基于介电弹性体的风力发电机结构设计

王 强，马冬梅，崔红娜，闫海琴，李晨光，冯毓鹏，乔 晴

（1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口工程力学分析重点实验室，河北 张家口 075000）

介电弹性体（简称DE）是一种新型智能材料，典型代表有硅橡胶、3M公司生产的VHB4910薄膜等，该材料具有能量密度高、机电转换效率高、质量轻和变形大等特点，引起了众多学者的研究兴趣。一方面，DE可以在施加电场的情况下产生大变形，利用此特性可以制作驱动器，目前比较火热的研究方向是制作软体机器人，如畅游在马里亚纳海沟的软体机器鱼[1]。另一方面，可以用DE来制造能量收集器（简称DEG），用来收集人体运动动能、海洋能和风能等自然能源，凭借其高能量密度DE已然成为了最具潜力的能量收集材料之一。

本文聚焦于DE在能量收集领域的应用，人类对能源的需求日益增长，然而煤炭、石油等化石能源的供能不仅带来了严重的环境问题，也很难再适应新时代的发展。随着全球日益严重的温室效应和不断变化的能源需求，开发可持续发展的绿色能源已成为国际社会普遍关注的问题。风能是一种绿色能源，因其总储量巨大、分布广泛和可再生等特点，日益引起人们的关注，风电行业已经得到大力发展。中国作为风能大国，在新能源发展战略中，将风电列为优先发展的重点。最初的风力发电依据的是电磁感应原理，从而将机械能转化为电能，但结构较为复杂、能量转换效率较低及成本较高。随着科技的进步，出现了利用压电材料进行发电的新方式，压电换能是利用压电材料的压电效应将机械能转换为电能，具有结构简单、无污染、便于小型化和集成化等特点，但其造价较高，力学变形较小，不易采集大型能源[2]。近几年，利用DE制造发电机已成为研究热点，DE发电机最大优势是其高能量密度，理论上达到了3.4 J/g，远高于其他形式的发电机[3]。

DE发电机的发展有20多年的历史，DE材料的研究先驱是Pelrine等[4]，其发现了DE的电致大变形并且设计了一种平面DEG，该DEG的能量密度达到了400 J/kg。哈佛大学Suo[5]课题组从能量角度利用连续介质力学和热力学理论建立了DE的本构关系。Chiba等[6]利用VHB4905材料设计了一种收集海洋能的DEG，该装置在浪高0.5 m的条件下可产生50 W的功率。Huang等[7]通过等双轴拉伸方式的设计，将VHB4905材料的DEG能量密度大幅提高到了560 J/kg。Shian等[8]优化了Huang的DEG设计，证明其能量密度可以达到780 J/kg。在风力发电领域，Zhang等[9]设计了一种基于介电弹性体的风力发电机，其本质是一种振动冲击式发电机，通过扇叶旋转时内部刚性球的撞击来拉伸或压缩介电弹性体，达到能量收集的目的。根据计算此介电弹性体风力发电机在风速3.99 m/s的情况下有0.7125 mw的功率。但是，就目前报道的DEG来看，最大能量密度还远低于理论计算值，并且DEG的发电效率较低。因此，研发效率更高、能量密度更大的DEG便是学者们追求的目标，本文旨在设计一种效率更高的风力DEG，该风力DEG拥有更大的功率和能量转换效率，进而为风力DEG的商业化进程作出贡献。

1 发电机结构介绍

1.1 DE发电原理

DE材料其上、下2个表面都涂上柔性电极（如碳膏）后，其基本功能与可变电容器等效。DE的能量转换分为“1张拉→2施加电荷→3卸载→4放电”4个阶段，1阶段薄膜拉伸变形至最大状态，表面积增大，厚度变小，电容达到最大；2阶段对电容器上下表面施加电压，正负电荷流入柔性电极，结构具有初始电势能；3阶段卸载，撤去外力，薄膜受到弹性恢复力和电场力共同作用，弹性恢复力大于电场力使薄膜发生回弹，电场力做负功，电能增大，完成机械能向电能的转化；4阶段导出电荷，将电能进行收集，材料进入下一轮循环。通过上述的力电循环过程，机械能转换为了电能，据此原理便可设计DE发电机。

1.2 风力DEG

根据DE发电原理设计DEG，主要技术过程为：利用风能使风车转动，通过内部的机械结构使介电弹性体做周期性的拉伸与压缩运动，在适当的时候对其进行充放电，将产生的电能进行收集，实现“风能—机械能—电能”的转化。本文在充分借鉴前人设计的基础上，提出了一种新型的风力DEG，其结构如图1所示。

图1 风力DEG结构示意图

图1 结构包括1-风车，2-齿轮传动机构，3-介电弹性体，4-隔板，5-连接杆件，6-机壳，7-轴承支座，8-U形连杆；齿轮传递机构包括201-旋转轴，202-从动杆，203-固定杆，204-齿轮滑块，205-滑槽，206-驱动轴。风车和从动杆分别与旋转轴的两端相连，从动杆的底端由铆钉与固定杆相连接，在从动杆上，设有2个垂直的导向槽（如图2所示），用来连接旋转轴与齿轮滑块上的滑钉，齿轮滑块与驱动轴由齿轮啮合连接。风车旋转时对从动杆的驱动，使齿轮滑块在滑槽内反复滑动，并以此为动力，使驱动轴做半周期反复转动，从而带动连接杆，连接杆与驱动轴类似于曲柄连杆机构，可以使介电弹性体进行周期性的拉伸和压缩运动，进而将风能转化为机械能再转化为电能。

图2 从动杆的结构示意图

机壳为风车的主要保护部件，传动机构和发电模块均布置在机壳内部。驱动轴的两侧设置对称分布的介电弹性体发电单元，共12个发电单元；每个介电弹性体发电单元包括2个介电弹性体模块，共24个介电弹性体模块，介电弹性体模块个数的设置可以根据机壳的大小任意调整，本文以24个为例。相邻2个介电弹性体模块之间设置隔板并通过U形连杆连接，介电弹性体单元的隔板与机壳的连接。各介电弹性体薄膜的2个表面均涂有柔性电极层并与电源相连。

工作时，风带动风车转动，当风车旋转至从动杆与旋转轴圆盘切线平行时，齿轮滑块会向左运动到最大位置，此时介电弹性体均被拉伸或压缩到最大位置，相邻介电弹性体模块的运动状态相反。随着转动角度持续增加，从动杆将绕铆钉沿顺时针方向转动，带动滑块向右侧滑动，使驱动轴沿顺时针方向转动。此时，介电弹性体模块将被压缩或拉伸，当旋转角度为180°时，介电弹性体模块恢复至原长。此时，每个介电弹性体模块都已进行一次“拉伸—压缩”（或“压缩—拉伸”）运动。当旋转角度从180°增加到360°时，每个介电弹性体模块的运动状态都与从0°转到180°过程中的运动状态相反。并且转到360°时再次恢复原长。此时每个介电弹性体模块又发生一次“拉伸—压缩”（或“压缩—拉伸”）运动。从以上描述可以看出，当旋转轴旋转一周（360°）后，每个介电弹性体都会经历2次周期运动，从而达到使介电弹性体进行周期性拉伸和压缩运动的目的，并通过其自身的性质，将机械能转换为电能。

2 介电弹性体拉伸距离计算

本文的风力DEG通过合理的机械结构设计，可以顺利地将风能转换为使介电弹性体拉伸与压缩的机械能，根据介电弹性体的发电原理，介电弹性体的拉伸与压缩幅度与发电量密切相关，拉伸幅度越大，DEG的电容变化越大，就能够存储更多的电能。因此，需要计算出本DEG中介电弹性体的拉伸距离。

首先，风车叶片的大小可以根据输入机械能的要求进行调整。其次，旋转轴上销钉的转旋半径可以根据不同的工况进行调整，旋转轴上销钉的旋转半径越大，从动杆的摆动幅度也越大，进而使驱动轴的摆动幅度增加，驱动轴与介电弹性体模块的连接如图3所示，该驱动结构的作用与曲柄连杆机构类似，都是将旋转运动转换为直线运动，区别在于本文中的驱动轴做周期性的摆动，驱动轴的摆动幅度越大，DE模块的拉伸距离越大。风车和齿轮机构可以根据实际工况及工厂的生产能力进行确定，本文主要关注驱动轴与介电弹性体模块的连接部分，由于结构对称，将该部分取1/4进行简化分析，如图4所示，设其中2杆的长度相等，令杆长为L，则介电弹性体的最大移动距离s为

图3 DE模块驱动结构

图4 驱动结构运动范围

假设L为100 mm。根据公式（1）可以确定介电弹性体最大拉伸距离约为73.2 mm。拉伸距离为连接杆长度的73.2%，实际应用中可以根据需要拉伸的距离来配置连接杆长度。

3 结论

与其他形式的发电机和已有的风力DEG相比，本文的新型风力发电机具有以下优势。

1）本发电机利用新型智能材料DE进行发电和由于材料本身具有疲劳寿命高、成本低、能量密度高和机电转换效率高等优势，致使DEG能够拥有成本低、能量密度高等优势，该发电机有着巨大的研究价值和广阔的商业前景。

2）风力发电领域，本发电机利用简单的机械结构，将风能转换为机械能，结构新颖且实用。本发电机的机械结构具有可调节性，调节性体现在2个方面，一是旋转轴上销钉的转旋半径和从动杆长度可调节，二是连接杆长度可调节。通过适当的调节，可以增大介电弹性体的拉伸和压缩幅度，增大介电弹性体的变形，提高其发电量。

3）本发电机可以根据需要放置介电弹性体模块，每个介电弹性体模块又可以根据需要放置多个DE薄膜，越多的DE，意味着更高的发电效率及更大的发电量。

本发电机能够提高风力DE发电机的发电量和发电效率，降低化石燃料消耗对环境的污染，对新型可再生能源和工业应用领域的发展都有一定的理论意义和实际应用价值，与国家的新能源发展战略相适应。本文对介电弹性体风力发电机只进行了结构设计，并未对电路进行设计，虽然有很多成熟的电路设计可以借鉴，但是设计一个与本文中机械结构相匹配的电路系统会进一步提高发电效率，电路设计是需要努力的方向。