感器和换能器领域的应用尤为广泛。
例如，压电传感器可用于检测压力、加速度、振动等物理量，广泛应用于工业自动化、航空航天、环境监测等领域。
压电换能器则可用于声波的发射和接收，广泛应用于声呐、超声检测、通信等领域。
压电材料在振动控制、声波探测、生物医学等领域也展现出广阔的应用前景。
压电材料作为一种重要的功能材料，在科学研究和工业应用中发挥着不可替代的作用。
随着科学技术的不断进步，压电材料的研究和应用必将迎来更加广阔的天地。
1. 压电材料的定义与特性压电材料是一种特殊的功能材料，具有将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的能力。
这类材料在受到外力作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，从而产生电势差，这种现象称为“压电效应”。
反之，当压电材料置于电场中时，材料会发生形变，这种现象称为“逆压电效应”。
压电材料的这种特性使得它们在许多领域都有广泛的应用，如传感器、换能器、振动控制等。
压电材料的特性主要包括压电常数、介电常数、机械品质因数等。
压电常数反映了材料的压电效应强弱，是衡量压电材料性能的重要指标。
介电常数则描述了材料在电场作用下的电荷存储能力。
机械品质因数则反映了材料在振动过程中的能量损耗情况。
压电发电技术的应用和发展趋势
１ 压 电发 电原理
压 电材 料具 有 正 压 电 效应 和逆 压 电效 应 。 谓正 压 电效应 是 指 晶体 由于 机 械 应 所 力 的 作 用 表 面 荷 电 的 效 应 ， 体 的 这 种 性 晶 质 称 为 压 电性 。 压 电 效 应 是 指 给 晶体 施 逆
频 率 变 化 较 大 的 情 况 下 ， 车 轮 胎 等 重 负 的今 天 ， 汽 实现 设 备 的 白供 电越 来 越 重 要 ， 能 荷 物 体 运 动 时 由 于 具 有 相 对 大 的 机 械 能 ， 量 捕 获 是 自供 电 的 关 键 。 来 能 量 捕 获 技 未 仍 能 产 生 足 够 大 的 电能 输 出 。 术 的研 究 将 集 中在 能 量 捕 获 、 储 和 应 用 存 ２ ４压 电发 电衣服 ． 电路 等 方 面 ， 解 决 无 线 传感 器网 络 、 入 以 嵌 加 电场 时 ， 晶体 会 产 生几 何形 变 。 电发 电 压 这 项 技 术 是 将 具 有 压 电 性 质 的 材 质 编 式 传感 器 等 领 域 的 供 电 问 题 ， 方 面 已经 这
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。 。 。 。 。 。
动 力 与 电 气工 程
压 电发 电技 术 的应 用 和 发 展 趋 势
张 彦 芳 （ 无锡 职业技术学 院 江苏无锡 ２ １ １ １ ） ４２
摘 要： 简要介 绍 了压 电发 电的原理 ， 概括 了当前 国内外压 电发 电技术 的应 用领域 ， 出压 电发 电技术应 用于微机 电 系统 携式设备和 指 便 旋 转 机 械 并 和 纳米 技 术 相 结 合 是 其 发 展 趋 势 。 关 键词 ： 电效益 振 动能量捕获 压 电发 电 压 中 图分 类号 ： Ｍ ８ Ｔ ２ ２ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章编 号 ： ２ ３ ９ （ ０ ｏ （） ０ — １ １ ７ － Ｉ２ １ ） １ ｃ １ ２ ０ ６ ７ ｏ 一 ０
压电发电效率
压电发电效率介绍压电发电是一种将机械能转换为电能的技术。
通过施加压力或应变于压电材料，可以引起电荷的分布不均匀，从而产生电势差。
这种电势差可以用来产生电流，实现能量的转换。
压电发电原理压电发电是基于压电效应的。
压电效应是指当施加压力或应变于某些压电材料时，会在材料内部引起电荷的非均匀分布。
这种分布不平衡会产生电势差，从而形成电场，使得电荷在电极之间移动，产生电流。
压电发电材料压电发电材料主要由压电陶瓷、聚合物和复合材料组成。
压电陶瓷是目前应用最广泛的压电材料，具有良好的压电性能和稳定性。
聚合物压电材料具有轻量化、柔韧性和可加工性等优势。
复合材料结合了不同材料的优点，具有更高的压电效率和机械强度。
提高压电发电效率的方法1. 优化材料结构- 调整晶格结构和晶粒尺寸，提高材料的压电性能。
- 改变配比和掺杂，优化材料的导电性和机械强度。
- 提高材料的压电耦合系数，增加输出电压。
2. 提高能量转换效率- 优化电极设计，减少电极极化损耗。
- 提高能量转换的转化效率，减少热损失。
3. 使用多元材料结构- 采用多系统结构，利用不同材料的优点，提高压电发电效率。
- 堆叠和复合多种压电材料，实现多效应耦合。
4. 系统优化设计- 优化发电系统的电路拓扑结构，提高电能转换效率。
- 采用最佳控制算法，提高能源捕获的效率。
压电发电应用前景压电发电技术在微型电源、无线传感器网络以及可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。
- 微型电源：压电发电技术可以为微型设备提供可持续的能源，延长其使用寿命。
- 无线传感器网络：压电发电可以为传感器节点提供自主供电，降低更换电池的频率。
- 可穿戴设备：压电发电技术可以将人体的机械运动转化为电能，为可穿戴设备提供电力支持。
总结压电发电技术是一种将机械压力转化为电能的技术。
通过优化材料结构、提高能量转换效率、采用多元材料结构以及系统优化设计，可以提高压电发电效率。
这项技术具有很大的应用前景，在微型电源、无线传感器网络和可穿戴设备等领域将发挥重要作用。
压电效应的原理和应用
压电效应的原理和应用1. 压电效应的定义和基本原理压电效应是指某些晶体（如石英、陶瓷等）在受到外力作用时会产生电荷分布不均的现象。
这种电荷分布不均会导致晶体产生电势差，即产生电荷。
这个现象被称为压电效应。
压电效应的基本原理是晶体的晶格结构发生微小的形变，导致正负电荷的分离。
当施加的外力改变时，晶体的形变也会相应地改变，进而改变压电材料的电荷分布和电势差。
2. 压电效应的应用2.1 发电应用压电效应的最直接应用是将机械能转换成电能。
利用压电材料的特性，可以制造压电发电机，将机械振动、压力等能量转化为电能。
这种发电方式具有高效率、无污染、稳定性好等特点，在一些特殊场合下有着广泛的应用。
例如，压电发电机可以应用于自行车、汽车以及建筑物等结构上，通过机械振动或者压力变化来为设备供电。
2.2 声波传感应用压电效应还可以应用于声波传感领域。
当压电材料受到声波的作用时，由于声波的机械振动，压电材料会产生电势变化，从而对声波进行检测和测量。
这种应用在声学领域非常常见，例如，压电传感器可以用于声学测量、医学超声波成像和声波控制等领域。
2.3 压电制造应用压电效应还常常被应用于压电微调器件的制造上。
压电微调器件是一种利用压电材料的特性来实现微小位移调整的装置。
这种装置在精密仪器、精密加工设备和光学仪器中起到了重要作用。
例如，压电微调器件可以用于激光打印机的打印头定位、显微镜的焦距调节和光学仪器的波长调节等。
2.4 压电传感应用压电效应在传感领域的应用也非常广泛。
利用压电材料的特性，可以制造各种传感器，如压力传感器、振动传感器、加速度传感器等。
这些传感器可以测量各种物理量，并将其转换为电信号输出。
压电传感器被广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗设备等领域，用于监测和控制。
3. 压电效应的未来发展压电效应作为一种重要的物理现象，其应用领域还在不断拓展和创新。
随着科学技术的进步，压电材料的性能和稳定性不断提高，压电效应将在更多的领域得到应用。
压电陶瓷发电特性及其应用研究共3篇
压电陶瓷发电特性及其应用研究共3篇压电陶瓷发电特性及其应用研究1压电陶瓷发电特性及其应用研究压电陶瓷是一种能够将电能和机械能相互转换的材料，其具有很强的压电效应和角电效应。
因此，它在能量转换和储存领域中具有广泛的应用。
本文将重点介绍压电陶瓷的发电特性及其应用研究。
1. 压电陶瓷的发电特性压电陶瓷的发电机制是基于压电效应。
当施加外力或压力时，它会产生电荷分布不均的情况，从而产生电势差并形成电流。
这种电荷分布的不均匀是压电效应的直接结果。
另一方面，压电陶瓷也具有角电效应。
当施加过电压时，它可以被用作电极化器，在没有任何电学信号的情况下将机械幅度转换为电学信号。
2. 压电陶瓷的应用研究2.1 压电陶瓷发电机压电陶瓷发电机可以将机械能转换为电能。
它可以通过施加外力来刺激压电陶瓷并流过电流。
由于其结构简单、可靠性高、无污染、可靠性高等特点，压电陶瓷发电机受到了广泛的关注。
2.2 压电能量收集装置压电能量收集装置是将压电陶瓷与电容器等元件结合使用，以收集从机械系统中产生的微弱电能。
其中一种常见的应用是使用人体步态能量来为电子设备充电。
此外，还可以通过将压电元件与振动绝缘和滤波元件结合使用来收集车辆振动或其他环境振动中的能量，以实现稳定、可靠的电源供应。
2.3 压电陶瓷传感器压电陶瓷传感器被广泛应用于建筑结构、机器人、生物医学监测和流量计等领域。
例如，压电陶瓷传感器可用于对结构的物理变形和应力进行测量，以便进行健康监测。
另外，它还被用作假肢控制和人机交互的红外触摸传感器。
3. 结论压电陶瓷发电具有广泛的应用前景，但其性能需要进一步提高。
研究应该重点关注如何提高压电陶瓷的输出功率和增加其工作寿命。
此外，在应用中，还应注意减小压电陶瓷的失效率以及尽可能减少它在安装中的受外部机械、化学和热损害的风险综上所述，压电陶瓷作为一种新型的能量转换材料，具有着广泛的应用前景。
通过应用研究可发现，压电陶瓷在发电、能量收集和传感器领域都具有非常重要的应用前景。
压电纳米发电机原理
压电纳米发电机原理引言压电纳米发电机作为一种微纳尺度的能量转换装置，通过压电效应将机械能转化为电能。
其特点是结构简单、体积小、灵活可变，被广泛应用于微型传感器、生物医学器械、智能设备等领域。
本文将详细介绍压电纳米发电机的原理及其应用。
二级标题1：压电效应在介绍压电纳米发电机之前，我们首先需要了解压电效应。
压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到外力作用时，会产生电荷分离现象，即在晶体或陶瓷的表面产生正负电荷的分布。
这种现象是由晶体内部的结构变形引起的，其原理可以用固体电荷铃铛模型来解释。
二级标题2：压电纳米发电机结构压电纳米发电机的结构通常由压电材料、电极和底座三部分组成。
压电材料是实现能量转换的关键部分，一般采用具有压电效应的材料，如铅锆钛矿(PZT)、锆钛酸铅(PZ)等。
电极是连接压电材料与电路的纽带，用于收集产生的电荷。
底座则用于提供结构支撑和固定压电材料。
二级标题3：工作原理压电纳米发电机的工作原理可以分为两个阶段：压电效应和能量收集。
三级标题1：压电效应过程在外界施加压力的作用下，压电材料分子结构发生畸变，导致正负电荷的重分布。
这种电荷分布差异会生成电场，进而产生电势差。
通过形变效应，机械能被转化为电能。
三级标题2：能量收集过程在能量收集过程中，电极会收集分离产生的电荷，并将其存储在电容器中或直接输出给目标设备。
通过合理设计电极的形状、布局和压电材料的厚度，可以提高能量转换效率。
二级标题4：应用领域压电纳米发电机由于其微型化、高能量转换效率的特点，已被广泛应用于多个领域。
三级标题1：微型传感器压电纳米发电机可以将微小机械振动转化为电能，为微型传感器提供可持续的电源。
这对于一些数据采集、环境监测等领域非常重要。
三级标题2：生物医学器械压电纳米发电机可将机械能转化为电能，为生物医学器械提供能量支持。
例如，可用于植入式医疗设备、智能假肢等。
三级标题3：智能设备压电纳米发电机可以将机械振动、身体热能等转化为电能，为智能设备提供能源。
压电体的应用及原理
压电体的应用及原理1. 压电体的定义压电体是指能够产生电荷和电位差的特殊材料，在外力作用下产生电荷分离效应的材料。
压电效应是压电体与外界环境间的相互作用过程，具有广泛的应用前景。
2. 压电体的原理压电体的压电效应基于晶体结构的特殊性质。
当外力施加到压电体上时，晶体内部的正负离子会产生相对位移，从而形成极电化。
这些极化的正负离子会导致电荷的分离，产生电位差。
3. 压电体的应用领域3.1 压电传感器压电传感器利用压电体材料的压电效应，将外界的压强或应力转换为电信号输出。
它具有高灵敏度、高稳定性和快速响应的特点，被广泛应用于机械、航空、能源等领域。
•在机械工程中，压电传感器可用于测量力、压力和应力。
•在航空领域，压电传感器可用于测量飞机的气动参数，如气动力、气动温度等。
•在能源领域，压电传感器可用于测量液压系统和燃气系统的压力。
3.2 压电驱动器压电驱动器利用压电效应的反向现象，将电能转换为机械能。
压电体在电场刺激下发生形变，从而实现机械运动。
•压电陶瓷驱动器广泛应用于精密仪器、自动控制系统和精密定位装置中。
•压电陶瓷驱动器还可用于医疗领域，例如用于超声波治疗和成像。
3.3 压电发电器压电发电器利用外界机械振动或冲击引起的压力变化，将机械能转换为电能。
它可以广泛应用于能源回收和自动供电系统中。
•压电发电器可用于无线传感器网络中，通过环境振动或压力变化收集能量。
•压电发电器还可用于汽车胎压监测系统中，利用汽车行驶时的振动产生电能供电。
3.4 声波器件压电体材料具有良好的声波特性，因此被广泛应用于声学器件中。
•压电陶瓷可用于扬声器、压电麦克风和超声波传感器等声学器件中。
•压电陶瓷还可用于声能转换装置，如超声波清洗器和超声波切割机。
3.5 压电疗法压电体通过施加机械压力来治疗疾病的方法被称为压电疗法。
通过压电体的压电效应，可以实现疼痛缓解和组织修复等效果。
•压电体可用于物理治疗中，例如治疗肌肉疼痛和骨折等病症。
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压电发电技术研究应用
作者：林玲刘辉
来源：《硅谷》2008年第14期
[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。
[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。
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，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。
（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，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）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。
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。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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