新能源材料概論IntroductiontoNewEnergyMaterials第四章力電轉(zhuǎn)換新能源材料1.壓電材料力電轉(zhuǎn)換新能源材料第四章本章重點(diǎn)：壓電效應(yīng)本章難點(diǎn)：

納米發(fā)電機(jī)工作原理Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion本章提綱(ChapterOutlines)2.風(fēng)能新能源材料3.海洋新能源材料4.用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)學(xué)習(xí)目標(biāo)(Learningoutcomes)1.掌握壓電效應(yīng)；2.理解海洋能的特征及存在形式3.掌握納米發(fā)電機(jī)的工作原理4.理解納米發(fā)電機(jī)的分類及各自優(yōu)缺點(diǎn)5.可分析壓電材料在新能源材料中的應(yīng)用及其應(yīng)用前景Chapter4-Ceramicglaze①壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)1

壓電材料1.1壓電效應(yīng)及其表征參數(shù)：Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion圖4-1壓電晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理示意圖②壓電陶瓷的性能參數(shù)a.壓電系數(shù)：壓電系數(shù)是壓電陶瓷重要的特性參數(shù)，它是壓電介質(zhì)把機(jī)械能(或電能)轉(zhuǎn)換為電能(或機(jī)械能)的比例常數(shù)，反映了應(yīng)力或應(yīng)變和電場(chǎng)或電位移之間的聯(lián)系，直接反映了材料機(jī)電性能的耦合關(guān)系和壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱。常見的四種壓電常數(shù)：dij、gij、eij、hij(i=1，2，3；j=1，2，3，..6)，其中i表示電學(xué)參量的方向(即電場(chǎng)或電位移的方向)，j表示力學(xué)量(應(yīng)力或應(yīng)變)的方向。壓電常數(shù)的完整矩陣應(yīng)有18個(gè)獨(dú)立參量，對(duì)于四方鈣鐵礦結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷只有3個(gè)獨(dú)立分量，以dij為例，即d31、d33、d15。1

壓電材料1.1壓電效應(yīng)及其表征參數(shù)：Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversionb.機(jī)械品質(zhì)因素Qm：表示在振動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，材料內(nèi)部能量損耗的程度，機(jī)械品質(zhì)因素越高，能量的損耗就越少，產(chǎn)生機(jī)械損耗的原因是存在內(nèi)摩擦，在壓電元件振動(dòng)時(shí)，要克服摩擦而消耗能量，機(jī)械品質(zhì)因素與機(jī)械損耗成反比。c.頻率常數(shù)N：對(duì)于壓電陶瓷材料，其壓電振子的諧振頻率和振子振動(dòng)方向長(zhǎng)度的乘積是個(gè)常數(shù)，即頻率常數(shù)。頻率常數(shù)是諧振頻率和決定諧振的線度尺寸的乘積。如果外加電場(chǎng)垂直于振動(dòng)方向，則諧振頻率為串聯(lián)諧振頻率；如果電場(chǎng)平行于振動(dòng)方向，則諧振頻率為并聯(lián)諧振頻率。d.機(jī)電耦合系數(shù)K：或稱有效機(jī)電耦合系數(shù)，是綜合反映壓電陶瓷材料性能的一個(gè)重要參數(shù)，是衡量材料壓電性能好壞和壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要物理量。1

壓電材料1.1壓電效應(yīng)及其表征參數(shù)：Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversione.壓電陶瓷振子與振動(dòng)模式

壓電振子的諧振特性：極化后的壓電體即是壓電振子。對(duì)壓電振子施加交變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)頻率與壓電體的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生諧振。諧振頻率為形成駐波的頻率。

壓電振子的等效電路：壓電振子的諧振特性，即阻抗隨頻率變化的曲線，與LC電路諧振特性類似，即與二端網(wǎng)絡(luò)的三元件電路(一個(gè)電感與一個(gè)電容串聯(lián)，再與一個(gè)電容并聯(lián)的電路)的阻抗隨頻率的變化曲線類似。

振動(dòng)模式：壓電陶瓷根據(jù)振動(dòng)模式又可分為橫效應(yīng)振子、縱效應(yīng)振子、厚度切變振子三種。1

壓電材料1.1壓電效應(yīng)及其表征參數(shù)：Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion

在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)可能十分微弱，沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。隨著對(duì)材料的深入研究，逐漸發(fā)現(xiàn)了石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇(BaTiO3)，它是由碳酸鋇和二氧化鈦按1：1摩爾比混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115℃，使用溫度不超過(guò)70℃。鈦酸鋇由于具有壓電特性，并且為無(wú)鉛壓電陶瓷，被用于與羥基磷灰石復(fù)合用于骨修復(fù)，同時(shí)也有學(xué)者將鈦酸鋇處理在鈦合金的表面，制備出一層具有壓電特性的生物涂層用于骨組織工程中。1

壓電材料1.2幾種典型的壓電材料Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion

全球風(fēng)能資源：根據(jù)世界氣象組織(WMO)主持繪制的風(fēng)能資源圖，地球陸地表面1.07×108km2中27%的面積平均風(fēng)速高于5m/s(距地面10m處)，這部分面積總共約為3×107km2。

中國(guó)風(fēng)能資源：我國(guó)的風(fēng)能儲(chǔ)量很大，分布范圍廣，甚至比水資源還要豐富。根據(jù)國(guó)家氣象科學(xué)院的估算，我國(guó)陸地地面10m高度層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為3226GW，其中實(shí)際可開發(fā)利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量為253GW，另外海上可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量約為750GW。2

風(fēng)能新能源材料2.1

風(fēng)能資源Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion圖4-3海上風(fēng)力發(fā)電圖4-2風(fēng)力發(fā)電

①風(fēng)力發(fā)電原理概述：

風(fēng)力發(fā)電一般有三種形式：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行的方式、風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式相結(jié)合的方式、風(fēng)力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行的方式。風(fēng)力發(fā)電的核心部件是風(fēng)力發(fā)電機(jī)(也叫風(fēng)動(dòng)機(jī)、風(fēng)車等)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是以風(fēng)能為能源，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或電能而做功的一種動(dòng)力機(jī)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的作用是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)換為電能輸出，目前采用的發(fā)電機(jī)有直流發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)三種。2

風(fēng)能新能源材料2.2

風(fēng)力發(fā)電原理Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion圖4-4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

②風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的兩個(gè)主要部件是風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，功率調(diào)節(jié)技術(shù)是風(fēng)機(jī)最為關(guān)鍵的技術(shù)，變速恒頻技術(shù)是發(fā)電機(jī)的核心技術(shù)，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用中，風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速(一般為12~16m/s)以后，由于部件機(jī)械強(qiáng)度和發(fā)電機(jī)、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風(fēng)輪的能量捕獲，使功率保持在額定值附近，以減少葉片所承受的負(fù)荷和整個(gè)風(fēng)機(jī)受到的沖擊，保證風(fēng)機(jī)不受損害。功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種方式。2

風(fēng)能新能源材料2.2

風(fēng)力發(fā)電原理Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion

③風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)：

a.單機(jī)容量不斷增大，單機(jī)容量為5MW的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段，更大單機(jī)容量的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備也是現(xiàn)階段的發(fā)展方向之一。b.采用變槳距調(diào)節(jié)方式避免了定槳距調(diào)節(jié)方式中超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)發(fā)電功率下降的缺點(diǎn)，因而變槳距調(diào)節(jié)方式將迅速取代定槳距功率調(diào)節(jié)方式。c.由于變速恒頻調(diào)節(jié)方式可以通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速以追蹤最大風(fēng)能，提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，因而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是將來(lái)重要發(fā)展方向。d.免齒輪箱系統(tǒng)要采取極低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)，會(huì)提高發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造成本，但是可以提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性。2

風(fēng)能新能源材料2.2

風(fēng)力發(fā)電原理Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion

風(fēng)力發(fā)電是目前利用風(fēng)能的重要形式，也是多種可再生能源利用技術(shù)中比較成熟的，風(fēng)力發(fā)電有其自身獨(dú)特的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

安全可靠；風(fēng)力發(fā)電不消耗資源、不污染環(huán)境；建設(shè)周期一般很短；裝機(jī)規(guī)模靈活，可根據(jù)資金多少來(lái)確定，為籌集資金帶來(lái)便利；運(yùn)行簡(jiǎn)單，可完全做到無(wú)人值守運(yùn)行；實(shí)際占地少，機(jī)組與監(jiān)控、變電等建筑僅占風(fēng)電場(chǎng)約1%的土地，其余場(chǎng)地仍可供農(nóng)、牧、漁業(yè)使用；對(duì)土地要求低，在山丘、荒漠、海邊灘涂、近海、河堤等地形條件下均可建設(shè)；在發(fā)電方式上還有多樣化的特點(diǎn)，既可獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行，也可和柴油發(fā)電機(jī)等組成互補(bǔ)系統(tǒng)，這對(duì)于解決邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的用電問(wèn)題提供了可能性。2

風(fēng)能新能源材料2.3

風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion①渦輪式風(fēng)能發(fā)電裝置：微型渦輪式電磁風(fēng)能發(fā)電裝置的作用原理為通過(guò)高壓氣體產(chǎn)生推動(dòng)力，推動(dòng)槳葉快速轉(zhuǎn)動(dòng)，之后利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能。針對(duì)渦輪式風(fēng)能發(fā)電裝置來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)在于相比風(fēng)致振動(dòng)式風(fēng)能發(fā)電裝置輸出功率較高，但同時(shí)缺點(diǎn)也較為明顯，如加工裝置的精度要求高、結(jié)構(gòu)易損耗不利于穩(wěn)定輸出等等。

2

風(fēng)能新能源材料2.4壓電效應(yīng)用于風(fēng)能發(fā)電Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion圖4-5類似鰻魚的壓電發(fā)電裝置②

風(fēng)致振動(dòng)式風(fēng)能發(fā)電裝置：風(fēng)致振動(dòng)式風(fēng)能發(fā)電裝置通過(guò)利用風(fēng)致振動(dòng)的原理，將流場(chǎng)中的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為鈍體或其他裝置的振動(dòng)能，再通過(guò)振動(dòng)能量回收技術(shù)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，最終達(dá)到回收風(fēng)能的目的。①海洋能定義：海洋能是指海水自身所具有的動(dòng)能、勢(shì)能和熱能。②海洋能的特征：相對(duì)于常規(guī)能源，海洋能的主要特征如下：a.地球上蘊(yùn)藏量巨大，具有可再生性；b.相對(duì)密度低，能量分布不均勻；c.能量變化有律可循；e.環(huán)境污染小；f.開發(fā)環(huán)境惡劣，單位裝機(jī)造價(jià)高。③海洋能的分類：海洋中能量的主要存在形式有潮汐能、潮流能、波浪能、海流能、鹽差能和溫差能。3

海洋能新能源材料3.1海洋能概述

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion2

風(fēng)能新能源材料Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion海洋能種類形成原因富集區(qū)域能量大小變化情況潮汐能太陽(yáng)和月球的引潮力作用在地球表面的海水引起45°~55°北大陸沿岸與港灣面積和潮差的平方成正比潮差和流速、流向以半日、半月為主周期變化潮流能與流量及流速的平方成正比波浪能海面上的空氣流運(yùn)動(dòng)作用產(chǎn)生北半球兩大洋東側(cè)與波高的平方以及波面面積成正比隨機(jī)周期性變化，周期范圍100~101s海流能海水溫度、鹽度分布不均引起的密度、壓力梯度或海面上風(fēng)的作用產(chǎn)生北半球兩大洋北側(cè)與流量及流速的平方成正比比較穩(wěn)定溫差能海洋表層和深層吸收的太陽(yáng)輻射熱量不同和大洋環(huán)流經(jīng)向熱量輸送而產(chǎn)生低緯度大洋與具有足夠溫差海區(qū)的暖水量以及溫差成正比相當(dāng)穩(wěn)定鹽差能淡水向海水滲透形成的滲透壓引起大江河入?？诟浇c滲透壓和入海淡水量成正比隨入海量的季節(jié)和年際變化而變化表4-1各類海洋能的特性3.1海洋能概述

④海洋能的潛能人類現(xiàn)階段還不能把海洋能完全有效地利用起來(lái)，但海洋能理論可利用功率約為6400GW。海洋能的利用主要集中于能量較強(qiáng)的波浪能、海流能、鹽差能和溫差能的應(yīng)用存在一定的限制。相比于常規(guī)能源，雖然海洋能的開發(fā)利用存在著許多問(wèn)題，但其潛力巨大，在可再生資源中有著非常重要的地位。對(duì)于波浪能，在最豐富的海域、海岸線平均功率為50kW/m，通常的也有5~6kW/m。海水溫差能、鹽差能和海流能相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)小且晝夜不斷、受季節(jié)影響小。潮汐能、潮流能有較為恒定的周期性變化特征，可對(duì)其作準(zhǔn)確預(yù)測(cè)來(lái)為人類服務(wù)，海洋能必將是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分。3

海洋能新能源材料3.1海洋能概述

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion①潮汐發(fā)電技術(shù)原理3

海洋能新能源材料3.2海洋能發(fā)電原理

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion圖4-6潮汐發(fā)電原理示意圖

潮汐發(fā)電的工作原理與常規(guī)水力發(fā)電的原理相同，它是利用潮水的漲落產(chǎn)生的水位差所具有的勢(shì)能來(lái)發(fā)電，具體地說(shuō)，就是在有條件的海灣或感潮河口建筑堤壩、閘門和廠房，將海灣(或河口)與外海隔開，圍成水庫(kù)，并在壩中或壩旁安裝水輪發(fā)電機(jī)組，對(duì)水閘適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行啟閉調(diào)節(jié)，使水庫(kù)內(nèi)水位的變化滯后于海面的變化，水庫(kù)水位與外海潮位就會(huì)形成一定的潮差(即工作水頭)，從而可驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。②波浪能發(fā)電技術(shù)原理3

海洋能新能源材料3.2海洋能發(fā)電原理

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion

波浪的運(yùn)動(dòng)軌跡呈圓周或橢圓。經(jīng)矢量分解，波浪能由波的動(dòng)能和波的位能兩大部分疊加而成?，F(xiàn)代發(fā)電裝置的發(fā)電機(jī)理無(wú)外乎二種基本轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，通過(guò)2次能量轉(zhuǎn)化最終實(shí)現(xiàn)終端利用。目前，波力轉(zhuǎn)換電效率最高可達(dá)70%。a.首輪轉(zhuǎn)換。首輪轉(zhuǎn)換是一次能量轉(zhuǎn)化的發(fā)源環(huán)節(jié)，以便將波浪能轉(zhuǎn)換成裝置機(jī)械能。b.中間轉(zhuǎn)換。中間轉(zhuǎn)換是將首輪轉(zhuǎn)換與最終轉(zhuǎn)換連接溝通，促使渡力機(jī)械能經(jīng)特殊裝置處理達(dá)到穩(wěn)向、穩(wěn)速和加速、能量傳輸，推動(dòng)發(fā)電機(jī)組。c.最終轉(zhuǎn)換。最終轉(zhuǎn)換多為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，全面實(shí)現(xiàn)波浪發(fā)電。這種轉(zhuǎn)換基本上采用常規(guī)發(fā)電技術(shù)，但用作波浪發(fā)電的發(fā)電機(jī)，必須適應(yīng)變化幅度較大的工況。③海流能發(fā)電原理和特色3

海洋能新能源材料3.2海洋能發(fā)電原理

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion

海流能是海水流動(dòng)所具有的動(dòng)能。海流是海水朝著一個(gè)方向經(jīng)常不斷地流動(dòng)的現(xiàn)象。海流有表層流，表層流以下有上層流、中層流、深層流和底層流。海流發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電相比較有以下特點(diǎn)：a.能量密度低，但總蘊(yùn)藏量大，可以再生。b.能量隨時(shí)間、空間變化，但有規(guī)律可循，可以提前預(yù)報(bào)。c.開發(fā)環(huán)境嚴(yán)酷、投資大、單位裝機(jī)造價(jià)高，但不污染環(huán)境、不用農(nóng)田、不需遷移人口。④海水溫差能發(fā)電3

海洋能新能源材料3.2海洋能發(fā)電原理

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion

海水溫差發(fā)電系指利用海水表層與深層之間的溫差能發(fā)電，海水表層和底層之間形成的20℃溫度差可使低沸點(diǎn)的工質(zhì)通過(guò)蒸發(fā)及冷凝的熱力過(guò)程(如用氨作工質(zhì))，從而推動(dòng)氣輪機(jī)發(fā)電。按循環(huán)方式溫差發(fā)電可分為開式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)、混合循環(huán)系統(tǒng)和外壓循環(huán)系統(tǒng)。按發(fā)電站的位置，溫差發(fā)電可分為海岸式海水溫差發(fā)電站、海洋式海水溫差發(fā)電站、冰洋發(fā)電站。圖4-7海水溫差發(fā)電原理圖壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，若施加激勵(lì)電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)。壓電發(fā)電機(jī)正是利用了正壓電效應(yīng)。因?yàn)閴弘娞沾砂l(fā)電需要工作于高頻率振動(dòng)，一般設(shè)計(jì)為懸臂梁結(jié)構(gòu)。Muray和Rasteger設(shè)計(jì)了基于波浪能的壓電能量獲取裝置，該裝置通過(guò)浮漂系統(tǒng)和懸臂梁結(jié)構(gòu)將低頻波浪振動(dòng)轉(zhuǎn)化壓電系統(tǒng)高頻振動(dòng)。謝濤等人對(duì)多懸臂梁壓電振子頻率進(jìn)行了分析，表明多懸臂梁可以有效地拓寬諧振頻帶，更好地與外界振動(dòng)相匹配，從而提高壓電發(fā)電效率。3

海洋能新能源材料3.3壓電效應(yīng)用于海洋能發(fā)電

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion壓電納米發(fā)電機(jī)是依靠壓電材料的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，在絕緣的壓電材料頂部和底部覆蓋兩個(gè)電極，利用壓電極化電荷和所產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的電場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電子在外電路中的流動(dòng)。壓電材料中的電偶極子是沿著上下電極方向排列，在垂直器件方向上施加機(jī)械形變，則壓電材料產(chǎn)生壓電極化電荷，產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)吸引/排斥上下電極中的電子，連接外部負(fù)載電路時(shí)，電子會(huì)從一端電極流向另一端電極：當(dāng)撤銷外部機(jī)械作用力后，由壓電極化電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)就會(huì)消失，電子則會(huì)通過(guò)外接負(fù)載向相反的方向流動(dòng)。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.1壓電納米發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion圖4-8基于原子力顯微鏡和氧化鋅納米線陣列的納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)工作過(guò)程(a)和工作原理(b)(1)第一代納米發(fā)電機(jī)：壓電納米發(fā)電機(jī)(piezoelectricnanogenerator，PNG)最早于2006年由王中林等提出，該研究利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)了微納尺度級(jí)別上供電系統(tǒng)的制造。原子力顯微鏡AFM探針施加的力(機(jī)械能)作用于氧化鋅納米線上，將會(huì)使氧化鋅納米線發(fā)生彎曲,這種形變使得ZnO內(nèi)部的Zn2+和O2發(fā)生偏移從而不再中心重合，進(jìn)而產(chǎn)生了壓電電勢(shì)，壓電電勢(shì)驅(qū)動(dòng)電子通過(guò)探針流出(電能)，從而實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能這一過(guò)程的轉(zhuǎn)換。第一代壓電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明為自發(fā)電式納米器件奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.1壓電納米發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion(2)直流壓電納米發(fā)電機(jī)壓電納米發(fā)電機(jī)的體型微小是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它作為納米供電設(shè)備實(shí)際上也要求它本身具有體型小，便于攜帶的特點(diǎn)。所以第一代壓電納米發(fā)電機(jī)使用原子力顯微鏡AFM探針輸入機(jī)械能的設(shè)計(jì)顯得比較笨重。在2007年，Wang等人發(fā)明了一種使用超聲波驅(qū)動(dòng)的直流納米發(fā)電機(jī)，該納米發(fā)電機(jī)的制作是將垂直排列的氧化鋅納米線放置在鋸齒形金屬電極下，中間隔著一個(gè)小小的間隙。通過(guò)超聲波驅(qū)動(dòng)使得電極上下彎曲，從而使納米線不斷振動(dòng)，壓電半導(dǎo)體的耦合過(guò)程使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。相比第一代納米發(fā)電機(jī)，這種納米發(fā)電機(jī)適應(yīng)性更強(qiáng)、可移動(dòng)、成本更低，并且提供了能夠從環(huán)境中獲取能源的技術(shù),同時(shí)也證明了壓電納米發(fā)電機(jī)將環(huán)境中各種不同形式能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的可能性。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.1壓電納米發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion(3)交流壓電納米發(fā)電機(jī)2009年，Yang等人制備了一種交流式的納米發(fā)電機(jī)。ZnO納米線被封裝在柔性基底上,納米線兩端牢牢地連接在基底兩端金屬電極上，因此不涉及到滑動(dòng)接觸?；椎臋C(jī)械彎曲，反復(fù)拉伸將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓電電勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電子流到外部負(fù)載上，直到產(chǎn)生平衡的壓電電勢(shì)。當(dāng)基底的彎曲形變消失后，壓電電勢(shì)消失，積聚的電子又以相反的方向流過(guò)外部負(fù)載，形成反向的電流?；仔巫儾粩嗟陌l(fā)生、并且恢復(fù)，會(huì)不斷的產(chǎn)生正向電流和反向電流。這種壓電納米發(fā)電機(jī)減少了納米線和電極的直接摩擦，延長(zhǎng)了該壓電納米發(fā)電機(jī)的使用壽命，并且在輸出穩(wěn)定性，機(jī)械穩(wěn)定性，環(huán)境適應(yīng)性方面有所提高。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.1壓電納米發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion(4)具備柔性的納米發(fā)電機(jī)第一代壓電納米發(fā)電機(jī)出現(xiàn)以后，壓電納米發(fā)電機(jī)的進(jìn)展不斷。由于近些年來(lái)柔性電子器件在可穿戴、可植入電子器件等方面得到了廣泛應(yīng)用，它們被開發(fā)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療植入、工藝安全、個(gè)人電子產(chǎn)品等。這使得柔性成為納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)之一，具備柔性的納米發(fā)電機(jī)也能對(duì)環(huán)境中較為復(fù)雜的機(jī)械作用產(chǎn)生如彎曲、拉伸等產(chǎn)生良好的響應(yīng)并產(chǎn)生電能。柔性電子器件以靈活性、便攜式和智能化等優(yōu)勢(shì)，在健康醫(yī)療、航空航天、活動(dòng)追蹤和單兵系統(tǒng)研究中占據(jù)重要地位。依靠傳統(tǒng)電池供電方式已經(jīng)難以滿足柔性電子器件日益多樣化的需求，開發(fā)具有全柔性、低成本、可靠性和持久性的新型供能器件成為了當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.1壓電納米發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion(1)一維氧化鋅納米線ZnO具有豐富的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)，比如量子點(diǎn)、納米花、納米管、納米帶、納米環(huán)、納米梳、納米線等。制備一維ZnO納米材料的方法很多，主要有化學(xué)氣相沉積(CVD)法、水熱法、溶膠凝膠法、

電化學(xué)沉積法、化學(xué)浴沉積法、模板法、脈沖激光沉積(PLD)法和熱噴霧分解(SP)法等。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.2壓電半導(dǎo)體基壓電式納米發(fā)電機(jī)

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion圖4-9(a)采用溶膠-凝膠自旋涂法摻雜Cu；(b)摻雜Cu的ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)；(c)納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)(2)一維氮化鎵納米材料GaN材料因其具有優(yōu)異的光電性能以及良好的化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性。一維GaN納米材料的長(zhǎng)徑比和比表面積高，有利于增強(qiáng)其光催化活性。與異質(zhì)外延生長(zhǎng)的GaN薄膜相比，薄膜中由于晶格失配會(huì)產(chǎn)生高的位錯(cuò)密度，而GaN納米線則由于接觸面積小而容易釋放應(yīng)力，這極大地降低了納米線的內(nèi)部缺陷密度，使其相應(yīng)的光電子器件的效率更高以及使用壽命更長(zhǎng)。另外GaN納米棒陣列還可用于制造柔性器件。GaN納米線還具有優(yōu)異的電子傳輸特性，可應(yīng)用于太陽(yáng)能電池并使其能量轉(zhuǎn)換效率得到提高。除此之外，GaN納米線還可能實(shí)現(xiàn)在低成本襯底上制造復(fù)雜半導(dǎo)體光電子器件，同時(shí)GaN納米線可以在多種基底上生長(zhǎng)，因而可作為集成CMOS的備選材料。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.2壓電半導(dǎo)體基壓電式納米發(fā)電機(jī)

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion(3)一維硫化鋅納米材料硫化鋅(ZnS)是一種重要的、無(wú)毒的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體化合物材料，由于在室溫下具有較寬的直接禁帶寬度(3.6eV)和相對(duì)較大的激子束縛能(40meV)，在電子和光電領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛能。同時(shí)，ZnS還是一種良好的發(fā)光材料，所顯示出的多種光電性能使其在平板顯示、激光器、傳感器、紅外窗口材料、光催化等許多領(lǐng)域有著廣泛的用途。一維納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米棒、納米管等，因其結(jié)構(gòu)的特殊性更是引起人們的廣泛關(guān)注。一維納米ZnS材料已經(jīng)成為了納米領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其主要制備方法有水熱法、溶劑熱法、溶膠-凝膠法、微乳液法和熱分解法。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.1壓電半導(dǎo)體基壓電式納米發(fā)電機(jī)

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion長(zhǎng)期以來(lái)，以PbTiO3-PbZrO3(PZT)為基體的PZT基壓電陶瓷，由于其優(yōu)良的壓電性能而被廣泛使用，但是隨著綠色可持續(xù)發(fā)展理念的深入，含鉛材料對(duì)人體及環(huán)境的不利影響日益受到關(guān)注，開發(fā)出環(huán)境友好型的鐵電材料成為發(fā)展的重要方向。堿金屬鈮酸鹽系陶瓷材料鈮酸鉀鈉(KNN)、鈮酸鉀(KN)等，以其壓電性能高、介電常數(shù)小、頻率常數(shù)大和密度小等特點(diǎn)一直深受關(guān)注。鈣鈦礦型BaTiO3(BTO)也是一種常用無(wú)鉛、壓電性能優(yōu)良的材料。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.3壓電陶瓷基壓電式納米發(fā)電機(jī)

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion圖4-10(a)KNN納米棒陣列；(b)壓電式納米發(fā)電機(jī)模型除了半導(dǎo)體和陶瓷等無(wú)機(jī)材料，一些高聚物也具有壓電性能。與無(wú)機(jī)納米材料相比，壓電聚合物具有極大的柔性，并且由于其質(zhì)量輕、力學(xué)性能好以及良好的加工性和生物相容性等特點(diǎn)，成為制造可穿戴設(shè)備、傳感器和自供電植入裝置的理想材料。目前已知的壓電性較強(qiáng)的壓電聚合物主要有PVDF及其共聚物、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)及尼龍等材料。其中，PVDF及其共聚物具有結(jié)構(gòu)靈活、易于加工、耐溶劑、耐酸堿、耐機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的壓電聚合物。PVDF具有5種晶型，其中，電活性β相賦予了最高的偶極矩，從而產(chǎn)生了較高的壓電性，在一定的溫度下，通過(guò)拉伸、復(fù)合拉伸和極化等方法可以提高聚合物的β相含量。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.4壓電聚合物基壓電式納米發(fā)電機(jī)

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion目前，制備有序排列的可控PVDF納米纖維采用的方法主要為平行電極法、模板法、磁紡法、近場(chǎng)靜電紡絲等，其中，近場(chǎng)靜電紡絲是最為有效的實(shí)現(xiàn)一維和二維PVDF纖維精確可控沉積的方法，靜電紡絲技術(shù)具有制造裝置簡(jiǎn)單、紡絲種類繁多、成本低廉、操作工藝可控等優(yōu)點(diǎn)，已成為有效制備壓電納米纖維材料的主要手段，是目前實(shí)現(xiàn)柔性壓電納米發(fā)電機(jī)的重要途徑之一。4

用于風(fēng)能和海洋能收集和轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)4.4壓電聚合物基壓電式納米發(fā)電機(jī)

Chapter4-Newenergymaterialsforpowerandelectricityconversion2012年，Park等首次提出了納米復(fù)合發(fā)電機(jī)(nanocompositegenerator，NCG)的壓電式能量收集裝置，將添加有石墨化碳(單壁碳納米管、多壁碳納米管、還原石墨烯氧化物)的壓電納米BaTiO3納米微球分散在PDMS彈性體中，用作壓電納米復(fù)合。材料的簡(jiǎn)單自旋涂層，而后疊加形成壓電式納米發(fā)電機(jī)，開創(chuàng)了