【摘 要】
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介电弹性体发电机(Dielectric elastomer generator,DEG)因能量密度高、质量轻、柔性等特点,其在机电转换领域具有较大优势。目前研究中的介电弹性体发电机存在以下不足:在能量收集过程中需要外置高压电源,“用电发电”,制约其应用研究。基于此,本文提出了一种交流工作模式的介电弹性体发电机:其无需外置高压电源,实现以交流模式收集电能。研究其输出性能,设计制作交流工作模式的介电弹
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:一种基于DEG的全柔性波浪能发电机工作机理 及关键技术研究(项目编号: 51976201)
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介电弹性体发电机(Dielectric elastomer generator,DEG)因能量密度高、质量轻、柔性等特点,其在机电转换领域具有较大优势。目前研究中的介电弹性体发电机存在以下不足:在能量收集过程中需要外置高压电源,“用电发电”,制约其应用研究。基于此,本文提出了一种交流工作模式的介电弹性体发电机:其无需外置高压电源,实现以交流模式收集电能。研究其输出性能,设计制作交流工作模式的介电弹性体波浪能发电机,收集波浪能,并利用其输出电能为温度无线传感器供电,实现温度数据的远距离无线传输。主要研究内容如下:1.交流工作模式的介电弹性体发电机设计。主要包括:驻极体静电电压源、自偏置电路、介电弹性体电容器、稳压二极管等。驻极体静电电压源为自偏置电路和介电弹性体电容器提供初始电压,在介电弹性体电容器拉伸与释放的循环过程中,引起自偏置电路串、并联切换,实现介电弹性体电容器电压上升。利用二极管的反向截止功能,将介电弹性体电容器电压稳定在二极管截止电压。在介电弹性体电容器和自偏置电路之间串联负载,电荷在负载上循环流动,实现以交流工作模式收集电能。2.交流工作模式的介电弹性体发电机的能量输出性能研究。主要包括:探究介电弹性体电容器电容变化比、自偏置电路里电容与发电机转移电荷量密度、电能输出能量密度及升压次数的关系。研究介电弹性体电容器电压与转移电荷量密度、电能输出能量密度的关系。研究发电机在不同频率、不同湿度环境条件下的能量输出性能。研究发电机的内阻与输出功率的关系。最终得到了极限转移电荷量密度Qdensity为26 m C/m~2,对应的电能输出能量密度Edensity为61m J/g;稳定输出状态下的转移电荷量密度Qdensity为24.4 m C/m~2,对应的电能输出能量密度Edensity为52 m J/g。3.交流工作模式的介电弹性体波浪能发电机设计制作及无线远程自驱动系统构建。在实验中,利用造浪泵模拟波浪,驱动交流介电弹性体波浪能发电机工作,利用其输出电能为无线温度传感器供电,实现温度数据的远距离无线传输,传输距离达到1.7 km,进而构建无线远程自驱动系统。
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