推挽式介电弹性体发电机结构设计与控制策略研究

发布时间：2020-11-13 17:01

　　 电活性聚合物是在电场的激励下,尺寸和形状发生显著改变的一类聚合物。介电弹性体是典型的电活性聚合物材料,在发电、驱动等领域,特别是在可再生能源发电领域极具应用前景。介电弹性体发电机发电原理是基于可变电容器发电机理,可通过发电循环将机械能转换为电能,具有柔顺性好、耐冲击、能量密度高、易加工及噪音低等优点。本文对推挽式发电机进行了研究,研究内容及主要结论如下:建立对称式电路与非对称式电路的升压模型,并通过MATLAB仿真,得出非对称式电路允许的最小容变比比对称式电路的小的结论。在容变比小于2.83时,非对称式电路比对称式电路拥有更好的升压效果。在容变比大于2.83时,对称式电路具有更好的升压效果。实验研究了介电弹性体发电机在拉伸过程中电容的变化。设计了单轴、双轴与纯剪切拉伸装置,实验研究了3种拉伸模式下介电弹性体发电机输出电压、产生电能、拉力与其变形量的关系及介电弹性体的破裂极限。发现在反复拉伸介电弹性体发电机时,最大容变比随着拉伸次数增多而减小。通过预拉伸后涂抹柔性电极,将柔性电极引到固定棒上再外接导线,可改善容变比减小的速度。双轴拉伸模式下介电弹性体的破裂极限最大。在面积变换率大于4倍时,电能出现大幅度提升,可实现介电弹性体能量密度最大化。选取了锥形拉伸模式,采用Mooney-Rivlin模型建立锥形变形的理论模型,并通过COMSOL仿真。不同预拉伸率条件下,实验研究了介电弹性体电容值与变形距离的关系,研究了介电弹性体介电常数的变化。采用2倍的介电弹性体预拉伸率,对称式电路结构,制作了对顶式锥形拉伸模式的推挽式DEG。实验测试了推挽式介电弹性体发电机发电性能,通过DEG放电电压曲线计算了DEG自身并联电阻阻值。实验研究了内外径比与容变比对推挽式DEG的影响,发现推挽式发电机在发电量、所需最大外力和机械能、转化效率上的最佳的内外径比不一致。采用在相同容变比时能产生最多的电能的推挽式发电机结构(内圆半径为25mm,最大拉伸距离为75mm),研究频率对其升压的影响,发现在小于1.5Hz时,平均每个周期的升压倍数随着频率的增加而增加;当频率大于1.5Hz时,平均每个周期的升压倍数无明显变化。优化了稳压二极管式储能电路,提出新的储能电路,对比3种储能电路后发现,分压电容式储能电路储能效率最高,稳压二极管式储能电路储能效率次之,单片机式储能电路储能效率最差。提出在实际应用中分压电容式储能电路可以用机械式行程开关代替继电器开关,以避免额外的外部供电。
【学位单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM31
【部分图文】：

b）膝关节能量转化装置 c）悬吊式背包图 1.2 人体能量收集装置由于 DE 拥有较宽的频率响应范围，因此也广泛地应用于自然界能量，比如风能，海洋能。R.Vertechy 等人[48]介绍了基于 DE 的振荡-水柱发电机，并分析使用 DE 发电机作为动力输出系统的可行性。描述了的水力-电-超弹性简化模型，模拟结果显示 DE 在振荡-水柱型波浪能潜力。振荡-水柱型 3 种不同施力方式如图 1.3 所示。图 1.3 振荡-水柱型 DEG

b）膝关节能量转化装置 c）悬吊式背包图 1.2 人体能量收集装置由于 DE 拥有较宽的频率响应范围，因此也广泛地应用于自然界能量的收集中，比如风能，海洋能。R.Vertechy 等人[48]介绍了基于 DE 的振荡-水柱型波浪能发电机，并分析使用 DE 发电机作为动力输出系统的可行性。描述了基于二维的水力-电-超弹性简化模型，模拟结果显示 DE 在振荡-水柱型波浪能发电中的潜力。振荡-水柱型 3 种不同施力方式如图 1.3 所示。

图 1.4 浮标式 DEG目前 DEG 关于风能收集的研究相对前两种较少，但 DEG 在风能能有和在海洋能能量收集中一样的优势，可以用低成本形成大规模，量收集。厦门理工大学等人[50]设计制作了风力 DEG 样机，如图 1.5进行了一系列实验，实验中该装置 DE 能量密度可以到达 1.5J/g。图 1.5 风力 DEG 样机目前存在的问题
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本文编号：2882417