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(yīng)急燈中LED燈珠能耗越來(lái)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(xué)能電池作為主要的能量供應(yīng)裝置。雖然化學(xué)能電池以方便的特點(diǎn)被廣泛使用，但是其需要經(jīng)常更換或充電、材料浪費(fèi)、污染環(huán)境、回收困難等問(wèn)題也日益突出。本文將通過(guò)研究發(fā)電的原理來(lái)開(kāi)發(fā)一種基于PZT的新型應(yīng)急發(fā)電裝置。

關(guān)鍵詞：壓力發(fā)電；PZT陶瓷；應(yīng)急供電

為了安全起見(jiàn)對(duì)消防應(yīng)急燈的要求很高，但目前應(yīng)急燈的主要部件電池都有使用壽命短且維修費(fèi)用高的缺點(diǎn)。為此就需要研發(fā)新型的應(yīng)急供電裝置來(lái)解決這樣的問(wèn)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(jī)、煤氣點(diǎn)火器等，但將這部分電荷收集、儲(chǔ)存起來(lái)用作驅(qū)動(dòng)微功率電器的電源的研究近年來(lái)才剛剛開(kāi)始。壓電發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾、易于加工制作和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的小型化、集成化等，具有十分廣闊的應(yīng)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(guò)這些早期的壓電材料很難滿足工業(yè)應(yīng)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(jìn)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(shí)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(yīng)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(shí)驗(yàn)表明，在低功率共振下，即使長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)，壓電陶瓷性能始終不變，所以能夠滿足應(yīng)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(jiǎn)支、周邊固支、簡(jiǎn)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(yīng)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(dòng)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(yīng)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(lái)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(jī)械載荷作用時(shí)，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(dāng)梁的自由端受力作用，產(chǎn)生x方向撓度h=Hsin（ωt）時(shí)的輸出參數(shù)表達(dá)式。

結(jié)語(yǔ)

上述提出的應(yīng)急燈供電系統(tǒng)通過(guò)對(duì)燈具電源供電方式的改變，采用在應(yīng)急燈附近的地板振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)供電，可以簡(jiǎn)化應(yīng)急燈的布置路線以及應(yīng)急燈內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，對(duì)供電線路也沒(méi)有特殊要求，正常的供電線路故障并不會(huì)影響到應(yīng)急燈供電線路。因此可以有效增加應(yīng)急燈的使用時(shí)間，因線路簡(jiǎn)單，出現(xiàn)故障的可能較低，能夠減少維修費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)照明的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 程凱韜，高 超. 基于無(wú)線應(yīng)急燈系統(tǒng)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)[J]. 杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（6）：1—2；

作者簡(jiǎn)介

張磊磊，男，河南省偃師市，西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，2011級(jí)生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。