一种基于PVDF的双发电系统的设计

引言

　　在国家和社会，近年来的工作重心之一，便是节能减排了。如何合理利用资源、有效保护资源，是每一个人义不容辞的社会责任。而当前节能减排的重点在于实现技术节能，由于压电材料具有优良的特性，国内外对压电材料的研究较多。因对压电发电技术的研究较少，故压电发电技术必将成为未来的发展趋势，然而压电材料具有产生电量少，且不连续等难题，本研究为解决此难题，把压电材料发电技术与无线传感器结合，监测压电材料振动以使其振动能量的储存达到最大化，实现发电，为节能减排作出重大的贡献。

　　1 整体方案设计

　　1.1 系统整体结构框图设计

　　首先设计系统的整体工作流程图，以便为设计思路提供理论上的依据，以保障系统高效、有序地实施。系统的整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构框图

　　1.2 系统发电的工作原理

　　充分利用日常生活中普遍存在的运动压力和空气压力双作用于压电材料PVDF,由其压电效应便可快捷地产生电荷。一方面通过运动压力挤压压电材料PVDF，进行一次发电；另一方面利用活塞连杆装置压缩空气，作用于PVDF,产生的压力进行二次发电，大大地提高压电材料的发电效率。然后通过超低输入升压电路，可对外输出较高电压，再通过储能电路，形成稳定的电压对可充电电池充电，最后由密排电池组集中对外供电。

　　1.3 系统主体结构设计

　　在公路路面下铺设一段压电材料聚偏氟乙烯（PVDF）或是直接的压电材料路面，压电材料通过防压弹簧进行复位与保护。由于压电材料具有很好的绝缘性，故在其表面镀一层金属层，然后接引线，便于将系统产生的电荷导出。此外，相邻的四块压电应变片通过无线传感器，进行高效、迅速的实时监测，便于电能的实时收集。压电材料膜片下接活塞压缩缸，即为空气压缩系统部分；压缩缸下面安装有薄膜气缸，压缩空气进入薄膜气缸作用于压电材料，此为二次发电部分。系统主体部分的结构图如图2所示。

图2 系统主体部分结构图

　　1.4 压电材料产能机理

　　压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应，是指某些物质沿一个方向受到外力作用时，在其表面上便产生电荷，当外力去掉后，表面的电荷随之消失。反之，如果将这种物质置于电场中，在电场作用下产生机械变形，当外电场去掉后，变形也随之消失，这种现象称之为逆压电效应。准确地说，压电发电技术是利用压电材料的正压电效应，将机械振动能量转变为电能，实现发电的目的。

　　实际应用时为了增大输出值，压电材料往往需要用两个或两个以上串联或并联使用。并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜缓变信号作用和以电荷输出的场合；串联时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜高频信号作用和以电压输出的场合。

　　1.5 高效压电材料PVDF结构及其电性能

　　PVDF是目前压电性能最优的压电材料之一，作为一种新型薄膜状换能材料具有质地轻软、可绕性好、压电特性好等特点。与目前常用的无机物压电材料（如石英、压电陶瓷类）相比，它还具有声阻抗小、频率响应宽、介电常数小、耐冲击性强，便于加工成任意形状等优点。

　　本设计利用PVDF的可延展性和压电特性，建立压电发电公路。

　　2 系统发电量分析

　　2.1 压电材料产生电能的等效模型

　　为了详细地了解压电材料产生电荷的机理，本设计采用了有限元分析法，截取了一小块压电材料的一个截面进行受力及电荷产生的分析。图3为一块压电材料的一个截面图。

　　压电元件在压力作用下，会产生形变。由于压电效应，压电材料上下表面产生电荷，此时，压电元件相当于一个电容，电容在两极产生电荷后就储存能量。

　　从电学角度来看，压电元件可以简化为一个正弦电流源iP（t），与内在的电极电容CP并联。假设电流源与电极电容恒定，负载可调，由戴维南等效定理可得该电路的阻抗为：

　　可求出电路输出电压：

　　输出功率：

　　当R=1/（CP）时，即外接负载电阻和压电元件等效阻抗相匹配，负载吸收的能量最大。

　　2.2 压电材料施力模式及电能计算

　　在实际使用压电材料时，通常采用如下两种施加力的方式：31模式和33模式。31模式表示坐标3方向施加应用，坐标1输出能量；33模式表示坐标3施加应用，坐标3输出能量，如图4所示。由于使用模式33时可以获得更大的输出功率，因此本设计采用33模式进行设计计算。

　　在外界压力作用下的压电材料产生的电荷和电压为：

　　将压电材料等效为一个电容，其储能公式是：

　　式中：d33为压电材料的压电常数；F为作用在压电材料表面的应力；Afp是作用力施加的区域；l,w和t分别是压电材料的长、宽和厚度；r为压电材料的相对介电常数；0为真空介电常数。

　　3 系统电路的设计

3.1 无线传感控制系统