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基本信息

項(xiàng)目名稱：
壓電陶瓷發(fā)電裝置的研制與特性研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
為研究不同應(yīng)力載荷對(duì)壓電陶瓷發(fā)電能力的影響，本研究設(shè)計(jì)并制作了一套壓電陶瓷發(fā)電裝置與能力檢測(cè)系統(tǒng)。通過對(duì)人體載荷作用下發(fā)電能力的實(shí)驗(yàn)研究，找到了壓電陶瓷的發(fā)電能力與應(yīng)力載荷之間的定量關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，通過改變載荷的大小,找到了壓電陶瓷發(fā)電裝置發(fā)電能力的影響因素；實(shí)驗(yàn)分析表明：本裝置易于現(xiàn)小型化、集成化以及便攜式，在集中載荷便攜式充電電池的快速充電與大面積應(yīng)力載荷集中發(fā)電等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
詳細(xì)介紹：
以壓電陶瓷作為實(shí)驗(yàn)材料，壓電陶瓷-高聚物復(fù)合材料作為無機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易受電磁干擾，便于加工制作，且結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化以及便攜式的特性 ?？梢愿鶕?jù)需要，綜合兩項(xiàng)材料的優(yōu)點(diǎn)，制作性能良好的換能器和傳感器，最新的技術(shù)已制造出壓電系數(shù)較以往更大的材料，為今后的壓電陶瓷的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因此采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器具有較高的靈敏度，更加利于電能的收集與儲(chǔ)存，具有良好的市場(chǎng)前景。 本“集中負(fù)荷壓電陶瓷發(fā)電裝置”是采用壓電陶瓷材料這一無機(jī)非金屬功能陶瓷新材料制作技術(shù)，在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，產(chǎn)生正壓電效應(yīng)；在能量轉(zhuǎn)換方面，利用壓電陶瓷將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的特性、電路設(shè)計(jì)技術(shù)及電力輸送技術(shù)，利用壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換。 1電陶瓷發(fā)電裝置的樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)裝置有發(fā)電裝置，濾波裝置，儲(chǔ)能裝置以及用電裝置構(gòu)成。 發(fā)電裝置由壓電振子構(gòu)成。壓電振子有金屬片、壓電片組成。在金屬表面粘貼壓電片，分別從金屬片和壓電片上引出電極 由于人走動(dòng)產(chǎn)生壓力，使得壓電振子產(chǎn)生形變，進(jìn)而引起壓電層內(nèi)應(yīng)變和應(yīng)力的變化。根據(jù)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，在壓電片表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生電壓。試驗(yàn)中輸入為機(jī)械能，輸出為電能，由于人走動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量不穩(wěn)定，壓電振子輸出的電壓不是穩(wěn)定值，所以用穩(wěn)壓和濾波裝置進(jìn)行整流和濾波。此時(shí)輸出的電壓為穩(wěn)定值，可以用于儲(chǔ)備和應(yīng)用。由于壓電振子在每個(gè)振動(dòng)周期產(chǎn)生的能量很小, 且輸出為高電壓低電流的交流電。在實(shí)驗(yàn)中采取壓電陶瓷并聯(lián)的方式，以獲取更大的電流在實(shí)際應(yīng)用中, 為了提高整個(gè)系統(tǒng)的能量捕獲效率, 往往需要在整流電路和存儲(chǔ)介質(zhì)之間加入不同類型的DC- DC降壓增流電路, 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 降壓增流電路的加入往往可以使整個(gè)系統(tǒng)效率提高一倍以上。 2實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì) 2.1電陶瓷所受壓力對(duì)其發(fā)電能力關(guān)系研究 本次試驗(yàn)，采用直徑20mm的壓電片作為發(fā)電材料，將壓電片 片作為正極，銅線作為負(fù)極，先串聯(lián)1kΩ的電阻以及發(fā)光二極管作為負(fù)載，所測(cè)電壓為負(fù)載端電壓，實(shí)驗(yàn)中，分別以為不同體重的人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其正常行走時(shí)踩壓陶瓷產(chǎn)生的電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和整理，每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別進(jìn)行了100組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，計(jì)算出產(chǎn)生電壓的平均值和最大值（實(shí)驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)皆為輸出電壓的平均值）。 2.2探究發(fā)電效能與壓電陶瓷片數(shù)關(guān)系 試驗(yàn)中，為探究壓電振子的發(fā)電效能，制作了一套利用測(cè)量電容充電時(shí)間估算壓電振子發(fā)電效率的裝置，裝置由整流單元，濾波單元，穩(wěn)壓?jiǎn)卧瑑?chǔ)能單元組成，儲(chǔ)能單元由五個(gè)規(guī)格為2200μF，35V的電容并聯(lián)組成。 利用整流，濾波，穩(wěn)壓?jiǎn)卧獙?duì)壓電振子輸出的電能進(jìn)行降壓增流處理，輸出為穩(wěn)定的9V電壓。以一個(gè)體重為65kg的人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在其正常行走情況下分別測(cè)得在不同壓電陶瓷片數(shù)下電容兩端達(dá)到穩(wěn)壓電壓值所需時(shí)間，并進(jìn)行分析。 結(jié)論： 1、壓電陶瓷產(chǎn)生的開路電壓與其受到的壓力有關(guān)，且在理想狀態(tài)下，隨著壓力的增加，開路電壓越大。 2、在壓力一定的情況下，壓電陶瓷裝置的發(fā)電能力隨著片數(shù)的增加呈現(xiàn)遞增態(tài)勢(shì)。 3.本裝置可以將人走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不可利用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可被利用的電能，產(chǎn)生的電能即可直接用于供電，也可用于儲(chǔ)備。而且裝置簡(jiǎn)單，極易安裝，成本低，利用率高，不但可以應(yīng)用于步行街，車站等人流流動(dòng)密集區(qū)域，而且可以作為便攜式電源對(duì)手機(jī)等小功率的用電器進(jìn)行充電。也可以安裝在一些機(jī)械上，利用其工作時(shí)的振動(dòng)為自身充電。

作品圖片

  • 壓電陶瓷發(fā)電裝置的研制與特性研究
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)與發(fā)明目的： 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，用電負(fù)荷的急劇增加，據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司資料顯示，主要受電煤短缺影響，西北、華中、華北地區(qū)9個(gè)省份先后出現(xiàn)電力供應(yīng)不足。預(yù)計(jì)2011年全國(guó)電量缺口累計(jì)達(dá)100億千瓦時(shí)。 為緩解這一能源供需緊張的狀況，解決商業(yè)步行街、火車站、大型超市等人員密集度高的區(qū)域的用電供給緊張的問題。我們對(duì)壓電陶瓷材料進(jìn)行了“集中復(fù)合壓電陶瓷發(fā)電裝置”的探究性實(shí)驗(yàn)。 基本思路： 壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差，稱之為正壓電效應(yīng)。在現(xiàn)實(shí)生活中，理想狀況下人的一步能使兩盞60瓦的燈泡亮一秒鐘。 本裝置的主要工作原理是便是利用壓電陶瓷的正電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成用電器可直接利用的電能。 具體實(shí)施路線是在人流密集區(qū)域通過在地面鋪設(shè)集中負(fù)荷壓電陶瓷發(fā)電裝置，進(jìn)而將地面活動(dòng)物體對(duì)地面產(chǎn)生的巨大壓力，通過壓電陶瓷的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成為電能收集并加以有效的儲(chǔ)存利用，在用電緊張的情況下為外部用電器提供電能。 創(chuàng)新點(diǎn) 本裝置可將不可利用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可利用的電能，產(chǎn)生的電能即可直接用于供電或儲(chǔ)備。且裝置簡(jiǎn)單，極易安裝，成本低，利用率高，不但可以應(yīng)用于步行街，車站等人流流動(dòng)密集區(qū)域，而且可以作為便攜式電源對(duì)手機(jī)等小功率的用電器進(jìn)行充電。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1.一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體重的人行走時(shí)可以發(fā)電功率約為450mV 2.沈陽站每日的人流量可達(dá)到10萬人次，車流量在10000左右，若在進(jìn)站口，出站口，以及戰(zhàn)前公交站鋪設(shè)本裝置，年發(fā)電量可達(dá)到4.7萬千瓦時(shí)。

科學(xué)性、先進(jìn)性

“集中負(fù)荷壓電陶瓷發(fā)電裝置”所選用的壓電陶瓷材料是一種高聚物復(fù)合材料，作為無機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相均沒有的特性。是綜合二相材料的優(yōu)點(diǎn)，具有良好性能的換能器和傳感器。核能發(fā)電的弊端 1.核能電廠會(huì)產(chǎn)生高低階放射性廢料，或者是使用過之核燃料，雖然所占體積不大，但因具有放射線，故必須慎重處理。2.核能發(fā)電廠熱效率較低，因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環(huán)境裏，故核能電廠的熱污染較嚴(yán)重。3.核能電廠投資成本太大。4.核電廠的反應(yīng)器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，如果在事故中釋放到外界環(huán)境，會(huì)對(duì)生態(tài)及民眾造成傷害。特別是最近日本地震所引起的核電站泄漏事件給周邊群眾以及生態(tài)環(huán)境所帶來的災(zāi)難性影響。 本套裝置具有低投入、低風(fēng)險(xiǎn)、零排放、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。此外，在設(shè)計(jì)上充分考慮了太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電塔架等新能源發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)，做到了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受電磁干擾、易于加工制作，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的微小化、集成化。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

待定

作品可展示的形式

模型 圖片 實(shí)物、產(chǎn)品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

壓電陶瓷為環(huán)保材料，利用正壓電效應(yīng)，將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并進(jìn)行供電。此類裝置具有簡(jiǎn)單，不發(fā)熱，無電磁干擾，易于實(shí)現(xiàn)集成化等優(yōu)點(diǎn)，適用范圍極其廣泛。近年來隨著物理學(xué)、材料學(xué)與微加工技術(shù)的發(fā)展, 具有高壓電、介電性能的壓電材料不斷被開發(fā)出來, 壓電材料機(jī)電轉(zhuǎn)換能力大幅提高, 為壓電發(fā)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了技術(shù)保障。目前，世界各國(guó)正在大力研制開發(fā)壓電陶瓷材料，以保護(hù)環(huán)境和追求健康，預(yù)計(jì)2008后形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。壓電陶瓷發(fā)電能力的研究，對(duì)壓電材料更加廣泛的應(yīng)用有著重要的意義。本裝置可以將人走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不可利用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可被利用的電能，產(chǎn)生的電能即可直接用于供電，也可用于儲(chǔ)備，而且裝置簡(jiǎn)單，極易安裝，成本低，利用率高。在路面鋪設(shè)壓電陶瓷，汽車行駛中產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊能具有很高的能量密度, 利用高效壓電材料及動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)電成為可能。在人員密集區(qū)域或高頻震動(dòng)區(qū)域利用壓電陶瓷為用電設(shè)施供電已經(jīng)成為可能。若在火車站進(jìn)站口，出站口，以及站前公交站鋪設(shè)本裝置，預(yù)計(jì)年發(fā)電量可達(dá)到4.7萬千瓦時(shí)。

同類課題研究水平概述

從國(guó)內(nèi)外發(fā)展來看, 利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的技術(shù)比較成熟, 例如在微操作和精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、振動(dòng)主動(dòng)控制、微小機(jī)器人等領(lǐng)域都有比較成熟的應(yīng)用技術(shù), 壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)主要應(yīng)用在傳感器、點(diǎn)火設(shè)備等領(lǐng)域[ 1- 3] 。近年來, 隨著壓電陶瓷制備技術(shù)的發(fā)展,其各方面性能有了很大的提高。因此, 應(yīng)用壓電元件的發(fā)電能力研制發(fā)電裝置已經(jīng)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。但以壓電陶瓷用于工業(yè)和生活用電的研究成果尚不多見。 參考文獻(xiàn)： [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] 華順明,曾平,王忠偉.新型二維壓電移動(dòng)機(jī)構(gòu)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2004, 34.
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