介电弹性体发电机自偏置机理研究

摘要

介电弹性体材料作为一种新型的电活性材料，既可以用于驱动领域，作为优秀的人工肌肉材料；也可用于发电领域，具有能量密度高、形变大、结构简单、成本低等突出特点，可以通过简单的机械传动结构与风能、海洋能等自然能源高效耦合，在利用可再生能源发电领域具有广阔的应用前景，近年来吸引了越来越多的国内外学者对其展开研究。
　　介电弹性体是一种高分子介电材料，需要外界提供一定电荷量才能用于发电，即提供偏置电荷。在目前的研究中，基于介电弹性体材料的发电机需要永久连接一个外接高压偏置电源以获得偏置电荷，而高压偏置电源正是未来介电弹性体发电机产业化应用的一个主要障碍。本文进行介电弹性体发电机的自偏置机理研究，目的就在于通过研究，实现其在低压环境下的发电循环，同时，在发电循环过程中不再需要外接偏置电源。基于本目标，论文的主要工作内容如下：
　　分析了介电弹性体材料的发电原理，研究了介电弹性体发电机机电能转换机理，对其发电影响因素进行理论分析；分析了单轴拉伸下介电弹性体发电机机电耦合特性。
　　实验测试了介电弹性体等效电容与其机械形变量之间的关系；实验研究了在高压偏置条件下，介电弹性体发电机的发电特性；实验研究了介电弹性体发电机的输出电压与偏置电压、形变速率、形变量的关系。
　　基于经典理论，分析了电荷泵原理；根据电荷泵工作原理，研究了介电弹性体发电机自偏置原理；分析了自偏置介电弹性体发电机能量转换过程，及自偏置介电弹性体发电机的工作过程；分析了自偏置介电弹性体发电机的输出电压及其变化规律。
　　设计并搭建了自偏置介电弹性体发电机实验平台；设计并制作了基于三级电荷泵的自偏置电路，实验验证了该自偏置电路能够存储电荷，并且可以向介电弹性体发电机提供偏置电荷用于发电循环的自偏置工作机理；实验测试了自偏置介电弹性体发电机在低压条件下的输出电压，测试结果说明介电弹性体发电机的输出电压随形变量和形变速率的增加而增加；选取介电弹性体发电机的输出电压平均变化量作为衡量指标，研究了形变量、形变速率对发电机输出的影响；实验结果表明，电荷泵电容值越大，介电弹性体发电机输出电压越高。