介电弹性体发电机机电转换效率研究

摘要

介电弹性体发电机是一种由新型功能材料构成的发电机，适用于小量级、微机电系统等场合。在实际研究过程中，由于介电弹性体发电机受到许多因素影响，如介电弹性体材料内阻损耗、柔性电极损耗、机械损耗、发电循环方式等，降低了机电转换效率。
　　基于介电弹性体发电机机电转换原理和基本发电循环方法，采用绝对能量收集、相对能量收集和能量转换效率评估公式等三个维度评估发电效率，进而展开效率影响因素研究，并利用循环组合优化方法、非线性机电转换方法进行优化。通过能量计算分析发电循环各阶段的能量收集和存在的电损耗、机械损耗，发现介电弹性体发电机机电转换效率与介电弹性体材料内阻损耗、柔性电极损耗、机械损耗直接相关。
　　针对三种循环方式的不同特点，采用恒电场和恒电荷的组合方式，分析组合循环的切换点来实现最佳能量转换循环，减少能量损耗。建立介电弹性体发电机模型，运用MATLAB/Simulink软件仿真研究表明：拉伸力和电容随拉伸比率呈正比例线性变化，影响机电转换效率；选择恒电荷循环可实现最小的损耗，选择恒电场循环可实现最大的绝对收集能量；选择恒电荷和恒电场循环组合方式，以Δt(t3,t'3)/T=0.15为循环切换点，与恒电场循环方式下的发电效率相比提高了近2倍。
　　研究介电弹性体发电机传统机电转换方法和非线性机电转换方法，建立理论模型并利用MATLAB/simulink软件仿真研究介电弹性体发电机两端输出电压和功率的变化趋势，并计算其转换的电能。仿真研究表明：在相同条件下，与传统机电转换方法相比，采用非线性机电转换方法，介电弹性体发电机两端电压的振幅明显提高，功率和电能增加了3.41倍。
　　搭建介电弹性体发电机发电实验台，分析介电弹性体材料内阻、循环方式对机电转换效率的影响。实验结果表明：介电弹性体发电机柔性电极的内阻受碳粉目数、数量、与硅胶、硅油配比关系影响较大。碳粉目数增大，电阻值先减小后增大，碳粉数量增加，电阻值变小，且电极越干燥，电阻值也越小，电极干燥程度需根据实际应用场合进行确定；在相同条件下，理论计算的绝对收集能量为恒电场循环WE>恒电荷循环WQ>恒电压循环WV；而由于实际环境中存在损耗因素，导致循环的实际能量值小于理论值；对于介电弹性体发电机机电转换效率，有恒电荷循环ηQ>组合循环ηQE>恒电场循环ηE，实验与仿真结果趋势相符。