鄂世舉，李佳玲，曹建波，陳亦開，潘 欣，竺振才，蘭 猛，陸剛強(qiáng)，包昆偉

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

0 引言

海洋的面積占據(jù)了全球的70%，其中蘊(yùn)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(fā)對(duì)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(fā)與利用[1]。我國是一個(gè)海洋大國，海洋國土面積達(dá)3×106km2，利用海洋能發(fā)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(fā)利用仍處于研究階段，缺少商業(yè)化的實(shí)際應(yīng)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(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)[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(huì)在靜電力的作用下發(fā)生形變，厚度減小，電壓的電能轉(zhuǎn)換為彈性體的機(jī)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(chǎn)生較大形變，在極化的狀態(tài)下，當(dāng)彈性體恢復(fù)原狀時(shí)，外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。介電彈性體的能量收集作用主要應(yīng)用在低頻、大變形的能量源場合。普通的海洋能發(fā)電設(shè)備機(jī)械轉(zhuǎn)換器多，剛度大，易腐蝕，穩(wěn)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(jī)械能量源直接耦合, 在理論上不需機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。因此，DE的能量收集作用與海洋能發(fā)電十分契合。因此，基于DE材料進(jìn)行海洋能發(fā)電已成為各國利用海洋能的研究熱點(diǎn)之一。本文將對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有的基于介電彈性體的海洋能發(fā)電裝置進(jìn)行分析、研究和總結(jié)，對(duì)其進(jìn)一步發(fā)展提出了建議。

1 介電彈性體發(fā)電原理及研究現(xiàn)狀

DE材料本身的材料參數(shù)影響介電常數(shù)及電容，所用電極影響電能轉(zhuǎn)換效率，而電容、介電常數(shù)及電能轉(zhuǎn)換效率影響介電彈性體發(fā)電機(jī)(DEG)的能量收集性能。因此，國內(nèi)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(jìn)行了多種DE材料和不同電極的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(fā)電原理

DEG的發(fā)電原理是驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)。當(dāng)DE受外力拉伸，即機(jī)械能輸入，厚度減小，DE的電容增大，此時(shí)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(fù)原狀，厚度增大，DE膜上、下表面電極內(nèi)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(shí)若通過接線端子引出，接在回路中，便能產(chǎn)生更大的電流，達(dá)到發(fā)電的效果。從能量的角度來說，即外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為發(fā)出的電能。

圖1 DEG的發(fā)電原理

1.2 介電彈性體材料研究現(xiàn)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(fù)合材料。DE的特性影響因素主要有介電常數(shù)、介電強(qiáng)度、楊氏模量、體積電阻率、響應(yīng)速率、剪切模量及延伸率等。

Kaltseis等[11]實(shí)驗(yàn)得出，天然橡膠比聚丙烯酸酯有更高的楊氏系數(shù)、斷裂能及介電強(qiáng)度。因此，天然橡膠應(yīng)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(duì)雙面膠帶與硅膠管進(jìn)行了對(duì)比，分析介電強(qiáng)度和介電常數(shù)發(fā)現(xiàn)，在低溫大變形條件下，雙面膠帶VHB能量收集性能更優(yōu)，反之，在高溫小變形的條件下，硅橡膠的性能更好。Graf 等[13]對(duì)聚氨酯與聚丙烯酸酯材料進(jìn)行比較，結(jié)果表明，聚氨酯具有更高的介電強(qiáng)度和介電常數(shù)。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(shí)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(gè)特定參數(shù)來提升其能量收集性能。Vertechy R等[14]對(duì)一種合成橡膠材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究表明，其能量收集性能優(yōu)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(yīng)用于海洋環(huán)境，而合成橡膠和聚氨酯具有更優(yōu)的能量收集性能。針對(duì)不同的海洋環(huán)境和發(fā)電裝置，選擇合適的介電彈性體材料是提高發(fā)電效率的關(guān)鍵[15]。

1.3 介電彈性體電極材料研究現(xiàn)狀

DEG理想的柔性電極材料應(yīng)具備柔性好，剛度低和較好導(dǎo)電性。DEG主要是依靠DE膜的變形來實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)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(dǎo)電性直接影響DEG的機(jī)電轉(zhuǎn)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(yù)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(yù)應(yīng)變。其電極的涂覆方式是噴涂，對(duì)比噴涂與刷涂方式發(fā)現(xiàn)，石墨噴涂的電極比碳粉刷涂的電極導(dǎo)電率低，但碳粉刷涂的實(shí)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(xué)鍍膜技術(shù)而制作的一種褶皺銀薄膜電極。在預(yù)拉伸2.5倍，電壓1.8 kV的條件下，其應(yīng)變率可達(dá)128%。張冬至等[20]用DE材料與碳納米管電極結(jié)合制成手套式可穿戴發(fā)電機(jī)，DE膜厚為28 mm。發(fā)電機(jī)依靠手指的彎曲，當(dāng)彎曲角度為90°時(shí)，電壓輸出達(dá)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(dǎo)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(duì)稱電極下，DE膜的電致動(dòng)響應(yīng)。

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

2 DE-海洋能發(fā)電的國外研究現(xiàn)狀

2.1 DE-振蕩水柱式發(fā)電裝置

圖2為振蕩水柱式波浪能發(fā)電機(jī)示意圖。該類發(fā)電機(jī)具體工作過程[22]：當(dāng)海浪波峰進(jìn)入腔內(nèi)時(shí)，腔內(nèi)氣體受到壓縮，腔內(nèi)氣壓增大，氣體通過上端氣流通道向外排，此時(shí)DE膜被拉伸；反之DE膜恢復(fù)原狀或向下鼓起。此過程中波浪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的機(jī)械能，通過DE膜的拉伸收縮再轉(zhuǎn)化為電能。

圖2 基于DE的振蕩水柱型波浪能發(fā)電機(jī)

Vertechy等[23-24]設(shè)計(jì)的基于DE的振蕩水柱式海浪能發(fā)電機(jī)，如圖3所示。其整體結(jié)構(gòu)底部固定在海底。隨著海浪的起伏，帶動(dòng)裝置隨其發(fā)生運(yùn)動(dòng)起伏，半球狀DE換能元件拉伸或收縮，將海浪流動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

圖3 基于DE的半球狀結(jié)構(gòu)海浪能發(fā)電機(jī)

2.2 DE-浮標(biāo)式發(fā)電裝置

Kornbluh等[25]設(shè)計(jì)的海上浮標(biāo)式發(fā)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(fā)電機(jī)原型的透明外殼內(nèi)溫度高達(dá)55 ℃，環(huán)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(yùn)轉(zhuǎn)。浮標(biāo)的波浪運(yùn)動(dòng)引起的慣性力使軋輥拉伸或收縮，從而使面包卷上的DEG發(fā)生變形，將波浪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括DEG鉸接體系統(tǒng)與輥傳感器、發(fā)生器模塊及浮標(biāo)。發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)換輸出的電能可為遠(yuǎn)程海洋傳感器(如海嘯預(yù)警傳感器等)及?；植侩娫吹南到y(tǒng)供電。

圖4 海上浮標(biāo)式發(fā)電裝置

圖5 海上浮標(biāo)式發(fā)電裝置發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)

Prahlad H等[26]設(shè)計(jì)了一種浮標(biāo)式介電彈性體發(fā)電裝置，如圖6所示。浮標(biāo)和底座中間用介電彈性體連接，浮標(biāo)隨著海浪起伏，使介電彈性體發(fā)生拉伸與收縮，從而發(fā)電。它所產(chǎn)生的分布式電能可給個(gè)人手機(jī)及GPS系統(tǒng)充電等，也可供給局部的獨(dú)立電站。

圖6 浮標(biāo)式介電彈性體發(fā)電裝置

2.3 DE-水輪式發(fā)電裝置

Chiba S等[27-28]設(shè)計(jì)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(gè)小水泵(流量280 mL/s)供水，使水輪旋轉(zhuǎn)，水輪旋轉(zhuǎn)后帶動(dòng)水輪中心的推桿，從而使DEG發(fā)生周期變形。實(shí)驗(yàn)表明，輪子每轉(zhuǎn)1圈提供35 mJ的電能。根據(jù)估算，若水輪直徑增大到80 cm，則水輪每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，有望產(chǎn)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(fā)電裝置

Jean P等[29]設(shè)計(jì)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(fā)電環(huán)設(shè)計(jì)為多層DE膜組件，形成獨(dú)立的環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)海浪波傳來時(shí)，柔性載體管發(fā)生變形，從而使發(fā)電環(huán)發(fā)生變形將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

圖8 柔性管海洋能發(fā)電機(jī)

Mass等[30]設(shè)計(jì)了一種流量能量收集裝置,如圖9所示。在機(jī)械循環(huán)開始時(shí)(見圖9(a))，水沿箭頭所示方向流過，此時(shí)管子被預(yù)拉伸。在第一步(見圖9(b))時(shí)，主動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)閉管子出口，使管內(nèi)水壓增加，DE材料沿著流動(dòng)方向伸展，動(dòng)能被轉(zhuǎn)換為應(yīng)變能。流動(dòng)能量轉(zhuǎn)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(jī)械循環(huán)再次開始圖9(a)。該轉(zhuǎn)換器適用于具有低流速的流域。

圖9 管狀水動(dòng)力式DEG

Farley F J M等[31-33]提出了在海上用硅膠與DE結(jié)合的想法，并對(duì)其進(jìn)行了研究認(rèn)證，如圖10所示。帶有彈性壁的硅膠管沿海浪行進(jìn)的方向浸入海中，管壁上根據(jù)波浪參數(shù)纏繞DEG收集能量。當(dāng)單波浪產(chǎn)生凸起時(shí)，管子隨著波浪徑向凸起，此時(shí)纏繞的DEG拉伸。但單波浪流過時(shí)，DEG恢復(fù)原狀。由管子的可擴(kuò)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(zhuǎn)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(fā)電裝置

2.5 DE-擺式發(fā)電裝置

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

圖11 擺式介電彈性體發(fā)電機(jī)

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(diǎn)、適應(yīng)場合及應(yīng)用前景的比較如表1所示。

表1 DE-海洋能發(fā)電裝置的特點(diǎn)、適應(yīng)場合及應(yīng)用前景

3 DE-海洋能發(fā)電的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

陳東旺等[35]研制出一款渦激振動(dòng)潮流能發(fā)電裝置，發(fā)電原理示意圖如圖12所示。該裝置根據(jù)渦激振動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理，對(duì)渦激振動(dòng)獲能裝置進(jìn)行研究，并對(duì)獲能裝置進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出渦激振動(dòng)獲能裝置在水流中的振動(dòng)規(guī)律及實(shí)驗(yàn)研究了介電彈性體換能單元的彈性和發(fā)電性能。

圖12 渦激振動(dòng)潮流能發(fā)電原理示意圖

鄂世舉等[36]發(fā)明了一種利用潮汐能的DE發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖13所示。通過該結(jié)構(gòu)可將潮汐能帶動(dòng)的扇葉渦輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)桿的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)DE膜的拉伸與收縮，將潮汐能轉(zhuǎn)化為電能收集起來。

圖13 一種利用潮汐能的介電彈性體發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

鄂世舉等[37]發(fā)明了一種DE薄膜發(fā)電的潮汐能發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖14所示。當(dāng)漲潮時(shí)，海水推動(dòng)扇葉渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)DE膜的拉伸；當(dāng)退潮時(shí)，海水帶動(dòng)扇葉渦輪反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)DE膜的收縮。DE膜的拉伸與收縮過程實(shí)現(xiàn)了潮汐能與電能的轉(zhuǎn)換。

圖14 一種DE薄膜發(fā)電的潮汐能發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

劉立武等[38-39]設(shè)計(jì)了一種海洋能DE換能裝置，實(shí)物圖如圖15所示。當(dāng)有波浪時(shí)，浮體將上、下驅(qū)動(dòng)套筒,從而導(dǎo)致DE膜的拉伸、收縮，將海洋能轉(zhuǎn)換成電能。

圖15 一種海洋能DE換能裝置實(shí)物圖

通過對(duì)比國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)在基于介電彈性體的海洋能發(fā)電方面起步較晚，結(jié)構(gòu)和種類都不全。近些年介電彈性體發(fā)電雖成為研究熱點(diǎn)，但缺乏規(guī)模化和商業(yè)化，主要是研究所和高校在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，和企業(yè)對(duì)接較少。

4 結(jié)論

海洋能是一種蘊(yùn)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(zhàn)略問題上意義重大。隨著環(huán)境惡化及能源短缺問題越來越凸顯，可再生能源的開發(fā)利用越來越重要。國家也出臺(tái)了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，還設(shè)有專門的資金用于海洋可再生能源的開發(fā)。我國在基于介電彈性體材料的海洋能發(fā)電這一領(lǐng)域中也提出了一些新思路并研發(fā)出了一些新裝備，相信在以后的研究道路上，海洋能發(fā)電產(chǎn)業(yè)會(huì)更成熟。

目前,國內(nèi)外對(duì)DE用于能量收集進(jìn)行了大量的理論及應(yīng)用研究，但在這一領(lǐng)域仍存在較多亟待解決的問題：

1) DEG需依靠DE的伸縮運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行發(fā)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(dǎo)電性較差，柔性電極的電阻仍處于千歐級(jí)，會(huì)造成DEG大量的能量損耗，建議未來能采用更細(xì)密的導(dǎo)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(zhuǎn)換是較復(fù)雜的過程，惡劣的海洋環(huán)境難以預(yù)測、海洋生物附著易造成發(fā)電過程某些環(huán)節(jié)的失效，以及海洋能的不穩(wěn)定性使發(fā)電裝置發(fā)出的電能質(zhì)量較差。建議首先要提高海洋能發(fā)電裝置的可靠性，再者可在發(fā)電裝置中添加儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，使捕獲裝置俘獲的海洋能能穩(wěn)定的輸入到發(fā)電裝置，從而實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出，提高電能的質(zhì)量。

3) 基于介電彈性體材料的海洋能發(fā)電裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，國內(nèi)在基于介電彈性體的海洋能發(fā)電這一方面起步較晚，結(jié)構(gòu)和種類都不全。建議加大在這方面的研究力度，相關(guān)技術(shù)研究一旦成熟，在海洋能發(fā)電領(lǐng)域?qū)⒂休^大潛力和廣闊的應(yīng)用前景。