任貫華,陳 潔,崔春華,趙豐剛,李寶權(quán)
(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)
本文設(shè)計了一種利用介電彈性體發(fā)電單元組成陣列的能量轉(zhuǎn)換新型電機。介電彈性體作為電活性聚合物的一種,其工作模式有驅(qū)動器模式和發(fā)電機工作模式,這兩個模式正好是相逆過程:當(dāng)介電彈性體工作在驅(qū)動器方式時,將電能轉(zhuǎn)換為機械能;當(dāng)其工作在發(fā)電模式時,將機械能轉(zhuǎn)換為電能。介電彈性體具有高能量密度及很高的換能率,能量密度可達到3.4 J/g,電能轉(zhuǎn)換率可達60%~80%,其材料柔韌性好,質(zhì)量小,價格低,且材料可靠性高,可承受反復(fù)400萬次的拉伸而有效發(fā)電。材料結(jié)構(gòu)分為3層,中間選用聚丙烯酸作為介電彈性體材料,上、下兩層使用柔性電極材料[1-3]。
近年來對介電彈性體的研究發(fā)展迅速,利用介電彈性體的發(fā)電特性設(shè)計了多種形式的發(fā)電裝置。與傳統(tǒng)電機相比,介電彈性體發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單,易安裝、維護,但因其裝置間未考慮介電彈性單元間的關(guān)聯(lián)性,且未通過整合介電彈性體單元組成陣列提高發(fā)電等級,裝置內(nèi)部空間利用率低,在實際應(yīng)用中受到很大的局限性。
本文針對其他電機設(shè)計的局限性,將介電彈性體制成發(fā)電單元,用發(fā)電單元組成發(fā)電陣列,解決國內(nèi)在介電彈性體集中式,大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域的空白。此裝置重新進行設(shè)計,裝置利用風(fēng)吹動葉片轉(zhuǎn)動,通過曲軸傳動,同時介電彈性體一邊固定在外殼內(nèi)壁,一邊固定在曲軸外的軸承上,當(dāng)曲軸進行轉(zhuǎn)動時,同時對介電彈性體進行拉伸,介電彈性體進行發(fā)電。研究其發(fā)電性能,對介電彈性體陣列發(fā)電進行可行性的驗證。
介電彈性體發(fā)電單元的制作中,在介電彈性體表面涂抹柔性電極(DDG-A型),在發(fā)電拉伸收縮過程中,發(fā)電單元相當(dāng)于一個可變的電容,即
(1)
式中:ε為真空中的介電常數(shù);d為材料厚度;S為其上、下表面積。電容與電荷量的關(guān)系為
(2)
式中:E為上、下表面的電場強度;Q為發(fā)電過程中上、下表面積上匯集的電荷量。介電彈性體體積為
V=S×d
(3)
由于VHB4910的泊松比為4.9,故可將VHB4910材料看作為不可壓縮材料,即V不變[4-6]。由式(1)、(3)可得C與d的關(guān)系:
(4)
式中k為靜電力常量。
由式(2)、(4)可得:
(5)
首先對材料進行拉伸,其上、下表面積增大(見圖1中過程Ⅰ);對其進行高壓補充電荷,此時Q增大,d減小,(見圖1中過程Ⅱ);斷開直流高壓電源,釋放拉力,材料受應(yīng)力收縮,d增大,E增大,(見圖1中過程Ⅲ)。此時材料應(yīng)力克服電場力做功,外界對電能進行收集,當(dāng)材料收縮應(yīng)力與電場力平衡時,材料恢復(fù)到原始狀態(tài),放電完成,準備進入下一個發(fā)電周期,(見圖1中過程Ⅳ)。
圖1 介電彈性體發(fā)電微觀變化
在介電彈性體發(fā)電的整個過程中,材料往復(fù)伸縮進行充、放電。當(dāng)介電彈性體被拉伸充電后,由于體積不變,S變大,d減小,在上、下表面上施加高壓直流進行充電,相當(dāng)于對電容進行充電,充電完成后材料的收縮應(yīng)力克服靜電力做功,電荷聚集對外進行放電,相當(dāng)于電容放電過程,電容為
(6)
式中:ε0為真空中介電常數(shù);εc=4.7為材料絕緣常數(shù)。
材料受垂直于上、下表面方向上的應(yīng)力為
(7)
將式(3)代入式(6)可得
(8)
由于上、下表面的電勢差:
(9)
將式(8)代入式(9)可得
(10)
即當(dāng)Q、V、ε0、εc不變的情況下,通過材料應(yīng)力使材料收縮,S減小,則電勢升高,即應(yīng)力克服電勢能做功,電勢能升高[7]。電勢能為
(11)
在圖1過程Ⅲ~過程Ⅳ中進行電能的釋放,即1個循環(huán)下的發(fā)電量為
(12)
式中:U3,U4分別為發(fā)電單元克服電場力做功前、后的電壓值;C3、C4分別為其對應(yīng)電壓下的相對相容。
在發(fā)電過程中,可間接認為介電彈性體是1個電容,由于介電彈性體發(fā)電量小,若想進一步探究其實用性,必須提高其發(fā)電量。電容并聯(lián)式總電容為
C總=CA+CB+…+CN
(13)
式中CA,CB,…,CN分別為介電彈性體陣列中的發(fā)電單元的等效電容,下標A、B、N等代表介電彈性體發(fā)電單元編號。將式(12)代入式(13)中,則介電彈性體陣列1個周期內(nèi)發(fā)電量為
(14)
式中下角標3、4分別代表發(fā)電單元克服電場力做功前、后的狀態(tài)。
由式(14)可知,對介電彈性體進行并聯(lián)可有效提高設(shè)備發(fā)電量。
圖2為介電彈性體陣列風(fēng)力發(fā)電裝置機械結(jié)構(gòu)示意圖。固定在曲軸上的軸承可保證曲軸轉(zhuǎn)動時介電彈性體不會被纏繞,夾具用于固定介電彈性體發(fā)電單元。
圖2 機械結(jié)構(gòu)示意圖
曲軸前端為風(fēng)車,前端風(fēng)車為曲軸旋轉(zhuǎn)及拉伸介電彈性體提供動力。曲軸中部設(shè)置兩組曲柄連桿,相位相差180°,如介電彈性體A與C,B與D。在連桿外套軸承,軸承上安置固定夾具,可將介電彈性體固定在軸承上,固定部件成180°角。后期拓展還可將固定部件設(shè)置為90°角,每個曲柄連桿上設(shè)置4個固定部件。設(shè)置多組介電彈性體同時工作。在發(fā)電機外殼內(nèi)壁上同時設(shè)置固定夾具用于固定介電彈性體,該裝置設(shè)置了兩組曲柄連桿,界定兩組中拉伸狀態(tài)相同的介電彈性體發(fā)電單元組成一個發(fā)電陣列,后期可擴展曲柄連桿數(shù)量,進而擴展發(fā)電陣列所包含的發(fā)電單元數(shù)量。
當(dāng)設(shè)計的發(fā)電機工作(見圖2)時,固定發(fā)電機基座。當(dāng)自然風(fēng)吹動風(fēng)車,風(fēng)車轉(zhuǎn)動帶動曲軸轉(zhuǎn)動,固定在曲軸軸承及發(fā)電機內(nèi)壁上的介電彈性體被拉伸。由于發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素,如介電彈性體A與B、C與D運動狀態(tài)相同,通過風(fēng)車帶動曲軸進行反復(fù)拉伸運動,進而帶動介電彈性體進行發(fā)電[8]。
根據(jù)介電彈性體發(fā)電原理,當(dāng)介電彈性體被拉伸后,進行直流高壓補充電荷,釋放拉力,介電彈性體收縮,電勢升高對外電路進行放電。設(shè)計電路分為高壓激勵電路與電能收集檢測電路兩部分?;驹砣鐖D3所示。開關(guān)S1控制高壓激勵電路,S2控制電能收集電路。介電彈性體各個狀態(tài)下對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)如表1所示[9-10]。
圖3 試驗電路原理圖
表1 實驗開關(guān)順序
機械結(jié)構(gòu)固定后,經(jīng)計算得到介電彈性體最大拉伸量為20%,主要試驗儀器有示波器(TBS 1052B-EDU)、高壓發(fā)生器及模擬電路實驗箱(THM-1型)。介電彈性體選用3M公司的VHB4910丙烯酸橡膠,柔性電極采用長江牌DDG-A型導(dǎo)電膏[11-13],試驗平臺如圖4所示。
圖4 試驗平臺
裝置連接外圍設(shè)備后進行試驗,表2為發(fā)電單元克服電場力做功前、后的相對電容值。表中,C3、C4分別為發(fā)電單元克服電場力做功前、后的相對電容值。表3為其發(fā)電單元在克服電場力做功工前、后的電壓值。
表2 發(fā)電單元克服電場力做功前、后的相對電容值
表3 發(fā)電單元克服電場力做功前、后的電壓值
由式(14)計算出其在1個發(fā)電周期過程中A的發(fā)電量為4.31 mJ,B的發(fā)電量為4.23 mJ,C的發(fā)電量為4.33 mJ,D的發(fā)電量為4.19 mJ,陣列A、B的發(fā)電量為8.54 mJ,陣列C、D的發(fā)電量為8.52 mJ。經(jīng)過1個周期,其裝置發(fā)電總量為17.06 mJ。
1) 通過對介電彈性體陣列發(fā)電設(shè)備的實際測試,有效地說明了對介電彈性體發(fā)電單元進行并聯(lián)整合的可行性。
2) 由于制作的介電彈性體發(fā)電單元工藝不足,不能保證介電彈性體材料面積與涂抹柔性電極有效面積等關(guān)鍵因素完全一致,故無法保證發(fā)電單元發(fā)電性能完全一致。因此,在陣列中各單元電壓與電容變化差異較大。放電時,陣列中的發(fā)電單元相互補充電荷和對外放電同時進行,從而造成電能損耗。
3) 對試驗裝置發(fā)電量進行計算可得,在單個周期中,兩組介電彈性體發(fā)電陣列的發(fā)電量均為17.06 mJ,表明其設(shè)計的裝置合理,能正常進行發(fā)電。