介电弹性体风能回收装置设计

刘志运，江泽华

（1.广州铁路职业技术学院机车车辆学院，广东 广州 510430；2.五邑大学轨道交通学院，广东 江门 529020）

1 前言

介电弹性体属于电活性聚合物的一种，介电弹性体在工作过程中有驱动和发电两个模式过程，驱动和发电是有序进行。当介电弹性体收集电能时，外部的能量使介电弹性体发生拉伸形变为介电弹性体的驱动模式；当介电弹性体输出电能时，介电弹性体收缩形变将动能转换为电能，为介电弹性体的发电模式。介电弹性体材料特性具有良好的拉伸、收缩柔韧性、成本低、质量小。介电弹性体分三层，其中上、下两层为柔性电极材料能更好地补充电荷量，中间层为介电弹性体有很好的柔性形变，如图1所示。传统收集环境中能量的方式有电磁式、静止电式、压电式技术，结合三种技术优点应用介电弹性体发电原理，介电弹性体可作为可变电容，而该电容不仅可以收集环境中能量，还可以滤除转化电能中的交流分量，使其产生的电压保持相对稳定，有利于电能的收集与存储。

图1 介电弹性体结构

2 介电弹性体的发电原理

2．1 介电弹性体发电的形变过程

介电弹性体风能回收装置，当风能作用下，风能驱动风扇叶片带动曲柄轴转动，曲柄轴转动驱动推杆往复运动，推杆回程力F1使介电弹性体处于拉伸状态，介电弹性体的周围侧面表面积缩小，上、下表面积伸张，使材料的上、下表面柔性电极电荷得到直流高压补充，即Q在发电过程中上、下表面汇集的电荷量增大，材料厚度d减小至d1，为该材料的驱动过程，如图2(a)所示。当介电弹性体上、下表面电荷量增大到最大时，断开直流高压电源，推杆冲程力F2使介电弹性体收缩，材料厚度d1增大至d，其上、下表面的柔性电极电场强度E增大，为该材料发电过程，如图2(b)所示。当介电弹性体的应力与电场力达到平衡时，该材料恢复原始状态，将进行下一个周期的能量收集、输出过程。

图2 介电弹性体发电原理

2．2 电容式技术

普通电容设置在电路中，通电时相当于断开电路，电源给电容充电，电路断电时电容放电。介电弹性体材料可看作可变电容，该材料上、下表面铺设柔性电极。风力驱动使介电弹性体处于拉伸状态收集能量，电路接通，能量收集后断开电路，介电弹性体处于收缩状态输出电能。可变电容，即：

式（1）中：C为介电弹性体等效电容；ε为真空中的介电常数；S为介电弹性体上、下表面积；d为该材料厚度；k为一个静电力常量这个常量。电容与电荷之间的关系，即：

式（2）中：E为介电弹性体上、下表面的电场强度；Q为发电过程中该材料上、下表面汇集的电荷量。设材料体积 体V，即：

由（1）、（3）公式联立可知该材料的电容C为：

由（2）、（4）公式联立可知介电弹性体上、下表面电场强度E为：

3 介电弹性体发电量的计算

介电弹性体在充电和放电过程中，即拉伸和收缩过程，相当于电容的充电和放电过程，电路中两个介电弹性体材料并联设计，收集能量和输出电能分阶段进行，利用电容的公式推算出该材料输出的电量为：

式中：Q为介电弹性体上、下表面电荷量；I为介电弹性体输出电流，负号表示差值的减少，取值t为时间。输出电流与电荷量的关系为：

将公式（6）、（7）联立可得：

将公式（8）两边积分得：

式中，0Q为介电弹性体初始电荷量，Q为末端电荷量，得介电弹性体输出电量Q为：

公式（4）代入公式（10）可得经过一次循环后介电弹性体输出的电量Q为：

4 介电弹性体在并联电路发电的可行性

单个介电弹性体发电量少，则需多个介电弹性体在电路中并联设置分阶段同时发生形变工作，增加该材料收集能量，电路中由直流电源为该材料提供初始电荷。该设计优点是多个介电弹性体分阶段同时工作，从而增加能量输入、输出，可变电容并联总发电量为：

式 中：C1,C2,⋅⋅⋅,Cn分 别 为 介 电 弹 性 体 在 发 电 过 程 中所对应的等效电容量，下标中的i分别代表不同的电容编号。C1,C2,⋅⋅⋅,Cn介 电 弹性 体 等 效 电 容 周 期 性 同 时 进 行 拉伸和收缩，将公式（12）代入到公式（10）中，即可得到多个介电弹性体材料工作一个周期的发电量为：

由公式（13）得，介电弹性体在并联电路中应用能够提高该材料的发电量，因而该材料在电路中并联设计是可行的。

5 介电弹性体风能发电装置的设计

5．1 介电弹性体结构设计

介电弹性体风能回收装置结构如图3所示，构件有推杆、连接推杆、介电弹性体、风扇叶片、摆动杆、铰链、转动轮、曲柄轴、铰链构成介电弹性体结构装置。机构工作原理：风扇叶片采集风能，风扇叶片驱动曲柄轴旋转带动转动轮转动，转动轮带动摆动杆摆动，摆动杆推动连接推杆再带动推杆做往复运动，推杆往复推动使介电弹性体发生拉伸和压缩形变，从而实现机械能到电能收集。机械特点：风能发电装置主要运用曲柄转动导杆机构，该机构最大特点是回程比冲程快，利用曲柄转动导杆机构回程比冲程快的优点，两边介电弹性体收集和输出能量时有更高的效率做拉伸、收缩形变，有效地改善介电弹性体材料能量收集、输出能量效率底和收集能量少的问题。左边介电弹性体拉伸速度快压缩速度慢，右边介电弹性体压缩速度快拉伸速度慢，两介电弹性体拉伸和压缩同时进行，风力持续驱动风扇叶片使介电弹性体风能发电装置收集和输出能量能够循环工作。

图3 风能回收装置结构图

5．2 介电弹性体并联电路设计

介电弹性体风能回收装置并联电路如图4，设备的作用：图中A、B为介电弹性体，通过风能带动推杆从而实现能量的回收，S1、S2、S3、S4、S5为接通和断开电路开关，S1、S3开关接通时为介电弹性体提供电荷量，使介电弹性体更容易发生形变，S2、S4为电能输出开关，接通时输出电能，示波器用于测量电流波的形状同时用于观察电效应的周期性物理过程，示波器也实时检测电能输出量。C2为1μF电容器，C2电容器用于滤除介电弹性体输出电量时失能引起的交流分量，使介电弹性体的电压值保持在一个相对稳定的值。C1用于收集介电弹性体输出的电量，C2为50V/10μF的电容器，RL为负载电阻，用于均衡电压作用避免电容器C2被击穿，D1，D2，D3，D4为二极管，二极管主要特性是单项导电性，四个二极管构成整流器，把交流电整流成直流电，U1、U2为电源，U1电源主要用于为A、B提供电荷量，U2电源为电容C1提供电量，S5开关用于接通或断开电容C1，用于收集或输出能量。电路工作原理：当介电弹性体A处于拉伸状态，S1开关闭合，电源U1为A提供电荷量，S5开关闭合使C1处于断开电路状态收集电能，介电弹性体B处于收缩状态，S4开关闭合，电能经过示波器到电容器C2到二极管D1到C1进行储存。当介电弹性体A处于收缩状态，S1断开，S2闭合输出能量经过示波器到C2到D1到C1进行能量储存，介电弹性体B处于拉伸状态，S4断开，S3闭合，电源U1为B提供电荷量。当断开开关S1、S2、S3、S4、S5，电能经过整流可在负载电阻RL提取介电弹性体材料储存的电能。风扇叶片不断旋转，介电弹性体A、B分别进行收集和输出能量。

图4 介电弹性体并联电路图

6 结语

基于介电弹性体风能回收装置的设计，不仅在收集风能、电路设计、曲柄转动导杆机构运用方面设计，在未来该设计还会在更多领域有着广阔的发展前景，如三极管放大电路、场效应管放大电路、半导体等方面，通过实验研究和实际应用设计出能更安全、节能、可循环的能量回收装置，从而使介电弹性体为人类的社会进步、生态保护、可持续发展方面做出更大贡献。

本文对介电弹性体材料的理论、原理、发电量计算、可行性、结构设计方面进行了阐述，设计后还需进行实验，对于未能解决的问题做进一步分析研究，优化介电弹性体能量回收装置结构设计的性能，为介电弹性体材料今后在设计方面提供更多的方案。