基于壓電陶瓷的環(huán)保節(jié)能型取暖器的設(shè)計

馬玉鳳，董春芳，李 娟，楊梓煜，葉圣昕

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引言

嚴寒冬季，取暖產(chǎn)品備受人們青睞，從熱水袋到電加熱、化學(xué)劑加熱的取暖產(chǎn)品層出不窮，隨著取暖產(chǎn)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(chǎn)品，這類產(chǎn)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(xué)劑反應(yīng)發(fā)熱或者采用電池和充電發(fā)熱，而利用化學(xué)劑發(fā)熱的一次性產(chǎn)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(shè)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(zhuǎn)換成電能。壓電材料在外力的作用下產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，從而產(chǎn)生電能，且利用壓電振動產(chǎn)生電能的這種壓電能量收集器具有功率密度大、結(jié)構(gòu)簡單等特點。

該款取暖器還有兩個特點：一是可將人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的機械能通過壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，在此基礎(chǔ)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(shè)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(shè)計

基于壓電陶瓷的自發(fā)熱可控溫取暖器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體電路原理設(shè)計

本產(chǎn)品是基于壓電陶瓷的自發(fā)電可控溫便攜式取暖器，設(shè)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(zhuǎn)換過程，所以電路設(shè)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(jié)構(gòu)原理電路圖。

2.2 壓電陶瓷自發(fā)電部分設(shè)計

本產(chǎn)品發(fā)電部分主要利用壓電陶瓷振動發(fā)電的性質(zhì)。其利用的是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在外力作用下產(chǎn)生電荷，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)就是當受到外力時會產(chǎn)生機械變形，從而產(chǎn)生電荷，而當外力去掉后又恢復(fù)至初始不帶電的狀態(tài)，例如人在行走過程中腳對地面產(chǎn)生壓力，腳離開地面又恢復(fù)原樣。本產(chǎn)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(gòu)成壓電振子，又因壓電振子振動產(chǎn)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(chǎn)生更大的電流。經(jīng)初步研究，本產(chǎn)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(jié)構(gòu)原理

2.3 發(fā)電部分構(gòu)成

多片壓電陶瓷與1個開關(guān)串聯(lián)而成，壓電陶瓷通過身體部位的震動發(fā)電，開關(guān)控制壓電陶瓷的數(shù)量，以此來控制產(chǎn)生電能的多少。最后根據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，組成有壓電陶瓷片，以處于運動狀態(tài)中的質(zhì)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(chǎn)生足夠高的振動頻率，從而將產(chǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(chǎn)品采用如下結(jié)構(gòu)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(shù)是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來產(chǎn)生電能。壓電能量的收集裝置結(jié)構(gòu)是本產(chǎn)品的研究重點之一。本產(chǎn)品的壓電能量收集裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)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(jīng)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)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(diào)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(chǎn)生的熱量進行調(diào)整控制的裝置，也是該款取暖器的重點設(shè)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?nèi)∨谴藭r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(nèi)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(chǎn)品在設(shè)計時內(nèi)置控溫裝置，通過調(diào)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(yīng)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(diào)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(chǎn)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(jié)語

本文利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，對其施加外界作用力，實現(xiàn)壓電發(fā)電，設(shè)計了一款自發(fā)電取暖器，并進行了相關(guān)理論的設(shè)計與分析。該款取暖器的發(fā)電部分采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，對壓電陶瓷進行施壓，高效率地產(chǎn)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(zhuǎn)換成電流并儲存于電池，用于發(fā)熱層的使用。內(nèi)置的控溫裝置將溫度控制在人體舒適溫度范圍內(nèi)，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。