【摘 要】
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随着新型可再生能源形式的不断开发和利用,介电弹性体因其高能量密度和低成本易加工等优点在发电机、驱动器和传感器等领域逐渐显现出巨大的研究价值。其中介电弹性体发电机（Dielectric Elastomer Generator,DEG）已经在将自然界（海浪、风能等）或人体运动中机械能转换为电能方面有所应用。本文在基于三明治结构介电弹性体发电机理研究分析的基础上,对DEG发电单元发电量测试和能量收集存储
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随着新型可再生能源形式的不断开发和利用,介电弹性体因其高能量密度和低成本易加工等优点在发电机、驱动器和传感器等领域逐渐显现出巨大的研究价值。其中介电弹性体发电机（Dielectric Elastomer Generator,DEG）已经在将自然界（海浪、风能等）或人体运动中机械能转换为电能方面有所应用。本文在基于三明治结构介电弹性体发电机理研究分析的基础上,对DEG发电单元发电量测试和能量收集存储电路进行理论探索和实验研究,使其适应可穿戴、小型化的发展趋势。具体研究内容如下:1.基于DEG发电原理,分析总结了常用的DEG恒电荷、恒电场和恒电压发电循环最大转换能量和电能转化效率,确定恒电荷循环在更小的电路成本下可以获得最大的电能转换效率,构建了DEG机电耦合方程,对影响恒电荷发电量的DEG机电参数进行研究,结果显示拉伸率是影响恒电荷发电量最重要的因素,提出了多层DEG并联发电原理。2.基于硅橡胶介电层材料,自主优化设计单双层DEG发电单元复合成型及封装工艺,根据恒电荷发电原理,搭建了自动充放电实验测试平台。单双层DEG发电单元发电实验结果显示,随着拉伸率和充电电压的不断增加,单双层DEG发电单元发电量不断增加,两者倍数关系明显,当充电电压为1000V,拉伸率为2.1时,单双层DEG发电单元产生的能量分别为5.170m J和9.112m J,验证了单双层发电单元成型封装工艺的可靠性和多层DEG并联发电原理的正确性。3.针对DEG输出能量特点,设计了一种DEG三阶降压存储电路,经仿真和实验验证,降压存储电路可以将DEG输出的高电压少电荷能量转换为低电压多电荷的能量形式存储在固定电容中,经300次降压循环存储测试,结果显示,DEG降压存储效率为20.15%,与仿真结果吻合。本文所提出设计的单双层DEG发电单元成型和测试方法,以及降压存储能量回收电路,为后续可穿戴、灵活的多层介电弹性体发电器件的设计及性能测试奠定了基础。
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