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        一種基于介電彈性體陣列的能量轉(zhuǎn)換裝置

        2020-05-10 04:28:28任貫華崔春華趙豐剛李寶權(quán)
        壓電與聲光 2020年2期
        關(guān)鍵詞:電場(chǎng)力彈性體發(fā)電量

        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)

        0 引言

        本文設(shè)計(jì)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(jī)。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(dòng)器模式和發(fā)電機(jī)工作模式,這兩個(gè)模式正好是相逆過程:當(dāng)介電彈性體工作在驅(qū)動(dòng)器方式時(shí),將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;當(dāng)其工作在發(fā)電模式時(shí),將機(jī)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(dá)到3.4 J/g,電能轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%~80%,其材料柔韌性好,質(zhì)量小,價(jià)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(duì)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(jì)了多種形式的發(fā)電裝置。與傳統(tǒng)電機(jī)相比,介電彈性體發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易安裝、維護(hù),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(jí),裝置內(nèi)部空間利用率低,在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的局限性。

        本文針對(duì)其他電機(jī)設(shè)計(jì)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(guó)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(jìn)行設(shè)計(jì),裝置利用風(fēng)吹動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng),通過曲軸傳動(dòng),同時(shí)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(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),同時(shí)對(duì)介電彈性體進(jìn)行拉伸,介電彈性體進(jìn)行發(fā)電。研究其發(fā)電性能,對(duì)介電彈性體陣列發(fā)電進(jìn)行可行性的驗(yàn)證。

        1 介電彈性體發(fā)電原理的探究

        1.1 介電彈性體等效電容

        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(gè)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(chǎng)強(qiáng)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(duì)材料進(jìn)行拉伸,其上、下表面積增大(見圖1中過程Ⅰ);對(duì)其進(jìn)行高壓補(bǔ)充電荷,此時(shí)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(shí)材料應(yīng)力克服電場(chǎng)力做功,外界對(duì)電能進(jìn)行收集,當(dāng)材料收縮應(yīng)力與電場(chǎng)力平衡時(shí),材料恢復(fù)到原始狀態(tài),放電完成,準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)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

        1.2 介電彈性體發(fā)電量的換算

        在介電彈性體發(fā)電的整個(gè)過程中,材料往復(fù)伸縮進(jìn)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(jìn)行充電,相當(dāng)于對(duì)電容進(jìn)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(duì)外進(jìn)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(shì)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(shì)升高,即應(yīng)力克服電勢(shì)能做功,電勢(shì)能升高[7]。電勢(shì)能為

        (11)

        在圖1過程Ⅲ~過程Ⅳ中進(jìn)行電能的釋放,即1個(gè)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(chǎng)力做功前、后的電壓值;C3、C4分別為其對(duì)應(yīng)電壓下的相對(duì)相容。

        1.3 介電彈性體并聯(lián)的可行性

        在發(fā)電過程中,可間接認(rèn)為介電彈性體是1個(gè)電容,由于介電彈性體發(fā)電量小,若想進(jìn)一步探究其實(shí)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(biāo)A、B、N等代表介電彈性體發(fā)電單元編號(hào)。將式(12)代入式(13)中,則介電彈性體陣列1個(gè)周期內(nèi)發(fā)電量為

        (14)

        式中下角標(biāo)3、4分別代表發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的狀態(tài)。

        由式(14)可知,對(duì)介電彈性體進(jìn)行并聯(lián)可有效提高設(shè)備發(fā)電量。

        2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

        2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

        圖2為介電彈性體陣列風(fēng)力發(fā)電裝置機(jī)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(dòng)時(shí)介電彈性體不會(huì)被纏繞,夾具用于固定介電彈性體發(fā)電單元。

        圖2 機(jī)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(dòng)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(gè)曲柄連桿上設(shè)置4個(gè)固定部件。設(shè)置多組介電彈性體同時(shí)工作。在發(fā)電機(jī)外殼內(nèi)壁上同時(shí)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(gè)發(fā)電陣列,后期可擴(kuò)展曲柄連桿數(shù)量,進(jìn)而擴(kuò)展發(fā)電陣列所包含的發(fā)電單元數(shù)量。

        當(dāng)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)工作(見圖2)時(shí),固定發(fā)電機(jī)基座。當(dāng)自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)車,風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),固定在曲軸軸承及發(fā)電機(jī)內(nèi)壁上的介電彈性體被拉伸。由于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素,如介電彈性體A與B、C與D運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同,通過風(fēng)車帶動(dòng)曲軸進(jìn)行反復(fù)拉伸運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)介電彈性體進(jìn)行發(fā)電[8]。

        2.2 實(shí)驗(yàn)電路原理

        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(jìn)行直流高壓補(bǔ)充電荷,釋放拉力,介電彈性體收縮,電勢(shì)升高對(duì)外電路進(jìn)行放電。設(shè)計(jì)電路分為高壓激勵(lì)電路與電能收集檢測(cè)電路兩部分?;驹砣鐖D3所示。開關(guān)S1控制高壓激勵(lì)電路,S2控制電能收集電路。介電彈性體各個(gè)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)如表1所示[9-10]。

        圖3 試驗(yàn)電路原理圖

        表1 實(shí)驗(yàn)開關(guān)順序

        2.3 試驗(yàn)裝置的選取

        機(jī)械結(jié)構(gòu)固定后,經(jīng)計(jì)算得到介電彈性體最大拉伸量為20%,主要試驗(yàn)儀器有示波器(TBS 1052B-EDU)、高壓發(fā)生器及模擬電路實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)江牌DDG-A型導(dǎo)電膏[11-13],試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

        圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        裝置連接外圍設(shè)備后進(jìn)行試驗(yàn),表2為發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的相對(duì)電容值。表中,C3、C4分別為發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的相對(duì)電容值。表3為其發(fā)電單元在克服電場(chǎng)力做功工前、后的電壓值。

        表2 發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的相對(duì)電容值

        表3 發(fā)電單元克服電場(chǎng)力做功前、后的電壓值

        由式(14)計(jì)算出其在1個(gè)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(gè)周期,其裝置發(fā)電總量為17.06 mJ。

        4 結(jié)論

        1) 通過對(duì)介電彈性體陣列發(fā)電設(shè)備的實(shí)際測(cè)試,有效地說明了對(duì)介電彈性體發(fā)電單元進(jìn)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(shí),陣列中的發(fā)電單元相互補(bǔ)充電荷和對(duì)外放電同時(shí)進(jìn)行,從而造成電能損耗。

        3) 對(duì)試驗(yàn)裝置發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算可得,在單個(gè)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(jì)的裝置合理,能正常進(jìn)行發(fā)電。

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