一種基于PVDF的雙發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1.4 壓電材料產(chǎn)能機(jī)理

　　壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng)，是指某些物質(zhì)沿一個(gè)方向受到外力作用時(shí)，在其表面上便產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，表面的電荷隨之消失。反之，如果將這種物質(zhì)置于電場(chǎng)中，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)。準(zhǔn)確地說(shuō)，壓電發(fā)電技術(shù)是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑢?shí)現(xiàn)發(fā)電的目的。

　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)為了增大輸出值，壓電材料往往需要用兩個(gè)或兩個(gè)以上串聯(lián)或并聯(lián)使用。并聯(lián)時(shí)，輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜緩變信號(hào)作用和以電荷輸出的場(chǎng)合；串聯(lián)時(shí)，輸出電壓大、電容小、時(shí)間常數(shù)小，適宜高頻信號(hào)作用和以電壓輸出的場(chǎng)合。

　　1.5 高效壓電材料PVDF結(jié)構(gòu)及其電性能

　　PVDF是目前壓電性能最優(yōu)的壓電材料之一，作為一種新型薄膜狀換能材料具有質(zhì)地輕軟、可繞性好、壓電特性好等特點(diǎn)。與目前常用的無(wú)機(jī)物壓電材料（如石英、壓電陶瓷類）相比，它還具有聲阻抗小、頻率響應(yīng)寬、介電常數(shù)小、耐沖擊性強(qiáng)，便于加工成任意形狀等優(yōu)點(diǎn)。

　　本設(shè)計(jì)利用PVDF的可延展性和壓電特性，建立壓電發(fā)電公路。

　　2 系統(tǒng)發(fā)電量分析

　　2.1 壓電材料產(chǎn)生電能的等效模型

　　為了詳細(xì)地了解壓電材料產(chǎn)生電荷的機(jī)理，本設(shè)計(jì)采用了有限元分析法，截取了一小塊壓電材料的一個(gè)截面進(jìn)行受力及電荷產(chǎn)生的分析。圖3為一塊壓電材料的一個(gè)截面圖。

　　壓電元件在壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生形變。由于壓電效應(yīng)，壓電材料上下表面產(chǎn)生電荷，此時(shí)，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電容，電容在兩極產(chǎn)生電荷后就儲(chǔ)存能量。

　　從電學(xué)角度來(lái)看，壓電元件可以簡(jiǎn)化為一個(gè)正弦電流源iP（t），與內(nèi)在的電極電容CP并聯(lián)。假設(shè)電流源與電極電容恒定，負(fù)載可調(diào)，由戴維南等效定理可得該電路的阻抗為：

　　可求出電路輸出電壓：

　　輸出功率：

　　當(dāng)R=1/（CP）時(shí)，即外接負(fù)載電阻和壓電元件等效阻抗相匹配，負(fù)載吸收的能量最大。