基于压力发电材料PZT的应急灯供电装置

摘 要：随着集成电路技术的快速发展，许多电子产品，包括应急灯中LED灯珠能耗越来越低，但在能量供给领域，依然采取着传统的供能方式，即利用化学能电池作为主要的能量供应装置。虽然化学能电池以方便的特点被广泛使用，但是其需要经常更换或充电、材料浪费、污染环境、回收困难等问题也日益突出。本文将通过研究发电的原理来开发一种基于PZT的新型应急发电装置。

关键词：压力发电；PZT陶瓷；应急供电

为了安全起见对消防应急灯的要求很高，但目前应急灯的主要部件电池都有使用寿命短且维修费用高的缺点。为此就需要研发新型的应急供电装置来解决这样的问题。

压电材料在外力作用下可以产生电荷（或电压），所产生的电能可以被直接利用制作电子打火机、煤气点火器等，但将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究近年来才刚刚开始。压电发电装置的优点在于结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的小型化、集成化等，具有十分广阔的应用前景。因此可以利用压电材料收集环境中的能量，将其转换成电能替代电池为这些微电子产品供电。

目前已知的压电材料有几十种，早期发现的压电材料主要是石英和电气石等一些单晶材料，以后发现了罗息盐等类铁电体以及一些生物体也具有压电性，不过这些早期的压电材料很难满足工业应用的要求，限制了压电技术的发展钛酸钡（BaTi03）陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电性能上也有了大幅度提高但钛酸钡的压电性随温度和时间的变化比石英晶体大，而压电性又比罗息盐弱，不能满足广泛的应用需求。到目前，pzt系陶瓷几乎已完全取代了之前的压电材料。压电陶瓷最大的特性是具有压电性，包括正压电性和逆压电性。实验表明，在低功率共振下，即使长时间振动，压电陶瓷性能始终不变，所以能够满足应急灯系统的供电需要。

通常压电装置的支撑有悬臂式、周边简支、周边固支、简支梁式。但由于在相同的外载荷下悬臂梁结构能够产生更大的变形和应变，且悬臂梁结构具有更低的共振频率，因此在装置中采用悬臂梁的支撑方式更合适。另一方面基于压电陶瓷的振动能量捕获技术的发电量较小，单层压电陶瓷结构难以满足应急灯照明的供电要求，为了提高产生的电量，并减少压电发电装置的体积，常把压电陶瓷并联或串联起来以构成双层压电振子。本篇采用的是串联双层压电振子。

电极串联的双压电片悬臂梁发电结构如图1所示，两片矩形压电晶体片胶合在金属垫片的两侧构成矩形梁，一端固定，电极被在梁的上下两面，梁的自由端受机械载荷作用时，梁身发生挠曲变形，电极就可以向外输出电能。目的是求解当梁的自由端受力作用，产生x方向挠度h=Hsin（ωt）时的输出参数表达式。

结语

上述提出的应急灯供电系统通过对灯具电源供电方式的改变，采用在应急灯附近的地板振动发电系统供电，可以简化应急灯的布置路线以及应急灯内部的电路结构，对供电线路也没有特殊要求，正常的供电线路故障并不会影响到应急灯供电线路。因此可以有效增加应急灯的使用时间，因线路简单，出现故障的可能较低，能够减少维修费用，实现在火灾发生时照明的作用。

参考文献

[1] 程凯韬，高 超. 基于无线应急灯系统的通信协议设计[J]. 杭州电子科技大学学报，2011，31（6）：1—2；

作者简介

张磊磊，男，河南省偃师市，西南大学工程技术学院，2011级生，主要研究方向：机械设计。