基于壓電陶瓷的環(huán)保節(jié)能型取暖器的設計

馬玉鳳，董春芳，李 娟，楊梓煜，葉圣昕

(東北林業(yè)大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引言

嚴寒冬季，取暖產品備受人們青睞，從熱水袋到電加熱、化學劑加熱的取暖產品層出不窮，隨著取暖產品種類的增加，人們對其的要求也越來越高，是否節(jié)能環(huán)保、是否便于攜帶也成為了用戶選擇的首要條件。因此市場上一些便于攜帶的暖手寶、發(fā)熱貼成為了炙手可熱的取暖產品，這類產品雖滿足了用戶需求的功能性和方便性，但絕大部分都利用化學劑反應發(fā)熱或者采用電池和充電發(fā)熱，而利用化學劑發(fā)熱的一次性產品會嚴重污染環(huán)境，違背綠色環(huán)保概念，利用電能發(fā)熱是對能源的消耗，與節(jié)能理念相悖。同時，低溫燙傷等安全問題也使得人們對其望而卻步。

而本次設計的取暖器采用無源供電，利用能量收集裝置將環(huán)境中的動能轉換成電能。壓電材料在外力的作用下產生正壓電效應，從而產生電能，且利用壓電振動產生電能的這種壓電能量收集器具有功率密度大、結構簡單等特點。

該款取暖器還有兩個特點：一是可將人們日常生活中產生的機械能通過壓電陶瓷的正壓電效應轉化為電能，在此基礎上置有控溫裝置，以便外出工作或旅游的人攜帶。二是當人們在戶外取暖時，此時人體本身就是一個動力源，因此無需再尋找充電設備；控溫裝置除了能提高人們使用的舒適度，還能提高電能的利用率，符合當前節(jié)能環(huán)保要求。

2 整體方案設計

基于壓電陶瓷的自發(fā)熱可控溫取暖器的整體結構設計如圖1所示，主要包括壓電陶瓷自發(fā)電部分、穩(wěn)電部分、集電部分、控溫部分以及發(fā)熱部分等多種功模塊。該取暖器以壓電陶瓷自發(fā)電的電源為核心，通過收集穩(wěn)定后的電能為發(fā)熱材料提供電源，并通過控溫裝置實現(xiàn)溫度范圍的控制，不僅具有無外源供電的特點，還迎合了節(jié)能理念。

圖1 整體結構設計

2.1 整體電路原理設計

本產品是基于壓電陶瓷的自發(fā)電可控溫便攜式取暖器，設計過程中包括發(fā)電、集電、穩(wěn)電、控溫等一系列裝置中的物理量轉換過程，所以電路設計也是實現(xiàn)取暖器功能的一大重點，如圖2即為取暖器功能實現(xiàn)的整體結構原理電路圖。

2.2 壓電陶瓷自發(fā)電部分設計

本產品發(fā)電部分主要利用壓電陶瓷振動發(fā)電的性質。其利用的是壓電陶瓷的正壓電效應，壓電陶瓷在外力作用下產生電荷，從而將機械能轉換成電能。壓電陶瓷的正壓電效應就是當受到外力時會產生機械變形，從而產生電荷，而當外力去掉后又恢復至初始不帶電的狀態(tài)，例如人在行走過程中腳對地面產生壓力，腳離開地面又恢復原樣。本產品使用的PZT壓電陶瓷系統(tǒng)有非常強且穩(wěn)定的壓電性能。因為壓電陶瓷本身硬且脆，所以將壓電晶體與彈性體連接起來構成壓電振子，又因壓電振子振動產生大電壓以及少量電荷，故采用并聯(lián)方式的壓電堆疊。厚度伸縮的壓電振子堆疊比長度伸縮的壓電堆疊能承受更大的力，在壓電振子等量，壓電堆疊能承受的力達到最大的情況下，厚度伸縮的壓電堆疊能夠產生更大的電流。經初步研究，本產品可以在發(fā)電的同時發(fā)熱。以10 cm×5 cm的暖寶寶貼為例，從常溫加熱到40 ℃，發(fā)熱電阻絲碳纖維取規(guī)格為3K電阻為144 Ω/m，碳纖維比熱容取0.0008 J/(g·k)，只需6.73 s。

圖2 整體結構原理

2.3 發(fā)電部分構成

多片壓電陶瓷與1個開關串聯(lián)而成，壓電陶瓷通過身體部位的震動發(fā)電，開關控制壓電陶瓷的數(shù)量，以此來控制產生電能的多少。最后根據所需電流的大小、適當?shù)捏w積這兩個條件來確定壓電堆疊的層數(shù)n、厚度d、底面積A。如圖3所示。

圖3 壓電堆疊方式及內部結構示意圖

該款取暖器的自發(fā)電部分采用電極并聯(lián)雙壓電片懸臂梁結構，組成有壓電陶瓷片，以處于運動狀態(tài)中的質量塊作為梁的彈性材料，來接收施加的外力；將壓電陶瓷粘在具有一定彈性的基本材料上并貼在懸臂梁的自由端，以保證在受到外力時能產生足夠高的振動頻率，從而將產生的電流最大化。為使發(fā)電裝置能在較小的激勵強度和較寬的頻率范圍內具備更強的發(fā)電能力，即采用多片壓電振子發(fā)電。

聯(lián)接方式采用輸出電流較大的并聯(lián)聯(lián)接。此結構是將上下兩個陶瓷片引出了電極接到一起，相互短接，然后作為發(fā)電裝置的一個電極，另一個電極從金屬片上引出。

2.4 發(fā)電部分總體排布

壓電振子最主要的功能就是能量轉換，因為外加作用力決定發(fā)電能力，所以利用提高外加作用力的方式來提高壓電效率。本產品采用如下結構進行力的放大，以實現(xiàn)壓電效率的提高，如圖4所示。

圖4 發(fā)電部分整體排布

2.5 穩(wěn)電集電部分

壓電能量收集技術是利用壓電材料的壓電效應來產生電能。壓電能量的收集裝置結構是本產品的研究重點之一。本產品的壓電能量收集裝置具有體積小、結構簡單、無電磁干擾、易于加工制作的優(yōu)點。為了實現(xiàn)取暖器在使用過程中持續(xù)發(fā)電，需要對壓電陶瓷產生的交流電進行處理。首先，利用整流電路將壓電陶瓷振動產生的交流電轉化為直流電，但此時的波形并不穩(wěn)定，需要進一步進行濾波，接下來利用穩(wěn)壓裝置將濾波后的易突變電壓進行穩(wěn)定，經過處理后的電流最終被送入存儲電路中，實現(xiàn)穩(wěn)電集電。整流濾波電路如圖5所示。

倍壓整流電路可以將較低的交流電利用耐壓較高的整流作用，將電壓儲存在各自的電容上，然后按極性相加的原理串接起來，輸出高于輸入電壓的高壓。倍壓整流電路輸出的直流電壓波形還不夠好，因此需要濾波電路進行濾波以減小輸出電壓的紋波。在本系統(tǒng)設計中使用四倍壓整流電路，其電路上電容還起到濾波的作用，因此兼具整流和濾波的作用。

針對直流升壓電路，系統(tǒng)設計中選擇ME2111穩(wěn)壓芯片，它是一款高效率同步整流升壓DC/DC轉換器，只需要三個外圍器件(兩個電容，一個電感)。它的啟動電壓低，0.95 V以上就可以工作，效率可達到94%。

圖5 整流濾波電路

將電流進行整流、濾波、升壓后需要將電能儲存起來即能量儲存模塊。本產品采用HM4601芯片作為主控芯片，HM4601通過恒壓控制環(huán)和恒流控制環(huán)來調整鋰電池充電電壓和恒流充電電流，同時還集成了溫度保護、最大充電時間限制、輸出短路功能。

2.6 控溫部分

控溫裝置是針對于發(fā)熱層產生的熱量進行調整控制的裝置，也是該款取暖器的重點設計之一。

通過發(fā)電、穩(wěn)電集電部分的電流作用于發(fā)熱層，使其達到一定的溫度可供人們取暖，但是此時的溫度并不是最適合人體的舒適溫度。由于不在可控范圍內的溫度也會對人體造成傷害，例如低溫燙傷等，為解決這類問題，本產品在設計時內置控溫裝置，通過調節(jié)溫度控制器來控制上下限溫度，當發(fā)熱材料表面任意一點溫度達到上限溫度60 ℃時，溫度探頭感應到信號將其反饋給溫控器，溫控器減小輸出電流，從而使溫度下降；當溫度下降到下限溫度40 ℃時，溫度探頭反饋信號給溫控器使其增大電流，從而使溫度升高。通過這種信號反饋調節(jié)輸出電流來實現(xiàn)溫度的控制。

由于人體長時間接觸高于體溫的溫度會產生低溫燙傷的情況，所以采用耐熱層樹脂包裹發(fā)熱層線芯，在便攜式取暖器的最外層，也會采用絨布隔開皮膚和發(fā)熱部分，避免低溫燙傷。

3 結語

本文利用壓電陶瓷的正壓電效應，對其施加外界作用力，實現(xiàn)壓電發(fā)電，設計了一款自發(fā)電取暖器，并進行了相關理論的設計與分析。該款取暖器的發(fā)電部分采用懸臂梁結構，對壓電陶瓷進行施壓，高效率地產生大量電荷，再利用整流濾波電路及儲能裝置將收集到的電荷轉換成電流并儲存于電池，用于發(fā)熱層的使用。內置的控溫裝置將溫度控制在人體舒適溫度范圍內，可避免低溫燙傷這一安全問題。該款取暖器利用壓電陶瓷這一清潔能源實現(xiàn)了無源供電，綠色環(huán)保，使用便捷，符合節(jié)能環(huán)保理念，也達到了國家低碳環(huán)保的要求。