基本信息
- 项目名称：
- 压电陶瓷发电装置的研制与特性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 为研究不同应力载荷对压电陶瓷发电能力的影响，本研究设计并制作了一套压电陶瓷发电装置与能力检测系统。通过对人体载荷作用下发电能力的实验研究，找到了压电陶瓷的发电能力与应力载荷之间的定量关系；在此基础上，通过改变载荷的大小,找到了压电陶瓷发电装置发电能力的影响因素；实验分析表明：本装置易于现小型化、集成化以及便携式，在集中载荷便携式充电电池的快速充电与大面积应力载荷集中发电等方面具有广泛的应用前景。
- 详细介绍：
- 以压电陶瓷作为实验材料，压电陶瓷-高聚物复合材料作为无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，具有结构简单，不易受电磁干扰，便于加工制作，且结构易于实现小型化、集成化以及便携式的特性 。可以根据需要，综合两项材料的优点，制作性能良好的换能器和传感器，最新的技术已制造出压电系数较以往更大的材料，为今后的压电陶瓷的广泛应用奠定了坚实的基础，因此采用压电陶瓷制作的压电式传感器具有较高的灵敏度，更加利于电能的收集与储存，具有良好的市场前景。 本“集中负荷压电陶瓷发电装置”是采用压电陶瓷材料这一无机非金属功能陶瓷新材料制作技术，在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，产生正压电效应；在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性、电路设计技术及电力输送技术，利用压电效应，实现机械能和电能互相转换。 1电陶瓷发电装置的样机与实验研究 实验装置有发电装置，滤波装置，储能装置以及用电装置构成。 发电装置由压电振子构成。压电振子有金属片、压电片组成。在金属表面粘贴压电片，分别从金属片和压电片上引出电极 由于人走动产生压力，使得压电振子产生形变，进而引起压电层内应变和应力的变化。根据压电陶瓷的压电效应，在压电片表面会产生电荷，从而产生电压。试验中输入为机械能，输出为电能，由于人走动过程中产生的能量不稳定，压电振子输出的电压不是稳定值，所以用稳压和滤波装置进行整流和滤波。此时输出的电压为稳定值，可以用于储备和应用。由于压电振子在每个振动周期产生的能量很小, 且输出为高电压低电流的交流电。在实验中采取压电陶瓷并联的方式，以获取更大的电流在实际应用中, 为了提高整个系统的能量捕获效率, 往往需要在整流电路和存储介质之间加入不同类型的DC- DC降压增流电路, 通过实验验证, 降压增流电路的加入往往可以使整个系统效率提高一倍以上。 2实验整体设计 2.1电陶瓷所受压力对其发电能力关系研究 本次试验，采用直径20mm的压电片作为发电材料，将压电片 片作为正极，铜线作为负极，先串联1kΩ的电阻以及发光二极管作为负载，所测电压为负载端电压，实验中，分别以为不同体重的人作为实验对象，对其正常行走时踩压陶瓷产生的电压进行统计和整理，每个实验对象分别进行了100组实验数据的记录，计算出产生电压的平均值和最大值（实验所测得数据皆为输出电压的平均值）。 2.2探究发电效能与压电陶瓷片数关系 试验中，为探究压电振子的发电效能，制作了一套利用测量电容充电时间估算压电振子发电效率的装置，装置由整流单元，滤波单元，稳压单元，储能单元组成，储能单元由五个规格为2200µF，35V的电容并联组成。 利用整流，滤波，稳压单元对压电振子输出的电能进行降压增流处理，输出为稳定的9V电压。以一个体重为65kg的人作为实验对象，在其正常行走情况下分别测得在不同压电陶瓷片数下电容两端达到稳压电压值所需时间，并进行分析。 结论： 1、压电陶瓷产生的开路电压与其受到的压力有关，且在理想状态下，随着压力的增加，开路电压越大。 2、在压力一定的情况下，压电陶瓷装置的发电能力随着片数的增加呈现递增态势。 3.本装置可以将人走动时产生的不可利用的机械能转化为可被利用的电能，产生的电能即可直接用于供电，也可用于储备。而且装置简单，极易安装，成本低，利用率高，不但可以应用于步行街，车站等人流流动密集区域，而且可以作为便携式电源对手机等小功率的用电器进行充电。也可以安装在一些机械上，利用其工作时的振动为自身充电。
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设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计与发明目的： 随着电力系统的发展，用电负荷的急剧增加，据国家电网公司资料显示，主要受电煤短缺影响，西北、华中、华北地区9个省份先后出现电力供应不足。预计2011年全国电量缺口累计达100亿千瓦时。 为缓解这一能源供需紧张的状况，解决商业步行街、火车站、大型超市等人员密集度高的区域的用电供给紧张的问题。我们对压电陶瓷材料进行了“集中复合压电陶瓷发电装置”的探究性实验。 基本思路： 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，称之为正压电效应。在现实生活中，理想状况下人的一步能使两盏60瓦的灯泡亮一秒钟。 本装置的主要工作原理是便是利用压电陶瓷的正电效应将机械能转换成用电器可直接利用的电能。 具体实施路线是在人流密集区域通过在地面铺设集中负荷压电陶瓷发电装置，进而将地面活动物体对地面产生的巨大压力，通过压电陶瓷的压电效应转换成为电能收集并加以有效的储存利用，在用电紧张的情况下为外部用电器提供电能。 创新点 本装置可将不可利用的机械能转化为可利用的电能，产生的电能即可直接用于供电或储备。且装置简单，极易安装，成本低，利用率高，不但可以应用于步行街，车站等人流流动密集区域，而且可以作为便携式电源对手机等小功率的用电器进行充电。 主要技术指标： 1.一个标准体重的人行走时可以发电功率约为450mV 2.沈阳站每日的人流量可达到10万人次，车流量在10000左右，若在进站口，出站口，以及战前公交站铺设本装置，年发电量可达到4.7万千瓦时。
科学性、先进性
- “集中负荷压电陶瓷发电装置”所选用的压电陶瓷材料是一种高聚物复合材料，作为无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相均没有的特性。是综合二相材料的优点，具有良好性能的换能器和传感器。核能发电的弊端 1.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理。2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。3.核能电厂投资成本太大。4.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。特别是最近日本地震所引起的核电站泄漏事件给周边群众以及生态环境所带来的灾难性影响。 本套装置具有低投入、低风险、零排放、节能环保的优点。此外，在设计上充分考虑了太阳能电池、风力发电塔架等新能源发电装置的优点，做到了结构简单、不受电磁干扰、易于加工制作，实现了结构上的微小化、集成化。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 待定
作品可展示的形式
- 模型 图片 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 压电陶瓷为环保材料，利用正压电效应，将环境中的机械能转换为电能并进行供电。此类装置具有简单，不发热，无电磁干扰，易于实现集成化等优点，适用范围极其广泛。近年来随着物理学、材料学与微加工技术的发展, 具有高压电、介电性能的压电材料不断被开发出来, 压电材料机电转换能力大幅提高, 为压电发电技术的实际应用提供了技术保障。目前，世界各国正在大力研制开发压电陶瓷材料，以保护环境和追求健康，预计2008后形成产业化生产。压电陶瓷发电能力的研究，对压电材料更加广泛的应用有着重要的意义。本装置可以将人走动时产生的不可利用的机械能转化为可被利用的电能，产生的电能即可直接用于供电，也可用于储备，而且装置简单，极易安装，成本低，利用率高。在路面铺设压电陶瓷，汽车行驶中产生的振动冲击能具有很高的能量密度, 利用高效压电材料及动力机械结构进行发电成为可能。在人员密集区域或高频震动区域利用压电陶瓷为用电设施供电已经成为可能。若在火车站进站口，出站口，以及站前公交站铺设本装置，预计年发电量可达到4.7万千瓦时。
同类课题研究水平概述
- 从国内外发展来看, 利用压电陶瓷逆压电效应的技术比较成熟, 例如在微操作和精密驱动系统、振动主动控制、微小机器人等领域都有比较成熟的应用技术, 压电陶瓷的正压电效应主要应用在传感器、点火设备等领域[ 1- 3] 。近年来, 随着压电陶瓷制备技术的发展,其各方面性能有了很大的提高。因此, 应用压电元件的发电能力研制发电装置已经成为一个新的研究热点。但以压电陶瓷用于工业和生活用电的研究成果尚不多见。 参考文献： [1] Beherens S, Fleming A J, Moheimani S O R. Series parallel impedance structure for piezoelectric vibrate ion damping [J] . Proc SPIE Int So c Opt Eng,2002, 4934: 12-22. [2] Carazo Alfredo Vazquez, Uchino Kenji. Novel piezoeletric based power supply for driving piezoelectric actuators designed for active vibration damping Application [J]. Journal of Electro ceramics, 2001, 7(3): 197-210. [3] 华顺明,曾平,王忠伟.新型二维压电移动机构[J]. 吉林大学学报:工学版,2004, 34.
