一種基于介電彈性體陣列的能量轉(zhuǎn)換裝置

任貫華，陳 潔，崔春華，趙豐剛，李寶權(quán)

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

本文設(shè)計(jì)了一種利用介電彈性體發(fā)電單元組成陣列的能量轉(zhuǎn)換新型電機(jī)。介電彈性體作為電活性聚合物的一種，其工作模式有驅(qū)動(dòng)器模式和發(fā)電機(jī)工作模式，這兩個(gè)模式正好是相逆過(guò)程：當(dāng)介電彈性體工作在驅(qū)動(dòng)器方式時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；當(dāng)其工作在發(fā)電模式時(shí)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(dá)到3.4 J/g，電能轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%～80%，其材料柔韌性好，質(zhì)量小，價(jià)格低，且材料可靠性高，可承受反復(fù)400萬(wàn)次的拉伸而有效發(fā)電。材料結(jié)構(gòu)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(lái)對(duì)介電彈性體的研究發(fā)展迅速，利用介電彈性體的發(fā)電特性設(shè)計(jì)了多種形式的發(fā)電裝置。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，介電彈性體發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易安裝、維護(hù)，但因其裝置間未考慮介電彈性單元間的關(guān)聯(lián)性，且未通過(guò)整合介電彈性體單元組成陣列提高發(fā)電等級(jí)，裝置內(nèi)部空間利用率低，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的局限性。

本文針對(duì)其他電機(jī)設(shè)計(jì)的局限性，將介電彈性體制成發(fā)電單元，用發(fā)電單元組成發(fā)電陣列，解決國(guó)內(nèi)在介電彈性體集中式，大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域的空白。此裝置重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝置利用風(fēng)吹動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)曲軸傳動(dòng)，同時(shí)介電彈性體一邊固定在外殼內(nèi)壁，一邊固定在曲軸外的軸承上，當(dāng)曲軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)對(duì)介電彈性體進(jìn)行拉伸，介電彈性體進(jìn)行發(fā)電。研究其發(fā)電性能，對(duì)介電彈性體陣列發(fā)電進(jìn)行可行性的驗(yàn)證。

1 介電彈性體發(fā)電原理的探究

1.1 介電彈性體等效電容

介電彈性體發(fā)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(fā)電拉伸收縮過(guò)程中，發(fā)電單元相當(dāng)于一個(gè)可變的電容，即

(1)

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

(2)

式中：E為上、下表面的電場(chǎng)強(qiáng)度；Q為發(fā)電過(guò)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(guān)系：

(4)

式中k為靜電力常量。

由式(2)、(4)可得：

(5)

首先對(duì)材料進(jìn)行拉伸，其上、下表面積增大(見(jiàn)圖1中過(guò)程Ⅰ)；對(duì)其進(jìn)行高壓補(bǔ)充電荷，此時(shí)Q增大，d減小，(見(jiàn)圖1中過(guò)程Ⅱ)；斷開(kāi)直流高壓電源，釋放拉力，材料受應(yīng)力收縮，d增大，E增大，(見(jiàn)圖1中過(guò)程Ⅲ)。此時(shí)材料應(yīng)力克服電場(chǎng)力做功，外界對(duì)電能進(jìn)行收集，當(dāng)材料收縮應(yīng)力與電場(chǎng)力平衡時(shí)，材料恢復(fù)到原始狀態(tài)，放電完成，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)發(fā)電周期，(見(jiàn)圖1中過(guò)程Ⅳ)。

圖1 介電彈性體發(fā)電微觀變化

1.2 介電彈性體發(fā)電量的換算

在介電彈性體發(fā)電的整個(gè)過(guò)程中，材料往復(fù)伸縮進(jìn)行充、放電。當(dāng)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(jìn)行充電，相當(dāng)于對(duì)電容進(jìn)行充電，充電完成后材料的收縮應(yīng)力克服靜電力做功，電荷聚集對(duì)外進(jìn)行放電，相當(dāng)于電容放電過(guò)程，電容為

(6)

式中：ε0為真空中介電常數(shù)；εc=4.7為材料絕緣常數(shù)。

材料受垂直于上、下表面方向上的應(yīng)力為

(7)

將式(3)代入式(6)可得

(8)

由于上、下表面的電勢(shì)差：

(9)

將式(8)代入式(9)可得

(10)

即當(dāng)Q、V、ε0、εc不變的情況下，通過(guò)材料應(yīng)力使材料收縮，S減小，則電勢(shì)升高，即應(yīng)力克服電勢(shì)能做功，電勢(shì)能升高[7]。電勢(shì)能為

(11)

在圖1過(guò)程Ⅲ～過(guò)程Ⅳ中進(jìn)行電能的釋放，即1個(gè)循環(huán)下的發(fā)電量為

(12)

式中：U3，U4分別為發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的電壓值；C3、C4分別為其對(duì)應(yīng)電壓下的相對(duì)相容。

1.3 介電彈性體并聯(lián)的可行性

在發(fā)電過(guò)程中，可間接認(rèn)為介電彈性體是1個(gè)電容，由于介電彈性體發(fā)電量小，若想進(jìn)一步探究其實(shí)用性，必須提高其發(fā)電量。電容并聯(lián)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(fā)電單元的等效電容,下標(biāo)A、B、N等代表介電彈性體發(fā)電單元編號(hào)。將式(12)代入式(13)中，則介電彈性體陣列1個(gè)周期內(nèi)發(fā)電量為

(14)

式中下角標(biāo)3、4分別代表發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的狀態(tài)。

由式(14)可知，對(duì)介電彈性體進(jìn)行并聯(lián)可有效提高設(shè)備發(fā)電量。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖2為介電彈性體陣列風(fēng)力發(fā)電裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。固定在曲軸上的軸承可保證曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)介電彈性體不會(huì)被纏繞，夾具用于固定介電彈性體發(fā)電單元。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

曲軸前端為風(fēng)車(chē)，前端風(fēng)車(chē)為曲軸旋轉(zhuǎn)及拉伸介電彈性體提供動(dòng)力。曲軸中部設(shè)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(shè)置為90°角，每個(gè)曲柄連桿上設(shè)置4個(gè)固定部件。設(shè)置多組介電彈性體同時(shí)工作。在發(fā)電機(jī)外殼內(nèi)壁上同時(shí)設(shè)置固定夾具用于固定介電彈性體，該裝置設(shè)置了兩組曲柄連桿，界定兩組中拉伸狀態(tài)相同的介電彈性體發(fā)電單元組成一個(gè)發(fā)電陣列，后期可擴(kuò)展曲柄連桿數(shù)量，進(jìn)而擴(kuò)展發(fā)電陣列所包含的發(fā)電單元數(shù)量。

當(dāng)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)工作(見(jiàn)圖2)時(shí)，固定發(fā)電機(jī)基座。當(dāng)自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)車(chē)，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在曲軸軸承及發(fā)電機(jī)內(nèi)壁上的介電彈性體被拉伸。由于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素，如介電彈性體A與B、C與D運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，通過(guò)風(fēng)車(chē)帶動(dòng)曲軸進(jìn)行反復(fù)拉伸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)介電彈性體進(jìn)行發(fā)電[8]。

2.2 實(shí)驗(yàn)電路原理

根據(jù)介電彈性體發(fā)電原理，當(dāng)介電彈性體被拉伸后，進(jìn)行直流高壓補(bǔ)充電荷，釋放拉力，介電彈性體收縮，電勢(shì)升高對(duì)外電路進(jìn)行放電。設(shè)計(jì)電路分為高壓激勵(lì)電路與電能收集檢測(cè)電路兩部分?；驹砣鐖D3所示。開(kāi)關(guān)S1控制高壓激勵(lì)電路，S2控制電能收集電路。介電彈性體各個(gè)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所示[9-10]。

圖3 試驗(yàn)電路原理圖

表1 實(shí)驗(yàn)開(kāi)關(guān)順序

2.3 試驗(yàn)裝置的選取

機(jī)械結(jié)構(gòu)固定后，經(jīng)計(jì)算得到介電彈性體最大拉伸量為20%，主要試驗(yàn)儀器有示波器(TBS 1052B-EDU)、高壓發(fā)生器及模擬電路實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)江牌DDG-A型導(dǎo)電膏[11-13]，試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

裝置連接外圍設(shè)備后進(jìn)行試驗(yàn)，表2為發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的相對(duì)電容值。表中，C3、C4分別為發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的相對(duì)電容值。表3為其發(fā)電單元在克服電場(chǎng)力做功工前、后的電壓值。

表2 發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的相對(duì)電容值

表3 發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的電壓值

由式(14)計(jì)算出其在1個(gè)發(fā)電周期過(guò)程中A的發(fā)電量為4.31 mJ，B的發(fā)電量為4.23 mJ，C的發(fā)電量為4.33 mJ，D的發(fā)電量為4.19 mJ，陣列A、B的發(fā)電量為8.54 mJ，陣列C、D的發(fā)電量為8.52 mJ。經(jīng)過(guò)1個(gè)周期，其裝置發(fā)電總量為17.06 mJ。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)介電彈性體陣列發(fā)電設(shè)備的實(shí)際測(cè)試，有效地說(shuō)明了對(duì)介電彈性體發(fā)電單元進(jìn)行并聯(lián)整合的可行性。

2) 由于制作的介電彈性體發(fā)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(guān)鍵因素完全一致，故無(wú)法保證發(fā)電單元發(fā)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(shí)，陣列中的發(fā)電單元相互補(bǔ)充電荷和對(duì)外放電同時(shí)進(jìn)行，從而造成電能損耗。

3) 對(duì)試驗(yàn)裝置發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算可得，在單個(gè)周期中，兩組介電彈性體發(fā)電陣列的發(fā)電量均為17.06 mJ，表明其設(shè)計(jì)的裝置合理，能正常進(jìn)行發(fā)電。