一種基于PVDF的雙發電系統的設計

　　1.4 壓電材料產能機理

　　壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。所謂正壓電效應，是指某些物質沿一個方向受到外力作用時，在其表面上便產生電荷，當外力去掉后，表面的電荷隨之消失。反之，如果將這種物質置于電場中，在電場作用下產生機械變形，當外電場去掉后，變形也隨之消失，這種現象稱之為逆壓電效應。準確地說，壓電發電技術是利用壓電材料的正壓電效應，將機械振動能量轉變為電能，實現發電的目的。

　　實際應用時為了增大輸出值，壓電材料往往需要用兩個或兩個以上串聯或并聯使用。并聯時，輸出電荷量大、電容大、時間常數大，適宜緩變信號作用和以電荷輸出的場合；串聯時，輸出電壓大、電容小、時間常數小，適宜高頻信號作用和以電壓輸出的場合。

　　1.5 高效壓電材料PVDF結構及其電性能

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

　　本設計利用PVDF的可延展性和壓電特性，建立壓電發電公路。

　　2 系統發電量分析

　　2.1 壓電材料產生電能的等效模型

　　為了詳細地了解壓電材料產生電荷的機理，本設計采用了有限元分析法，截取了一小塊壓電材料的一個截面進行受力及電荷產生的分析。圖3為一塊壓電材料的一個截面圖。

　　壓電元件在壓力作用下，會產生形變。由于壓電效應，壓電材料上下表面產生電荷，此時，壓電元件相當于一個電容，電容在兩極產生電荷后就儲存能量。

　　從電學角度來看，壓電元件可以簡化為一個正弦電流源iP（t），與內在的電極電容CP并聯。假設電流源與電極電容恒定，負載可調，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R=1/（CP）時，即外接負載電阻和壓電元件等效阻抗相匹配，負載吸收的能量最大。