一種基于介電彈性體陣列的能量轉換裝置

任貫華，陳 潔，崔春華，趙豐剛，李寶權

(新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

本文設計了一種利用介電彈性體發電單元組成陣列的能量轉換新型電機。介電彈性體作為電活性聚合物的一種，其工作模式有驅動器模式和發電機工作模式，這兩個模式正好是相逆過程：當介電彈性體工作在驅動器方式時，將電能轉換為機械能；當其工作在發電模式時，將機械能轉換為電能。介電彈性體具有高能量密度及很高的換能率，能量密度可達到3.4 J/g，電能轉換率可達60%～80%，其材料柔韌性好，質量小，價格低，且材料可靠性高，可承受反復400萬次的拉伸而有效發電。材料結構分為3層，中間選用聚丙烯酸作為介電彈性體材料，上、下兩層使用柔性電極材料[1-3]。

近年來對介電彈性體的研究發展迅速，利用介電彈性體的發電特性設計了多種形式的發電裝置。與傳統電機相比，介電彈性體發電裝置結構簡單，易安裝、維護，但因其裝置間未考慮介電彈性單元間的關聯性，且未通過整合介電彈性體單元組成陣列提高發電等級，裝置內部空間利用率低，在實際應用中受到很大的局限性。

本文針對其他電機設計的局限性，將介電彈性體制成發電單元，用發電單元組成發電陣列，解決國內在介電彈性體集中式，大規模發電領域的空白。此裝置重新進行設計，裝置利用風吹動葉片轉動，通過曲軸傳動，同時介電彈性體一邊固定在外殼內壁，一邊固定在曲軸外的軸承上，當曲軸進行轉動時，同時對介電彈性體進行拉伸，介電彈性體進行發電。研究其發電性能，對介電彈性體陣列發電進行可行性的驗證。

1 介電彈性體發電原理的探究

1.1 介電彈性體等效電容

介電彈性體發電單元的制作中,在介電彈性體表面涂抹柔性電極(DDG-A型)，在發電拉伸收縮過程中，發電單元相當于一個可變的電容，即

(1)

式中：ε為真空中的介電常數；d為材料厚度；S為其上、下表面積。電容與電荷量的關系為

(2)

式中：E為上、下表面的電場強度；Q為發電過程中上、下表面積上匯集的電荷量。介電彈性體體積為

V=S×d

(3)

由于VHB4910的泊松比為4.9，故可將VHB4910材料看作為不可壓縮材料，即V不變[4-6]。由式(1)、(3)可得C與d的關系：

(4)

式中k為靜電力常量。

由式(2)、(4)可得：

(5)

首先對材料進行拉伸，其上、下表面積增大(見圖1中過程Ⅰ)；對其進行高壓補充電荷，此時Q增大，d減小，(見圖1中過程Ⅱ)；斷開直流高壓電源，釋放拉力，材料受應力收縮，d增大，E增大，(見圖1中過程Ⅲ)。此時材料應力克服電場力做功，外界對電能進行收集，當材料收縮應力與電場力平衡時，材料恢復到原始狀態，放電完成，準備進入下一個發電周期，(見圖1中過程Ⅳ)。

圖1 介電彈性體發電微觀變化

1.2 介電彈性體發電量的換算

在介電彈性體發電的整個過程中，材料往復伸縮進行充、放電。當介電彈性體被拉伸充電后，由于體積不變，S變大，d減小，在上、下表面上施加高壓直流進行充電，相當于對電容進行充電，充電完成后材料的收縮應力克服靜電力做功，電荷聚集對外進行放電，相當于電容放電過程，電容為

(6)

式中：ε0為真空中介電常數；εc=4.7為材料絕緣常數。

材料受垂直于上、下表面方向上的應力為

(7)

將式(3)代入式(6)可得

(8)

由于上、下表面的電勢差：

(9)

將式(8)代入式(9)可得

(10)

即當Q、V、ε0、εc不變的情況下，通過材料應力使材料收縮，S減小，則電勢升高，即應力克服電勢能做功，電勢能升高[7]。電勢能為

(11)

在圖1過程Ⅲ～過程Ⅳ中進行電能的釋放，即1個循環下的發電量為

(12)

式中：U3，U4分別為發電單元克服電場力做功前、后的電壓值；C3、C4分別為其對應電壓下的相對相容。

1.3 介電彈性體并聯的可行性

在發電過程中，可間接認為介電彈性體是1個電容，由于介電彈性體發電量小，若想進一步探究其實用性，必須提高其發電量。電容并聯式總電容為

C總=CA+CB+…+CN

(13)

式中CA，CB，…，CN分別為介電彈性體陣列中的發電單元的等效電容,下標A、B、N等代表介電彈性體發電單元編號。將式(12)代入式(13)中，則介電彈性體陣列1個周期內發電量為

(14)

式中下角標3、4分別代表發電單元克服電場力做功前、后的狀態。

由式(14)可知，對介電彈性體進行并聯可有效提高設備發電量。

2 實驗平臺的設計

2.1 機械結構的設計

圖2為介電彈性體陣列風力發電裝置機械結構示意圖。固定在曲軸上的軸承可保證曲軸轉動時介電彈性體不會被纏繞，夾具用于固定介電彈性體發電單元。

圖2 機械結構示意圖

曲軸前端為風車，前端風車為曲軸旋轉及拉伸介電彈性體提供動力。曲軸中部設置兩組曲柄連桿，相位相差180°，如介電彈性體A與C，B與D。在連桿外套軸承，軸承上安置固定夾具，可將介電彈性體固定在軸承上，固定部件成180°角。后期拓展還可將固定部件設置為90°角，每個曲柄連桿上設置4個固定部件。設置多組介電彈性體同時工作。在發電機外殼內壁上同時設置固定夾具用于固定介電彈性體，該裝置設置了兩組曲柄連桿，界定兩組中拉伸狀態相同的介電彈性體發電單元組成一個發電陣列，后期可擴展曲柄連桿數量，進而擴展發電陣列所包含的發電單元數量。

當設計的發電機工作(見圖2)時，固定發電機基座。當自然風吹動風車，風車轉動帶動曲軸轉動，固定在曲軸軸承及發電機內壁上的介電彈性體被拉伸。由于發電機結構設計的因素，如介電彈性體A與B、C與D運動狀態相同，通過風車帶動曲軸進行反復拉伸運動，進而帶動介電彈性體進行發電[8]。

2.2 實驗電路原理

根據介電彈性體發電原理，當介電彈性體被拉伸后，進行直流高壓補充電荷，釋放拉力，介電彈性體收縮，電勢升高對外電路進行放電。設計電路分為高壓激勵電路與電能收集檢測電路兩部分。基本原理如圖3所示。開關S1控制高壓激勵電路，S2控制電能收集電路。介電彈性體各個狀態下對應的開關狀態如表1所示[9-10]。

圖3 試驗電路原理圖

表1 實驗開關順序

2.3 試驗裝置的選取

機械結構固定后，經計算得到介電彈性體最大拉伸量為20%，主要試驗儀器有示波器(TBS 1052B-EDU)、高壓發生器及模擬電路實驗箱(THM-1型)。介電彈性體選用3M公司的VHB4910丙烯酸橡膠，柔性電極采用長江牌DDG-A型導電膏[11-13]，試驗平臺如圖4所示。

圖4 試驗平臺

3 實驗結果

裝置連接外圍設備后進行試驗，表2為發電單元克服電場力做功前、后的相對電容值。表中，C3、C4分別為發電單元克服電場力做功前、后的相對電容值。表3為其發電單元在克服電場力做功工前、后的電壓值。

表2 發電單元克服電場力做功前、后的相對電容值

表3 發電單元克服電場力做功前、后的電壓值

由式(14)計算出其在1個發電周期過程中A的發電量為4.31 mJ，B的發電量為4.23 mJ，C的發電量為4.33 mJ，D的發電量為4.19 mJ，陣列A、B的發電量為8.54 mJ，陣列C、D的發電量為8.52 mJ。經過1個周期，其裝置發電總量為17.06 mJ。

4 結論

1) 通過對介電彈性體陣列發電設備的實際測試，有效地說明了對介電彈性體發電單元進行并聯整合的可行性。

2) 由于制作的介電彈性體發電單元工藝不足，不能保證介電彈性體材料面積與涂抹柔性電極有效面積等關鍵因素完全一致，故無法保證發電單元發電性能完全一致。因此，在陣列中各單元電壓與電容變化差異較大。放電時，陣列中的發電單元相互補充電荷和對外放電同時進行，從而造成電能損耗。

3) 對試驗裝置發電量進行計算可得，在單個周期中，兩組介電彈性體發電陣列的發電量均為17.06 mJ，表明其設計的裝置合理，能正常進行發電。