介電彈性體風能回收裝置設計

劉志運，江澤華

（1.廣州鐵路職業技術學院機車車輛學院，廣東 廣州 510430；2.五邑大學軌道交通學院，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動和發電兩個模式過程，驅動和發電是有序進行。當介電彈性體收集電能時，外部的能量使介電彈性體發生拉伸形變為介電彈性體的驅動模式；當介電彈性體輸出電能時，介電彈性體收縮形變將動能轉換為電能，為介電彈性體的發電模式。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。傳統收集環境中能量的方式有電磁式、靜止電式、壓電式技術，結合三種技術優點應用介電彈性體發電原理，介電彈性體可作為可變電容，而該電容不僅可以收集環境中能量，還可以濾除轉化電能中的交流分量，使其產生的電壓保持相對穩定，有利于電能的收集與存儲。

圖1 介電彈性體結構

2 介電彈性體的發電原理

2．1 介電彈性體發電的形變過程

介電彈性體風能回收裝置，當風能作用下，風能驅動風扇葉片帶動曲柄軸轉動，曲柄軸轉動驅動推桿往復運動，推桿回程力F1使介電彈性體處于拉伸狀態，介電彈性體的周圍側面表面積縮小，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充，即Q在發電過程中上、下表面匯集的電荷量增大，材料厚度d減小至d1，為該材料的驅動過程，如圖2(a)所示。當介電彈性體上、下表面電荷量增大到最大時，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度E增大，為該材料發電過程，如圖2(b)所示。當介電彈性體的應力與電場力達到平衡時，該材料恢復原始狀態，將進行下一個周期的能量收集、輸出過程。

圖2 介電彈性體發電原理

2．2 電容式技術

普通電容設置在電路中，通電時相當于斷開電路，電源給電容充電，電路斷電時電容放電。介電彈性體材料可看作可變電容，該材料上、下表面鋪設柔性電極。風力驅動使介電彈性體處于拉伸狀態收集能量，電路接通，能量收集后斷開電路，介電彈性體處于收縮狀態輸出電能。可變電容，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；S為介電彈性體上、下表面積；d為該材料厚度；k為一個靜電力常量這個常量。電容與電荷之間的關系，即：

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

由（1）、（3）公式聯立可知該材料的電容C為：

由（2）、（4）公式聯立可知介電彈性體上、下表面電場強度E為：

3 介電彈性體發電量的計算

介電彈性體在充電和放電過程中，即拉伸和收縮過程，相當于電容的充電和放電過程，電路中兩個介電彈性體材料并聯設計，收集能量和輸出電能分階段進行，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，負號表示差值的減少，取值t為時間。輸出電流與電荷量的關系為：

將公式（6）、（7）聯立可得：

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）可得經過一次循環后介電彈性體輸出的電量Q為：

4 介電彈性體在并聯電路發電的可行性

單個介電彈性體發電量少，則需多個介電彈性體在電路中并聯設置分階段同時發生形變工作，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。該設計優點是多個介電彈性體分階段同時工作，從而增加能量輸入、輸出，可變電容并聯總發電量為：

式 中：C1,C2,???,Cn分 別 為 介 電 彈 性 體 在 發 電 過 程 中所對應的等效電容量，下標中的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 進 行 拉伸和收縮，將公式（12）代入到公式（10）中，即可得到多個介電彈性體材料工作一個周期的發電量為：

由公式（13）得，介電彈性體在并聯電路中應用能夠提高該材料的發電量，因而該材料在電路中并聯設計是可行的。

5 介電彈性體風能發電裝置的設計

5．1 介電彈性體結構設計

介電彈性體風能回收裝置結構如圖3所示，構件有推桿、連接推桿、介電彈性體、風扇葉片、擺動桿、鉸鏈、轉動輪、曲柄軸、鉸鏈構成介電彈性體結構裝置。機構工作原理：風扇葉片采集風能，風扇葉片驅動曲柄軸旋轉帶動轉動輪轉動，轉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運動，推桿往復推動使介電彈性體發生拉伸和壓縮形變，從而實現機械能到電能收集。機械特點：風能發電裝置主要運用曲柄轉動導桿機構，該機構最大特點是回程比沖程快，利用曲柄轉動導桿機構回程比沖程快的優點，兩邊介電彈性體收集和輸出能量時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進行，風力持續驅動風扇葉片使介電彈性體風能發電裝置收集和輸出能量能夠循環工作。

圖3 風能回收裝置結構圖

5．2 介電彈性體并聯電路設計

介電彈性體風能回收裝置并聯電路如圖4，設備的作用：圖中A、B為介電彈性體，通過風能帶動推桿從而實現能量的回收，S1、S2、S3、S4、S5為接通和斷開電路開關，S1、S3開關接通時為介電彈性體提供電荷量，使介電彈性體更容易發生形變，S2、S4為電能輸出開關，接通時輸出電能，示波器用于測量電流波的形狀同時用于觀察電效應的周期性物理過程，示波器也實時檢測電能輸出量。C2為1μF電容器，C2電容器用于濾除介電彈性體輸出電量時失能引起的交流分量，使介電彈性體的電壓值保持在一個相對穩定的值。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導電性，四個二極管構成整流器，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：當介電彈性體A處于拉伸狀態，S1開關閉合，電源U1為A提供電荷量，S5開關閉合使C1處于斷開電路狀態收集電能，介電彈性體B處于收縮狀態，S4開關閉合，電能經過示波器到電容器C2到二極管D1到C1進行儲存。當介電彈性體A處于收縮狀態，S1斷開，S2閉合輸出能量經過示波器到C2到D1到C1進行能量儲存，介電彈性體B處于拉伸狀態，S4斷開，S3閉合，電源U1為B提供電荷量。當斷開開關S1、S2、S3、S4、S5，電能經過整流可在負載電阻RL提取介電彈性體材料儲存的電能。風扇葉片不斷旋轉，介電彈性體A、B分別進行收集和輸出能量。

圖4 介電彈性體并聯電路圖

6 結語

基于介電彈性體風能回收裝置的設計，不僅在收集風能、電路設計、曲柄轉動導桿機構運用方面設計，在未來該設計還會在更多領域有著廣闊的發展前景，如三極管放大電路、場效應管放大電路、半導體等方面，通過實驗研究和實際應用設計出能更安全、節能、可循環的能量回收裝置，從而使介電彈性體為人類的社會進步、生態保護、可持續發展方面做出更大貢獻。

本文對介電彈性體材料的理論、原理、發電量計算、可行性、結構設計方面進行了闡述，設計后還需進行實驗，對于未能解決的問題做進一步分析研究，優化介電彈性體能量回收裝置結構設計的性能，為介電彈性體材料今后在設計方面提供更多的方案。