CN101783617A - 利用正压电效应产生电荷的压电自发电单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用正压电效应产生电荷的压电自发电单元。采用传统固相法制备基体为PMnS-PZN-PZT体系的压电陶瓷，在此基础上掺杂铁酸铋，然后根据所需要的电荷量选用不同形状、尺寸和数量的压电陶瓷材料与金属导电材料连接，进行封装做成压电自发电单元或者再将压电自发电单元进行组合，并埋入沥青混凝土路面结构层中，配以能量采集装置、DC-DC变换装置、能量存储装置、电源监测与管理系统、照明装置，把压电自发电单元在机械力的作用下产生的较大的电荷量输出，供给满足高等级公路、隧道、桥面铺装、铁路或飞机场跑道路面，以及市内公路和人行街道照明。本发明不仅可以有效解决城乡公路、隧道等灯具供电不便的难题，最重要的是既节能、环保，又安全无高压触电危险，具有显著的经济价值和社会价值。

Description

利用正压电效应产生电荷的压电自发电单元

技术领域

本发明涉及利用正压电效应来产生电荷的压电自发电单元。特别是通过将压电自发电单元铺设于沥青混凝土公路路面下或直接用压电自发电单元作为路面组成部分，利用车辆振动或压挤能量产生电能。

背景技术

压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象。压电效应有两种，正压电效应及逆压电效应。正压电效应是将机械能转变成电能，即当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料表面产生正负电荷，以保持原状，如图1所示。逆压电效应是将电能转变成机械能，即当在压电材料表面施加电场(电压)，因电场作用时电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长。材料具有结晶之非对称性，会使晶体呈现等效的电荷分离现象，即存在晶体中有特定大小的电偶极距(Dipole Moment)。随外加应力或应变的变化，会产生电偶极距改变，使材料两端产生电荷堆积，依压电材料连接的电性负载大小，产生电能输出，此种机械能转换成电能的现象称为正压电性。对变动性的机械能输入才能产生电能输出，因此压电材料的机电能量转换与外加机械能的大小及变化速度相关，亦即随机械能的频率有不同的机电转换特性。随时间变化的机械能之典型即为振动，能量变化的频率即为振动频率，因此压电材料受机械能作用产生的电能，随振动源的特征有不同的结果。此外，机电能量转换的基础来自于电偶极距，随电偶极距改变量的大小有不同的能量转换能力，一般以具有永久性极化的铁电性(Ferroelectric)材料，具有最大的电偶极距变化，其中又以钙钛矿结构的锆钛酸铅(Lead Zirconate-titanate，PZT)的效果最佳，因此PZT材料成为压电陶瓷材料的代表，其产品运用最广泛。为增加PZT材料的电偶极距变化(或称压电性)能力，常以含有铅的其它类钙钛矿材料等作为第三成分，使其压电特性大幅提升，成为现在商品中常使用的成分配方。钙钛矿结构的压电体产生压电性时其晶体结构的变化如图2所示。

压电材料作为一种理想的机电能量转换材料，具有很高的能量密度，其峰值能量密度可达100～10000KW/Kg，这就使利用很小的压电装置产生相当功率的电能成为可能。压电陶瓷在应力作用下通过压电效应能产生数量相当可观的电荷，在工作物质上建立很高的电势，因而有可能输出不小的静电能。将机械能转变成电能就是利用了压电体的正压电效应，在一定范围内，压电体产生的电荷量与所受的力成正比，即利用的是线性压电效应。压电陶瓷一般有软性和硬性之分，相对于软性压电陶瓷，硬性压电陶瓷的线性压电效应能保持到施加很高的应力状态(约为1t/cm²)。

压电点火是压电体发电的最初应用，是以机械撞击压电体产生电压，撞击瞬间产生高压使空气放电以点燃瓦斯。点火组件产生的电压高(数千到上万伏特)，时间短(微秒以下)，无法使用现有电路收集电能。因此想方设法降低压电体产生的电压与延长电压产生的时间，是电能收集的必要条件。

压电材料之高机电转换率是提高发电容量的基础，因此使用多层陶瓷结构或压电单晶材料为主要方向。通常使用多个压电组件并联，或是降低压电片的厚度等方法来到提高压电组件的电容量以达到降低电压与延长时间的目的。除了使用多层压电片提高输出功率外，还可利用特殊机械结构将产生的能量，传递施加于多层压电结构上，该机械结构可以集中施加于压电换能器上的力量，提高压电体产生的电能。环境中机械能形式与种类繁多，虽然有不同的压电发电器开发报导，但商品化的产品仍有限，主要是要有稳定与大能量的机械能来源作为压电发电产品主要的应用市场。沥青混凝土公路路面正可以提供稳定与大能量的机械能来源。可以预见，随着压电材料、机械结构与控制电路的技术进步，在适当的空间尺寸下，提高压电自发电单元的发电量从而达到实用性的目的会越来越多。

发明内容

本发明的目的旨在提供利用正压电效应来产生电荷的压电自发电单元。

实现本发明目的的技术方案是：

一种利用压电材料正压电效应来产生电荷输出的压电自发电单元，其特征是，它由叠堆式结构的压电陶瓷片组成，是以高性能压电陶瓷片通过金属导电材料进行串并联组合的独立单元模块的形式，其串并联的数量由需要的电压和电流的大小决定；由于沥青混凝土路面在铺设和使用过程中，会承受比较高的应力，因此本发明采用偏硬性的高性能压电陶瓷作为压电体。其中，所述的偏硬性高性能压电陶瓷片是以压电、介电性能优良的锰锑酸铅-锌铌酸铅-锆钛酸铅(PMnS-PZN-PZT)体系压电陶瓷材料为基料，采用BiFeO₃进行复合掺杂改性，具有较高的压电性能和较低的介电损耗。基体配方摩尔比为：Pb_0.95Sr_0.05(Mn_1/3Sb_2/3)(Zn_1/3Nb_2/3)(Zr_0.5Ti_0.5)O₃，掺杂的铁酸铋为基体固熔体粉末总量的0.2wt％～0.6wt％。

此种高性能压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按以下摩尔比配方构成基体配料：

Pb_0.95Sr_0.05(Mn_1/3Sb_2/3)(Zn_1/3Nb_2/3)(Zr_0.5Ti_0.5)O₃；

(2)将Pb₃O₄、ZrO₂、TiO₂、MnO₂、Sb₂O₃、ZnO、Nb₂O₅和SrCO₃根据步骤(1)的配比混合球磨，烘干后预压成块，在900℃条件下预烧结，保温2小时，粉碎后得到基体粉料；

(3)于基体粉料中掺杂铁酸铋，掺杂量为基体粉料的0.2wt％～0.6wt％；

(4)将掺杂了铁酸铋的基体粉料细磨，烘干后采用质量浓度5％的聚乙烯醇水溶液作粘接剂造粒，陈腐24小时后压制成型，于800℃排除粘接剂，然后在1270℃烧结，保温2小时，得到陶瓷材料。

其中最佳的样品为在锰锑酸铅-锌铌酸铅-锆钛酸铅体系中掺杂0.4wt％BiFeO₃，其性能可达到：g₃₃≥26.04，d₃₃≥433pC·N^-1，tanδ≤0.2％，k_p≥0.60，ε^T ₃₃/ε₀≈1879，Q_m≥724。作为一种压电陶瓷材料，已经达到了一个性能较优的水平，可以满足压电自发电单元的要求。

本发明技术方案中，所述的压电自发电单元中的压电陶瓷片的形状包括：方板状、圆片、圆环片或长条片状。

本发明的压电自发电单元的应用，其特征是，将压电自发电单元埋入沥青混凝土路面结构层中，并配以能量采集装置、DC-DC变换装置、能量存储装置、电源监测与管理系统、照明装置，把压电自发电单元在机械力的作用下产生较大的电荷量输出，供给高等级公路，隧道，桥面铺装、铁路或飞机场跑道路面，以及市内公路和人行街道照明。

本发明的具体压电自发电单元中高性能压电陶瓷连接方式的示意图如图3所示，图3(a)为方板状压电体并联连接示意图，图3(b)为圆片状压电体并联连接示意图，图3(c)为圆环状压电体并联连接示意图，图3(d)为将图3(a)、(b)和(c)等压电体埋入20cm×20cm组成的压电单元的示意图，每个小压电体之间通过串并联连接。其中压电陶瓷的形状不仅仅包括方板状和圆片和圆环等形状，长条状也可以类似连接。

本发明中所用的实验原材料如金属导电材料和粘接剂等都是市场上购买。封装好的压电自发电单元的实际图片如图4所示。不同实施方式的例子在同等载荷条件下产生的电荷量如图5、图6所示。

本发明的有益效果在于：

本发明运用压电陶瓷材料的正压电效应，将废弃的机械能转变成电能，变废为宝，作为能源的一种有益补充。

附图说明

图1是正压电效应的示意图；

图2是钙钛矿结构的压电体产生压电性时其晶体结构的变化

图3是压电自发电单元的示意图；

图4是压电自发电单元的实际图片；

图5是实施例1-7在同等载荷条件下产生的电荷量。

具体实施方式

实施例1

1)将洗净晾干的2片压电陶瓷片和金属基板放置在操作平台上，粘接面朝上。取少许粘接用的胶水涂于压电片和金属导电材料上，用小刮板将所涂胶刮匀、刮平，迅速将两者粘在一起，同时均匀施压。粘接完毕后把压电陶瓷基元压于平板下，放置24小时。

2)将步骤1得到的压电陶瓷基元按照图3所示焊上电极。

3)将步骤2得到的压电陶瓷基元用环氧类树脂灌封，在60～100℃范围内固化成型。即得到压电自发电单元。

4)将压电自发电单元接入电路，并作用于QCZ-2型科研多用途全自动车辙试验仪下，利用公式F₀＝P×S，Q₀＝F×d₃₃， $I_0=\frac{d{Q}_0}{\mathrm{dt}},$ $U=\frac{Q}{C},$ $W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}$ 计算收集到的电量Q₁＝0.8965×10^-7C，电流I₁＝0.8965×10^-6A，W₁＝2.779×10^-6J。

实施例2

1)将洗净晾干的8片压电陶瓷片和金属基板放置在操作平台上，粘接面朝上。取少许粘接用的胶水涂于压电片和金属导电材料上，用小刮板将所涂胶刮匀、刮平，迅速将两者粘在一起，同时均匀施压。粘接完毕后把压电陶瓷基元压于平板下，放置24小时。

2)将步骤1得到的压电陶瓷基元按照图3所示焊上电极。

3)将步骤2得到的压电陶瓷基元用环氧类树脂灌封，在60～100℃范围内固化成型。即得到压电自发电单元。

4)将压电自发电单元接入电路，并作用于QCZ-2型科研多用途全自动车辙试验仪下，利用公式F₀＝P×S，Q₀＝F×d₃₃， $I_0=\frac{d{Q}_0}{\mathrm{dt}},$ $U=\frac{Q}{C},$ $W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}$ 计算收集到的电量Q₂＝3.586×10^-7C，I₂＝3.586×10^-6A，W₂＝1.1116×10^-5J。

实施例3

1)将洗净晾干的10片压电陶瓷片和金属基板放置在操作平台上，粘接面朝上。取少许粘接用的胶水涂于压电片和金属导电材料上，用小刮板将所涂胶刮匀、刮平，迅速将两者粘在一起，同时均匀施压。粘接完毕后把压电陶瓷基元压于平板下，放置24小时。

2)将步骤1得到的压电陶瓷基元按照图3所示焊上电极。

3)将步骤2得到的压电陶瓷基元用环氧类树脂灌封，在60～100℃范围内固化成型。即得到压电自发电单元。

4)将压电自发电单元接入电路，并作用于QCZ-2型科研多用途全自动车辙试验仪下，利用公式F₀＝P×S，Q₀＝F×d₃₃， $I_0=\frac{d{Q}_0}{\mathrm{dt}},$ $U=\frac{Q}{C},$ $W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}$ 计算收集到的电量Q₃＝4.4825×10^-7C，I₃＝4.4825×10^-6A，W₃＝1.3895×10^-5J.

实施例4

在4cm×4cm的压电陶瓷基元中，将如实施例2中由8片压电材料组成的压电自发电单元以串并联的方式完全排入。然后将整个基元接入电路，并作用于QCZ-2型科研多用途全自动车辙试验仪下，利用公式F₀＝P×S，Q₀＝F×d₃₃， $I_0=\frac{d{Q}_0}{\mathrm{dt}},$ $U=\frac{Q}{C},$ $W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}$ 收集到的电量Q₄＝1.4344×10^-6C，I₄＝1.4344×10^-5A，W₄＝4.4464×10^-5J。

实施例5

在20cm×20cm的压电陶瓷基元中，将如实施例1中由2片压电材料组成的压电自发电单元以串并联的方式完全排入。然后将整个基元接入电路，并作用于QCZ-2型科研多用途全自动车辙试验仪下，利用公式F₀＝P×S，Q₀＝F×d₃₃， $I_0=\frac{d{Q}_0}{\mathrm{dt}},$ $U=\frac{Q}{C},$ $W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}$ 收集到的电量Q₅＝5.7376×10^-6C，I₅＝5.7376×10^-5A，W₅＝1.7786×10^-4J。

实施例6

在20cm×20cm的压电陶瓷基元中，将如实施例2中8片压电材料组成的压电自发电单元以串并联的方式完全排入。然后将整个基元接入电路，并作用于QCZ-2型科研多用途全自动车辙试验仪下，利用公式F₀＝P×S，Q₀＝F×d₃₃， $I_0=\frac{d{Q}_0}{\mathrm{dt}},$ $U=\frac{Q}{C},$ $W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}$ 收集到的电量Q₆＝2.295×10^-5C，I₆＝2.295×10^-4A，W₆＝7.1145×10^-4J。

实施例7

在20cm×20cm的压电陶瓷基元中，将如实施例3中10片压电材料组成的压电自发电单元以串并联的方式完全排入。然后将整个基元接入电路，并作用于QCZ-2型科研多用途全自动车辙试验仪下，利用公式F₀＝P×S，Q₀＝F×d₃₃， $I_0=\frac{d{Q}_0}{\mathrm{dt}},$ $U=\frac{Q}{C},$ $W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}$ 收集到的电量Q₇＝2.8688×10^-5C，I₇＝2.8688×10^-4A，W₇＝8.8933×10^-4J。

压电自发电单元中压电体的尺寸，形状，连接方式不限于上述，按照本发明技术原理所作的修改和变形，当然均属于本发明内容范围。

Claims (3)

1.一种利用正压电效应产生电荷的压电自发电单元，其特征是，它由叠堆式结构的压电陶瓷片组成，是以高性能压电陶瓷片通过金属导电材料进行串并联组合的独立单元模块的形式，其串并联的数量由需要的电压和电流的大小决定；其中，所述的高性能压电陶瓷片为钙钛矿结构锆钛酸铅陶瓷片，其基体为锰锑酸铅-锌铌酸铅-锆钛酸铅体系，掺杂铁酸铋。

2.根据权利要求1所述的利用正压电效应产生电荷的压电自发电单元，其特征是，所述的压电自发电单元中压电陶瓷片的形状包括：方板、圆片、圆环片、长条片或切割柱状等压电陶瓷各种形状。

3.权利要求1所述的利用正压电效应产生电荷的压电自发电单元的应用，其特征是，将压电自发电单元埋入沥青混凝土路面结构层中，并配以能量采集装置、DC-DC变换装置、能量存储装置、电源监测与管理系统、照明装置，把压电自发电单元在机械力的作用下产生的较大的电荷量输出，供给高等级公路，隧道，桥面铺装、铁路或飞机场跑道路面，以及市内公路和人行街道照明等领域。

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