介電彈性體風(fēng)能回收裝置設(shè)計(jì)

劉志運(yùn)，江澤華

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，廣東 廣州 510430；2.五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020）

1 前言

介電彈性體屬于電活性聚合物的一種，介電彈性體在工作過程中有驅(qū)動和發(fā)電兩個(gè)模式過程，驅(qū)動和發(fā)電是有序進(jìn)行。當(dāng)介電彈性體收集電能時(shí)，外部的能量使介電彈性體發(fā)生拉伸形變?yōu)榻殡姀椥泽w的驅(qū)動模式；當(dāng)介電彈性體輸出電能時(shí)，介電彈性體收縮形變將動能轉(zhuǎn)換為電能，為介電彈性體的發(fā)電模式。介電彈性體材料特性具有良好的拉伸、收縮柔韌性、成本低、質(zhì)量小。介電彈性體分三層，其中上、下兩層為柔性電極材料能更好地補(bǔ)充電荷量，中間層為介電彈性體有很好的柔性形變，如圖1所示。傳統(tǒng)收集環(huán)境中能量的方式有電磁式、靜止電式、壓電式技術(shù)，結(jié)合三種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用介電彈性體發(fā)電原理，介電彈性體可作為可變電容，而該電容不僅可以收集環(huán)境中能量，還可以濾除轉(zhuǎn)化電能中的交流分量，使其產(chǎn)生的電壓保持相對穩(wěn)定，有利于電能的收集與存儲。

圖1 介電彈性體結(jié)構(gòu)

2 介電彈性體的發(fā)電原理

2．1 介電彈性體發(fā)電的形變過程

介電彈性體風(fēng)能回收裝置，當(dāng)風(fēng)能作用下，風(fēng)能驅(qū)動風(fēng)扇葉片帶動曲柄軸轉(zhuǎn)動，曲柄軸轉(zhuǎn)動驅(qū)動推桿往復(fù)運(yùn)動，推桿回程力F1使介電彈性體處于拉伸狀態(tài)，介電彈性體的周圍側(cè)面表面積縮小，上、下表面積伸張，使材料的上、下表面柔性電極電荷得到直流高壓補(bǔ)充，即Q在發(fā)電過程中上、下表面匯集的電荷量增大，材料厚度d減小至d1，為該材料的驅(qū)動過程，如圖2(a)所示。當(dāng)介電彈性體上、下表面電荷量增大到最大時(shí)，斷開直流高壓電源，推桿沖程力F2使介電彈性體收縮，材料厚度d1增大至d，其上、下表面的柔性電極電場強(qiáng)度E增大，為該材料發(fā)電過程，如圖2(b)所示。當(dāng)介電彈性體的應(yīng)力與電場力達(dá)到平衡時(shí)，該材料恢復(fù)原始狀態(tài)，將進(jìn)行下一個(gè)周期的能量收集、輸出過程。

圖2 介電彈性體發(fā)電原理

2．2 電容式技術(shù)

普通電容設(shè)置在電路中，通電時(shí)相當(dāng)于斷開電路，電源給電容充電，電路斷電時(shí)電容放電。介電彈性體材料可看作可變電容，該材料上、下表面鋪設(shè)柔性電極。風(fēng)力驅(qū)動使介電彈性體處于拉伸狀態(tài)收集能量，電路接通，能量收集后斷開電路，介電彈性體處于收縮狀態(tài)輸出電能?？勺冸娙?，即：

式（1）中：C為介電彈性體等效電容；ε為真空中的介電常數(shù)；S為介電彈性體上、下表面積；d為該材料厚度；k為一個(gè)靜電力常量這個(gè)常量。電容與電荷之間的關(guān)系，即：

式（2）中：E為介電彈性體上、下表面的電場強(qiáng)度；Q為發(fā)電過程中該材料上、下表面匯集的電荷量。設(shè)材料體積 體V，即：

由（1）、（3）公式聯(lián)立可知該材料的電容C為：

由（2）、（4）公式聯(lián)立可知介電彈性體上、下表面電場強(qiáng)度E為：

3 介電彈性體發(fā)電量的計(jì)算

介電彈性體在充電和放電過程中，即拉伸和收縮過程，相當(dāng)于電容的充電和放電過程，電路中兩個(gè)介電彈性體材料并聯(lián)設(shè)計(jì)，收集能量和輸出電能分階段進(jìn)行，利用電容的公式推算出該材料輸出的電量為：

式中：Q為介電彈性體上、下表面電荷量；I為介電彈性體輸出電流，負(fù)號表示差值的減少，取值t為時(shí)間。輸出電流與電荷量的關(guān)系為：

將公式（6）、（7）聯(lián)立可得：

將公式（8）兩邊積分得：

式中，0Q為介電彈性體初始電荷量，Q為末端電荷量，得介電彈性體輸出電量Q為：

公式（4）代入公式（10）可得經(jīng)過一次循環(huán)后介電彈性體輸出的電量Q為：

4 介電彈性體在并聯(lián)電路發(fā)電的可行性

單個(gè)介電彈性體發(fā)電量少，則需多個(gè)介電彈性體在電路中并聯(lián)設(shè)置分階段同時(shí)發(fā)生形變工作，增加該材料收集能量，電路中由直流電源為該材料提供初始電荷。該設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)介電彈性體分階段同時(shí)工作，從而增加能量輸入、輸出，可變電容并聯(lián)總發(fā)電量為：

式 中：C1,C2,???,Cn分 別 為 介 電 彈 性 體 在 發(fā) 電 過 程 中所對應(yīng)的等效電容量，下標(biāo)中的i分別代表不同的電容編號。C1,C2,???,Cn介 電 彈性 體 等 效 電 容 周 期 性 同 時(shí) 進(jìn) 行 拉伸和收縮，將公式（12）代入到公式（10）中，即可得到多個(gè)介電彈性體材料工作一個(gè)周期的發(fā)電量為：

由公式（13）得，介電彈性體在并聯(lián)電路中應(yīng)用能夠提高該材料的發(fā)電量，因而該材料在電路中并聯(lián)設(shè)計(jì)是可行的。

5 介電彈性體風(fēng)能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

5．1 介電彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

介電彈性體風(fēng)能回收裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，構(gòu)件有推桿、連接推桿、介電彈性體、風(fēng)扇葉片、擺動桿、鉸鏈、轉(zhuǎn)動輪、曲柄軸、鉸鏈構(gòu)成介電彈性體結(jié)構(gòu)裝置。機(jī)構(gòu)工作原理：風(fēng)扇葉片采集風(fēng)能，風(fēng)扇葉片驅(qū)動曲柄軸旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動輪帶動擺動桿擺動，擺動桿推動連接推桿再帶動推桿做往復(fù)運(yùn)動，推桿往復(fù)推動使介電彈性體發(fā)生拉伸和壓縮形變，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能收集。機(jī)械特點(diǎn)：風(fēng)能發(fā)電裝置主要運(yùn)用曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)最大特點(diǎn)是回程比沖程快，利用曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)回程比沖程快的優(yōu)點(diǎn)，兩邊介電彈性體收集和輸出能量時(shí)有更高的效率做拉伸、收縮形變，有效地改善介電彈性體材料能量收集、輸出能量效率底和收集能量少的問題。左邊介電彈性體拉伸速度快壓縮速度慢，右邊介電彈性體壓縮速度快拉伸速度慢，兩介電彈性體拉伸和壓縮同時(shí)進(jìn)行，風(fēng)力持續(xù)驅(qū)動風(fēng)扇葉片使介電彈性體風(fēng)能發(fā)電裝置收集和輸出能量能夠循環(huán)工作。

圖3 風(fēng)能回收裝置結(jié)構(gòu)圖

5．2 介電彈性體并聯(lián)電路設(shè)計(jì)

介電彈性體風(fēng)能回收裝置并聯(lián)電路如圖4，設(shè)備的作用：圖中A、B為介電彈性體，通過風(fēng)能帶動推桿從而實(shí)現(xiàn)能量的回收，S1、S2、S3、S4、S5為接通和斷開電路開關(guān)，S1、S3開關(guān)接通時(shí)為介電彈性體提供電荷量，使介電彈性體更容易發(fā)生形變，S2、S4為電能輸出開關(guān)，接通時(shí)輸出電能，示波器用于測量電流波的形狀同時(shí)用于觀察電效應(yīng)的周期性物理過程，示波器也實(shí)時(shí)檢測電能輸出量。C2為1μF電容器，C2電容器用于濾除介電彈性體輸出電量時(shí)失能引起的交流分量，使介電彈性體的電壓值保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的值。C1用于收集介電彈性體輸出的電量，C2為50V/10μF的電容器，RL為負(fù)載電阻，用于均衡電壓作用避免電容器C2被擊穿，D1，D2，D3，D4為二極管，二極管主要特性是單項(xiàng)導(dǎo)電性，四個(gè)二極管構(gòu)成整流器，把交流電整流成直流電，U1、U2為電源，U1電源主要用于為A、B提供電荷量，U2電源為電容C1提供電量，S5開關(guān)用于接通或斷開電容C1，用于收集或輸出能量。電路工作原理：當(dāng)介電彈性體A處于拉伸狀態(tài)，S1開關(guān)閉合，電源U1為A提供電荷量，S5開關(guān)閉合使C1處于斷開電路狀態(tài)收集電能，介電彈性體B處于收縮狀態(tài)，S4開關(guān)閉合，電能經(jīng)過示波器到電容器C2到二極管D1到C1進(jìn)行儲存。當(dāng)介電彈性體A處于收縮狀態(tài)，S1斷開，S2閉合輸出能量經(jīng)過示波器到C2到D1到C1進(jìn)行能量儲存，介電彈性體B處于拉伸狀態(tài)，S4斷開，S3閉合，電源U1為B提供電荷量。當(dāng)斷開開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5，電能經(jīng)過整流可在負(fù)載電阻RL提取介電彈性體材料儲存的電能。風(fēng)扇葉片不斷旋轉(zhuǎn)，介電彈性體A、B分別進(jìn)行收集和輸出能量。

圖4 介電彈性體并聯(lián)電路圖

6 結(jié)語

基于介電彈性體風(fēng)能回收裝置的設(shè)計(jì)，不僅在收集風(fēng)能、電路設(shè)計(jì)、曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)用方面設(shè)計(jì)，在未來該設(shè)計(jì)還會在更多領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，如三極管放大電路、場效應(yīng)管放大電路、半導(dǎo)體等方面，通過實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)出能更安全、節(jié)能、可循環(huán)的能量回收裝置，從而使介電彈性體為人類的社會進(jìn)步、生態(tài)保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展方面做出更大貢獻(xiàn)。

本文對介電彈性體材料的理論、原理、發(fā)電量計(jì)算、可行性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)后還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對于未能解決的問題做進(jìn)一步分析研究，優(yōu)化介電彈性體能量回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能，為介電彈性體材料今后在設(shè)計(jì)方面提供更多的方案。