基于壓力發(fā)電材料PZT的應急燈供電裝置

摘 要：隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，許多電子產(chǎn)品，包括應急燈中LED燈珠能耗越來越低，但在能量供給領(lǐng)域，依然采取著傳統(tǒng)的供能方式，即利用化學能電池作為主要的能量供應裝置。雖然化學能電池以方便的特點被廣泛使用，但是其需要經(jīng)常更換或充電、材料浪費、污染環(huán)境、回收困難等問題也日益突出。本文將通過研究發(fā)電的原理來開發(fā)一種基于PZT的新型應急發(fā)電裝置。

關(guān)鍵詞：壓力發(fā)電；PZT陶瓷；應急供電

為了安全起見對消防應急燈的要求很高，但目前應急燈的主要部件電池都有使用壽命短且維修費用高的缺點。為此就需要研發(fā)新型的應急供電裝置來解決這樣的問題。

壓電材料在外力作用下可以產(chǎn)生電荷（或電壓），所產(chǎn)生的電能可以被直接利用制作電子打火機、煤氣點火器等，但將這部分電荷收集、儲存起來用作驅(qū)動微功率電器的電源的研究近年來才剛剛開始。壓電發(fā)電裝置的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、易于加工制作和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的小型化、集成化等，具有十分廣闊的應用前景。因此可以利用壓電材料收集環(huán)境中的能量，將其轉(zhuǎn)換成電能替代電池為這些微電子產(chǎn)品供電。

目前已知的壓電材料有幾十種，早期發(fā)現(xiàn)的壓電材料主要是石英和電氣石等一些單晶材料，以后發(fā)現(xiàn)了羅息鹽等類鐵電體以及一些生物體也具有壓電性，不過這些早期的壓電材料很難滿足工業(yè)應用的要求，限制了壓電技術(shù)的發(fā)展鈦酸鋇（BaTi03）陶瓷的發(fā)現(xiàn)促進了壓電材料的發(fā)展，它不但使壓電材料從一些單晶體材料發(fā)展到壓電陶瓷等多晶體材料，而且在壓電性能上也有了大幅度提高但鈦酸鋇的壓電性隨溫度和時間的變化比石英晶體大，而壓電性又比羅息鹽弱，不能滿足廣泛的應用需求。到目前，PZT系陶瓷幾乎已完全取代了之前的壓電材料。壓電陶瓷最大的特性是具有壓電性，包括正壓電性和逆壓電性。實驗表明，在低功率共振下，即使長時間振動，壓電陶瓷性能始終不變，所以能夠滿足應急燈系統(tǒng)的供電需要。

通常壓電裝置的支撐有懸臂式、周邊簡支、周邊固支、簡支梁式。但由于在相同的外載荷下懸臂梁結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生更大的變形和應變，且懸臂梁結(jié)構(gòu)具有更低的共振頻率，因此在裝置中采用懸臂梁的支撐方式更合適。另一方面基于壓電陶瓷的振動能量捕獲技術(shù)的發(fā)電量較小，單層壓電陶瓷結(jié)構(gòu)難以滿足應急燈照明的供電要求，為了提高產(chǎn)生的電量，并減少壓電發(fā)電裝置的體積，常把壓電陶瓷并聯(lián)或串聯(lián)起來以構(gòu)成雙層壓電振子。本篇采用的是串聯(lián)雙層壓電振子。

電極串聯(lián)的雙壓電片懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩片矩形壓電晶體片膠合在金屬墊片的兩側(cè)構(gòu)成矩形梁，一端固定，電極被在梁的上下兩面，梁的自由端受機械載荷作用時，梁身發(fā)生撓曲變形，電極就可以向外輸出電能。目的是求解當梁的自由端受力作用，產(chǎn)生x方向撓度h=Hsin（ωt）時的輸出參數(shù)表達式。

結(jié)語

上述提出的應急燈供電系統(tǒng)通過對燈具電源供電方式的改變，采用在應急燈附近的地板振動發(fā)電系統(tǒng)供電，可以簡化應急燈的布置路線以及應急燈內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，對供電線路也沒有特殊要求，正常的供電線路故障并不會影響到應急燈供電線路。因此可以有效增加應急燈的使用時間，因線路簡單，出現(xiàn)故障的可能較低，能夠減少維修費用，實現(xiàn)在火災發(fā)生時照明的作用。

參考文獻

[1] 程凱韜，高 超. 基于無線應急燈系統(tǒng)的通信協(xié)議設計[J]. 杭州電子科技大學學報，2011，31（6）：1—2；

作者簡介

張磊磊，男，河南省偃師市，西南大學工程技術(shù)學院，2011級生，主要研究方向：機械設計。