基于介電彈性體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 強(qiáng)，馬冬梅，崔紅娜，閆海琴，李晨光，馮毓鵬，喬 晴

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000）

介電彈性體（簡稱DE）是一種新型智能材料，典型代表有硅橡膠、3M公司生產(chǎn)的VHB4910薄膜等，該材料具有能量密度高、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量輕和變形大等特點(diǎn)，引起了眾多學(xué)者的研究興趣。一方面，DE可以在施加電場的情況下產(chǎn)生大變形，利用此特性可以制作驅(qū)動(dòng)器，目前比較火熱的研究方向是制作軟體機(jī)器人，如暢游在馬里亞納海溝的軟體機(jī)器魚[1]。另一方面，可以用DE來制造能量收集器（簡稱DEG），用來收集人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)能、海洋能和風(fēng)能等自然能源，憑借其高能量密度DE已然成為了最具潛力的能量收集材料之一。

本文聚焦于DE在能量收集領(lǐng)域的應(yīng)用，人類對能源的需求日益增長，然而煤炭、石油等化石能源的供能不僅帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，也很難再適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展。隨著全球日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)和不斷變化的能源需求，開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的綠色能源已成為國際社會(huì)普遍關(guān)注的問題。風(fēng)能是一種綠色能源，因其總儲(chǔ)量巨大、分布廣泛和可再生等特點(diǎn)，日益引起人們的關(guān)注，風(fēng)電行業(yè)已經(jīng)得到大力發(fā)展。中國作為風(fēng)能大國，在新能源發(fā)展戰(zhàn)略中，將風(fēng)電列為優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)。最初的風(fēng)力發(fā)電依據(jù)的是電磁感應(yīng)原理，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換效率較低及成本較高。隨著科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了利用壓電材料進(jìn)行發(fā)電的新方式，壓電換能是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、便于小型化和集成化等特點(diǎn)，但其造價(jià)較高，力學(xué)變形較小，不易采集大型能源[2]。近幾年，利用DE制造發(fā)電機(jī)已成為研究熱點(diǎn)，DE發(fā)電機(jī)最大優(yōu)勢是其高能量密度，理論上達(dá)到了3.4 J/g，遠(yuǎn)高于其他形式的發(fā)電機(jī)[3]。

DE發(fā)電機(jī)的發(fā)展有20多年的歷史，DE材料的研究先驅(qū)是Pelrine等[4]，其發(fā)現(xiàn)了DE的電致大變形并且設(shè)計(jì)了一種平面DEG，該DEG的能量密度達(dá)到了400 J/kg。哈佛大學(xué)Suo[5]課題組從能量角度利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)理論建立了DE的本構(gòu)關(guān)系。Chiba等[6]利用VHB4905材料設(shè)計(jì)了一種收集海洋能的DEG，該裝置在浪高0.5 m的條件下可產(chǎn)生50 W的功率。Huang等[7]通過等雙軸拉伸方式的設(shè)計(jì)，將VHB4905材料的DEG能量密度大幅提高到了560 J/kg。Shian等[8]優(yōu)化了Huang的DEG設(shè)計(jì)，證明其能量密度可以達(dá)到780 J/kg。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，Zhang等[9]設(shè)計(jì)了一種基于介電彈性體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其本質(zhì)是一種振動(dòng)沖擊式發(fā)電機(jī)，通過扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部剛性球的撞擊來拉伸或壓縮介電彈性體，達(dá)到能量收集的目的。根據(jù)計(jì)算此介電彈性體風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速3.99 m/s的情況下有0.7125 mw的功率。但是，就目前報(bào)道的DEG來看，最大能量密度還遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值，并且DEG的發(fā)電效率較低。因此，研發(fā)效率更高、能量密度更大的DEG便是學(xué)者們追求的目標(biāo)，本文旨在設(shè)計(jì)一種效率更高的風(fēng)力DEG，該風(fēng)力DEG擁有更大的功率和能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而為風(fēng)力DEG的商業(yè)化進(jìn)程作出貢獻(xiàn)。

1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

1.1 DE發(fā)電原理

DE材料其上、下2個(gè)表面都涂上柔性電極（如碳膏）后，其基本功能與可變電容器等效。DE的能量轉(zhuǎn)換分為“1張拉→2施加電荷→3卸載→4放電”4個(gè)階段，1階段薄膜拉伸變形至最大狀態(tài)，表面積增大，厚度變小，電容達(dá)到最大；2階段對電容器上下表面施加電壓，正負(fù)電荷流入柔性電極，結(jié)構(gòu)具有初始電勢能；3階段卸載，撤去外力，薄膜受到彈性恢復(fù)力和電場力共同作用，彈性恢復(fù)力大于電場力使薄膜發(fā)生回彈，電場力做負(fù)功，電能增大，完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化；4階段導(dǎo)出電荷，將電能進(jìn)行收集，材料進(jìn)入下一輪循環(huán)。通過上述的力電循環(huán)過程，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為了電能，據(jù)此原理便可設(shè)計(jì)DE發(fā)電機(jī)。

1.2 風(fēng)力DEG

根據(jù)DE發(fā)電原理設(shè)計(jì)DEG，主要技術(shù)過程為：利用風(fēng)能使風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)，通過內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)使介電彈性體做周期性的拉伸與壓縮運(yùn)動(dòng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行充放電，將產(chǎn)生的電能進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)“風(fēng)能—機(jī)械能—電能”的轉(zhuǎn)化。本文在充分借鑒前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的風(fēng)力DEG，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力DEG結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 結(jié)構(gòu)包括1-風(fēng)車，2-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，3-介電彈性體，4-隔板，5-連接桿件，6-機(jī)殼，7-軸承支座，8-U形連桿；齒輪傳遞機(jī)構(gòu)包括201-旋轉(zhuǎn)軸，202-從動(dòng)桿，203-固定桿，204-齒輪滑塊，205-滑槽，206-驅(qū)動(dòng)軸。風(fēng)車和從動(dòng)桿分別與旋轉(zhuǎn)軸的兩端相連，從動(dòng)桿的底端由鉚釘與固定桿相連接，在從動(dòng)桿上，設(shè)有2個(gè)垂直的導(dǎo)向槽（如圖2所示），用來連接旋轉(zhuǎn)軸與齒輪滑塊上的滑釘，齒輪滑塊與驅(qū)動(dòng)軸由齒輪嚙合連接。風(fēng)車旋轉(zhuǎn)時(shí)對從動(dòng)桿的驅(qū)動(dòng)，使齒輪滑塊在滑槽內(nèi)反復(fù)滑動(dòng)，并以此為動(dòng)力，使驅(qū)動(dòng)軸做半周期反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連接桿，連接桿與驅(qū)動(dòng)軸類似于曲柄連桿機(jī)構(gòu)，可以使介電彈性體進(jìn)行周期性的拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能。

圖2 從動(dòng)桿的結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)殼為風(fēng)車的主要保護(hù)部件，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和發(fā)電模塊均布置在機(jī)殼內(nèi)部。驅(qū)動(dòng)軸的兩側(cè)設(shè)置對稱分布的介電彈性體發(fā)電單元，共12個(gè)發(fā)電單元；每個(gè)介電彈性體發(fā)電單元包括2個(gè)介電彈性體模塊，共24個(gè)介電彈性體模塊，介電彈性體模塊個(gè)數(shù)的設(shè)置可以根據(jù)機(jī)殼的大小任意調(diào)整，本文以24個(gè)為例。相鄰2個(gè)介電彈性體模塊之間設(shè)置隔板并通過U形連桿連接，介電彈性體單元的隔板與機(jī)殼的連接。各介電彈性體薄膜的2個(gè)表面均涂有柔性電極層并與電源相連。

工作時(shí)，風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)至從動(dòng)桿與旋轉(zhuǎn)軸圓盤切線平行時(shí)，齒輪滑塊會(huì)向左運(yùn)動(dòng)到最大位置，此時(shí)介電彈性體均被拉伸或壓縮到最大位置，相鄰介電彈性體模塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相反。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度持續(xù)增加，從動(dòng)桿將繞鉚釘沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊向右側(cè)滑動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)軸沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，介電彈性體模塊將被壓縮或拉伸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為180°時(shí)，介電彈性體模塊恢復(fù)至原長。此時(shí)，每個(gè)介電彈性體模塊都已進(jìn)行一次“拉伸—壓縮”（或“壓縮—拉伸”）運(yùn)動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度從180°增加到360°時(shí)，每個(gè)介電彈性體模塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都與從0°轉(zhuǎn)到180°過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相反。并且轉(zhuǎn)到360°時(shí)再次恢復(fù)原長。此時(shí)每個(gè)介電彈性體模塊又發(fā)生一次“拉伸—壓縮”（或“壓縮—拉伸”）運(yùn)動(dòng)。從以上描述可以看出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周（360°）后，每個(gè)介電彈性體都會(huì)經(jīng)歷2次周期運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到使介電彈性體進(jìn)行周期性拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)的目的，并通過其自身的性質(zhì)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

2 介電彈性體拉伸距離計(jì)算

本文的風(fēng)力DEG通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以順利地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為使介電彈性體拉伸與壓縮的機(jī)械能，根據(jù)介電彈性體的發(fā)電原理，介電彈性體的拉伸與壓縮幅度與發(fā)電量密切相關(guān)，拉伸幅度越大，DEG的電容變化越大，就能夠存儲(chǔ)更多的電能。因此，需要計(jì)算出本DEG中介電彈性體的拉伸距離。

首先，風(fēng)車葉片的大小可以根據(jù)輸入機(jī)械能的要求進(jìn)行調(diào)整。其次，旋轉(zhuǎn)軸上銷釘?shù)霓D(zhuǎn)旋半徑可以根據(jù)不同的工況進(jìn)行調(diào)整，旋轉(zhuǎn)軸上銷釘?shù)男D(zhuǎn)半徑越大，從動(dòng)桿的擺動(dòng)幅度也越大，進(jìn)而使驅(qū)動(dòng)軸的擺動(dòng)幅度增加，驅(qū)動(dòng)軸與介電彈性體模塊的連接如圖3所示，該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的作用與曲柄連桿機(jī)構(gòu)類似，都是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，區(qū)別在于本文中的驅(qū)動(dòng)軸做周期性的擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸的擺動(dòng)幅度越大，DE模塊的拉伸距離越大。風(fēng)車和齒輪機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際工況及工廠的生產(chǎn)能力進(jìn)行確定，本文主要關(guān)注驅(qū)動(dòng)軸與介電彈性體模塊的連接部分，由于結(jié)構(gòu)對稱，將該部分取1/4進(jìn)行簡化分析，如圖4所示，設(shè)其中2桿的長度相等，令桿長為L，則介電彈性體的最大移動(dòng)距離s為

圖3 DE模塊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖4 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍

假設(shè)L為100 mm。根據(jù)公式（1）可以確定介電彈性體最大拉伸距離約為73.2 mm。拉伸距離為連接桿長度的73.2%，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要拉伸的距離來配置連接桿長度。

3 結(jié)論

與其他形式的發(fā)電機(jī)和已有的風(fēng)力DEG相比，本文的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有以下優(yōu)勢。

1）本發(fā)電機(jī)利用新型智能材料DE進(jìn)行發(fā)電和由于材料本身具有疲勞壽命高、成本低、能量密度高和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，致使DEG能夠擁有成本低、能量密度高等優(yōu)勢，該發(fā)電機(jī)有著巨大的研究價(jià)值和廣闊的商業(yè)前景。

2）風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，本發(fā)電機(jī)利用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，結(jié)構(gòu)新穎且實(shí)用。本發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)性，調(diào)節(jié)性體現(xiàn)在2個(gè)方面，一是旋轉(zhuǎn)軸上銷釘?shù)霓D(zhuǎn)旋半徑和從動(dòng)桿長度可調(diào)節(jié)，二是連接桿長度可調(diào)節(jié)。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，可以增大介電彈性體的拉伸和壓縮幅度，增大介電彈性體的變形，提高其發(fā)電量。

3）本發(fā)電機(jī)可以根據(jù)需要放置介電彈性體模塊，每個(gè)介電彈性體模塊又可以根據(jù)需要放置多個(gè)DE薄膜，越多的DE，意味著更高的發(fā)電效率及更大的發(fā)電量。

本發(fā)電機(jī)能夠提高風(fēng)力DE發(fā)電機(jī)的發(fā)電量和發(fā)電效率，降低化石燃料消耗對環(huán)境的污染，對新型可再生能源和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展都有一定的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，與國家的新能源發(fā)展戰(zhàn)略相適應(yīng)。本文對介電彈性體風(fēng)力發(fā)電機(jī)只進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并未對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然有很多成熟的電路設(shè)計(jì)可以借鑒，但是設(shè)計(jì)一個(gè)與本文中機(jī)械結(jié)構(gòu)相匹配的電路系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步提高發(fā)電效率，電路設(shè)計(jì)是需要努力的方向。