基于介電彈性體的海洋能發電裝置的研究進展

鄂世舉，李佳玲，曹建波，陳亦開，潘 欣，竺振才，蘭 猛，陸剛強，包昆偉

(1. 浙江師范大學 工學院，浙江 金華 321004；2. 浙江師范大學 圖書館，浙江 金華 321004)

0 引言

海洋的面積占據了全球的70%，其中蘊含了巨大的能源，有波浪能、潮流能、潮汐能及溫差能等，大面積的開發對解決世界能源問題有很大的作用，世界各國越來越重視海洋能的開發與利用[1]。我國是一個海洋大國，海洋國土面積達3×106km2，利用海洋能發電能有效地緩解資源匱乏的問題。但我國目前在海洋能上的開發利用仍處于研究階段，缺少商業化的實際應用[2]。

介電彈性體(DE)作為一種新型電活性軟體功能材料，具有柔性好，變形大，比能密度和能量轉換效率高等優點[3]。DE膜狀基材的上、下表面涂覆柔性電極后，施加一定電壓，它會在靜電力的作用下發生形變，厚度減小，電壓的電能轉換為彈性體的機械能。反之，通過外力使涂覆柔性電極的介電彈性體膜狀基材產生較大形變，在極化的狀態下，當彈性體恢復原狀時，外力的機械能轉換為電能。介電彈性體的能量收集作用主要應用在低頻、大變形的能量源場合。普通的海洋能發電設備機械轉換器多，剛度大，易腐蝕，穩定性較差，而介電彈性體的楊氏模量低，耐沖擊，抗疲勞，易與機械能量源直接耦合, 在理論上不需機械轉換環節。因此，DE的能量收集作用與海洋能發電十分契合。因此，基于DE材料進行海洋能發電已成為各國利用海洋能的研究熱點之一。本文將對國內外現有的基于介電彈性體的海洋能發電裝置進行分析、研究和總結，對其進一步發展提出了建議。

1 介電彈性體發電原理及研究現狀

DE材料本身的材料參數影響介電常數及電容，所用電極影響電能轉換效率，而電容、介電常數及電能轉換效率影響介電彈性體發電機(DEG)的能量收集性能。因此，國內外研究者們在材料改性及電極制備、涂覆工藝方面開展了研究，進行了多種DE材料和不同電極的對比實驗，以尋求最適用海洋能能量收集的DE材料及電極。

1.1 介電彈性體的發電原理

DEG的發電原理是驅動原理的逆過程[4-10]。DEG可看作是可變電容裝置，中間是DE膜，上、下兩表面涂覆柔性電極，形成“三明治”結構。當DE受外力拉伸，即機械能輸入，厚度減小，DE的電容增大，此時在偏置電源作用下施加初始電荷VD，如圖1(a)所示。撤去外力后，DE由于其本身的彈簧收縮力，DE恢復原狀，厚度增大，DE膜上、下表面電極內的異性電荷因厚度增加被推離，同性電荷因面積減小被擠壓靠近，提高了電荷電壓，即電容減小，電荷不變，輸出電壓V(t)增大，如圖1(b)所示。此時若通過接線端子引出，接在回路中，便能產生更大的電流，達到發電的效果。從能量的角度來說，即外力的機械能轉換為發出的電能。

圖1 DEG的發電原理

1.2 介電彈性體材料研究現狀

目前常用的DE材料有硅橡膠、硅樹脂、聚氨酯、丁腈橡膠、丙烯酸、天然橡膠、亞乙烯基氟化三氟乙烯及其復合材料。DE的特性影響因素主要有介電常數、介電強度、楊氏模量、體積電阻率、響應速率、剪切模量及延伸率等。

Kaltseis等[11]實驗得出，天然橡膠比聚丙烯酸酯有更高的楊氏系數、斷裂能及介電強度。因此，天然橡膠應用于能量收集器將具有更長的壽命及耐疲勞特性。Vucong T等[12]對雙面膠帶與硅膠管進行了對比，分析介電強度和介電常數發現，在低溫大變形條件下，雙面膠帶VHB能量收集性能更優，反之，在高溫小變形的條件下，硅橡膠的性能更好。Graf 等[13]對聚氨酯與聚丙烯酸酯材料進行比較，結果表明，聚氨酯具有更高的介電強度和介電常數。在同等條件下，聚氨酯收集到能量是聚丙烯酸酯材料的10倍以上。同時提出，未來能在不影響其他材料性能的前提下，通過改變材料某個特定參數來提升其能量收集性能。Vertechy R等[14]對一種合成橡膠材料進行實驗研究表明，其能量收集性能優于天然橡膠。

目前，橡膠和VHB是最主流的介電彈性體材料，其變形較大，耐腐蝕，耐沖擊。與硅膠管相比，VHB更適合應用于海洋環境，而合成橡膠和聚氨酯具有更優的能量收集性能。針對不同的海洋環境和發電裝置，選擇合適的介電彈性體材料是提高發電效率的關鍵[15]。

1.3 介電彈性體電極材料研究現狀

DEG理想的柔性電極材料應具備柔性好，剛度低和較好導電性。DEG主要是依靠DE膜的變形來實現機械能到電能的轉換，所以其表面所涂覆的電極材料必須具有柔性，且涂覆工藝不能影響DE膜的變形。另外，DE導電性直接影響DEG的機電轉換特性。因此，電極材料的制備和涂覆工藝影響著DEG的能量收集性能。

Pelrine等[16]使用厚1 mm的硅樹脂彈性體材料作為DE材料。將其預拉伸32%，采用石墨噴涂的方式將碳粉噴灑在DE的兩面，制作成DEG。這種涂覆工藝使電極涂覆更均勻。Schlaak等[17]使用的DE材料為厚25 mm的硅樹脂彈性體材料，無預應變。其電極的涂覆方式是噴涂，對比噴涂與刷涂方式發現，石墨噴涂的電極比碳粉刷涂的電極導電率低，但碳粉刷涂的實際操作難度較大。Kinoshita等[18]將科琴黑與橡膠混合，制成橡膠柔性電極。Low等[19]使用雙面膠帶VHB F9473PC制成DE膜，膜厚為250 mm。其電極并不是主流的碳粉，而是基于化學鍍膜技術而制作的一種褶皺銀薄膜電極。在預拉伸2.5倍，電壓1.8 kV的條件下，其應變率可達128%。張冬至等[20]用DE材料與碳納米管電極結合制成手套式可穿戴發電機，DE膜厚為28 mm。發電機依靠手指的彎曲，當彎曲角度為90°時，電壓輸出達到最大(為3.7 V)。陳鹿民等[21]使用DowCorning186硅橡膠制成DE膜，以銀納米顆粒和導電石墨摻雜硅橡膠制作成的橡膠電極作為DE膜的柔性電極材料，研究了不對稱電極下，DE膜的電致動響應。

碳粉電極制作簡單，噴涂工藝技術成熟，但刷涂實際操作難卻具有更好的導電率。橡膠電極防水特性及褶皺銀薄膜電極導電性能高，且適合大變形，對介電彈性體在海洋能上的應用具有重要意義。

2 DE-海洋能發電的國外研究現狀

2.1 DE-振蕩水柱式發電裝置

圖2為振蕩水柱式波浪能發電機示意圖。該類發電機具體工作過程[22]：當海浪波峰進入腔內時，腔內氣體受到壓縮，腔內氣壓增大，氣體通過上端氣流通道向外排，此時DE膜被拉伸；反之DE膜恢復原狀或向下鼓起。此過程中波浪的機械能轉換為空氣的機械能，通過DE膜的拉伸收縮再轉化為電能。

圖2 基于DE的振蕩水柱型波浪能發電機

Vertechy等[23-24]設計的基于DE的振蕩水柱式海浪能發電機，如圖3所示。其整體結構底部固定在海底。隨著海浪的起伏，帶動裝置隨其發生運動起伏，半球狀DE換能元件拉伸或收縮，將海浪流動的機械能轉換為電能。

圖3 基于DE的半球狀結構海浪能發電機

2.2 DE-浮標式發電裝置

Kornbluh等[25]設計的海上浮標式發電裝置是使用軋輥和DE組合的換能器，換能器“懸掛”在浮體上，如圖4所示。盡管在發電機原型的透明外殼內溫度高達55 ℃，環境濕度偶爾接近100%，但介電彈性體和軋輥在海道中仍能保持運轉。浮標的波浪運動引起的慣性力使軋輥拉伸或收縮，從而使面包卷上的DEG發生變形，將波浪的機械能轉換成電能。發電機主要結構如圖5所示，包括DEG鉸接體系統與輥傳感器、發生器模塊及浮標。發電設備轉換輸出的電能可為遠程海洋傳感器(如海嘯預警傳感器等)及海基局部電源的系統供電。

圖4 海上浮標式發電裝置

圖5 海上浮標式發電裝置發電機主要結構

Prahlad H等[26]設計了一種浮標式介電彈性體發電裝置，如圖6所示。浮標和底座中間用介電彈性體連接，浮標隨著海浪起伏，使介電彈性體發生拉伸與收縮，從而發電。它所產生的分布式電能可給個人手機及GPS系統充電等，也可供給局部的獨立電站。

圖6 浮標式介電彈性體發電裝置

2.3 DE-水輪式發電裝置

Chiba S等[27-28]設計了基于DE的水輪式能量收集器，如圖7所示。該水輪直徑為30 cm。其具體的工作原理：用一個小水泵(流量280 mL/s)供水，使水輪旋轉，水輪旋轉后帶動水輪中心的推桿，從而使DEG發生周期變形。實驗表明，輪子每轉1圈提供35 mJ的電能。根據估算，若水輪直徑增大到80 cm，則水輪每轉動1圈，有望產生5.4～6.0 J的電能。

圖7 基于DE的水輪式能量收集器

2.4 DE-管狀發電裝置

Jean P等[29]設計了一種駐波管能量收集裝置，如圖8所示。管塞中是加壓的海水，圓形DEG發電環設計為多層DE膜組件，形成獨立的環形結構。當海浪波傳來時，柔性載體管發生變形，從而使發電環發生變形將機械能轉換為電能。

圖8 柔性管海洋能發電機

Mass等[30]設計了一種流量能量收集裝置,如圖9所示。在機械循環開始時(見圖9(a))，水沿箭頭所示方向流過，此時管子被預拉伸。在第一步(見圖9(b))時，主動機構關閉管子出口，使管內水壓增加，DE材料沿著流動方向伸展，動能被轉換為應變能。流動能量轉換器在圖9(c)處開始充電，在圖9(e)處釋放。管子由圖9(d)處的低于初始長度伸展到其初始長度圖9(f)，然后機械循環再次開始圖9(a)。該轉換器適用于具有低流速的流域。

圖9 管狀水動力式DEG

Farley F J M等[31-33]提出了在海上用硅膠與DE結合的想法，并對其進行了研究認證，如圖10所示。帶有彈性壁的硅膠管沿海浪行進的方向浸入海中，管壁上根據波浪參數纏繞DEG收集能量。當單波浪產生凸起時，管子隨著波浪徑向凸起，此時纏繞的DEG拉伸。但單波浪流過時，DEG恢復原狀。由管子的可擴張性決定的速度傳播。如果凸出速度接近波的相速度，則能量從海浪到凸出部共振轉移。在管的末端，可提取有用的能量。

圖10 基于介電彈性體的硅膠管發電裝置

2.5 DE-擺式發電裝置

Moretti G等[34]在DEG海洋能發電方面也進行了深入的研究，提出了一種新穎的振蕩體系結構波浪能轉換器。該結構包括底部鉸接的擺動槳葉，其樞軸位于海床旁邊，配有平行四邊形形狀的DEG。系統渲染圖如圖11所示。

圖11 擺式介電彈性體發電機

總之，基于介電彈性體的海洋能捕獲裝置種類較多。5種海洋能裝置的特點、適應場合及應用前景的比較如表1所示。

表1 DE-海洋能發電裝置的特點、適應場合及應用前景

3 DE-海洋能發電的國內研究現狀

陳東旺等[35]研制出一款渦激振動潮流能發電裝置，發電原理示意圖如圖12所示。該裝置根據渦激振動現象的機理，對渦激振動獲能裝置進行研究，并對獲能裝置進行水槽實驗，總結出渦激振動獲能裝置在水流中的振動規律及實驗研究了介電彈性體換能單元的彈性和發電性能。

圖12 渦激振動潮流能發電原理示意圖

鄂世舉等[36]發明了一種利用潮汐能的DE發電機結構，結構示意圖如圖13所示。通過該結構可將潮汐能帶動的扇葉渦輪的旋轉運動轉化為導桿的直線運動，從而實現DE膜的拉伸與收縮，將潮汐能轉化為電能收集起來。

圖13 一種利用潮汐能的介電彈性體發電機結構示意圖

鄂世舉等[37]發明了一種DE薄膜發電的潮汐能發電機結構，結構示意圖如圖14所示。當漲潮時，海水推動扇葉渦輪轉動，從而實現DE膜的拉伸；當退潮時，海水帶動扇葉渦輪反轉，從而實現DE膜的收縮。DE膜的拉伸與收縮過程實現了潮汐能與電能的轉換。

圖14 一種DE薄膜發電的潮汐能發電機結構示意圖

劉立武等[38-39]設計了一種海洋能DE換能裝置，實物圖如圖15所示。當有波浪時，浮體將上、下驅動套筒,從而導致DE膜的拉伸、收縮，將海洋能轉換成電能。

圖15 一種海洋能DE換能裝置實物圖

通過對比國內外的發展現狀發現，國內在基于介電彈性體的海洋能發電方面起步較晚，結構和種類都不全。近些年介電彈性體發電雖成為研究熱點，但缺乏規模化和商業化，主要是研究所和高校在實驗室進行研究實驗，和企業對接較少。

4 結論

海洋能是一種蘊藏豐富的清潔能源，近年來受到越來越多國家的重視，尤其是在解決國家的重大戰略問題上意義重大。隨著環境惡化及能源短缺問題越來越凸顯，可再生能源的開發利用越來越重要。國家也出臺了相應的鼓勵政策，還設有專門的資金用于海洋可再生能源的開發。我國在基于介電彈性體材料的海洋能發電這一領域中也提出了一些新思路并研發出了一些新裝備，相信在以后的研究道路上，海洋能發電產業會更成熟。

目前,國內外對DE用于能量收集進行了大量的理論及應用研究，但在這一領域仍存在較多亟待解決的問題：

1) DEG需依靠DE的伸縮運動來進行發電。因此，柔性電極材料需滿足柔性好、剛度小的需求，而滿足這一要求的電極材料大多導電性較差，柔性電極的電阻仍處于千歐級，會造成DEG大量的能量損耗，建議未來能采用更細密的導電填料顆粒，增加粒子在電極中的分散均勻度和緊密粘合度，以此來降低柔性電極的損耗。

2) 海洋能轉換是較復雜的過程，惡劣的海洋環境難以預測、海洋生物附著易造成發電過程某些環節的失效，以及海洋能的不穩定性使發電裝置發出的電能質量較差。建議首先要提高海洋能發電裝置的可靠性，再者可在發電裝置中添加儲能機構，使捕獲裝置俘獲的海洋能能穩定的輸入到發電裝置，從而實現電能的穩定輸出，提高電能的質量。

3) 基于介電彈性體材料的海洋能發電裝置具有結構簡單，成本低，轉換效率高等特點，國內在基于介電彈性體的海洋能發電這一方面起步較晚，結構和種類都不全。建議加大在這方面的研究力度，相關技術研究一旦成熟，在海洋能發電領域將有較大潛力和廣闊的應用前景。