CN101459390A - 一种介电弹性体材料在发电机上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种介电弹性体材料在发电机上的应用，属于介电弹性体材料在发电机领域的应用。一、采用变形量大的弹性体基质；二、屈从电极材料采用石墨，通过渗入工艺将石墨均布于该弹性体基质的上、下表面，形成介电弹性体材料，由此介电弹性体材料作为可变电容装置；三、该可变电容装置一端连接偏置电压产生装置、另一端连接电压输出装置；四、固定支撑装置与该可变电容装置连接。本发明具有结构简单、效率高、成本低、重量轻、完全无污染等突出特点，可省去目前风力发电中较昂贵的塔结构，发电机构大大简化，大幅降低成本，发电场合的选择更加灵活。
Description
技术领域
本发明涉及一种电活化聚合物—介电弹性体、基于介电弹性体的可变电容原理将其用于分布式发电领域。
背景技术
介电弹性体是在弹性体基质的上下表面渗入屈从电极材料而形成的、基于麦克斯韦效应的一种新型功能材料，目前的研究主要集中在驱动领域。目前的风力发电机的工作原理为电磁式，一般由风轮、发电机、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。结构复杂，电能转换的效率较低，发电成本高。对于风场选址要求较高，需常年有风能提供的地区，一般远离市区，维护不方便，且提高了送变电成本。
发明内容
本发明将介电弹性体材料用于发电机领域，提供一种新型的分布式发电机。本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：
一、采用变形量大的弹性体基质；
二、屈从电极材料采用石墨，通过渗入工艺将石墨均布于该弹性体基质的上、下表面，形成介电弹性体材料，由此介电弹性体材料作为可变电容装置；
三、该可变电容装置一端连接偏置电压产生装置、另一端连接电压输出装置；
四、固定支撑装置与该可变电容装置连接。
本发明一种实施方式是：在变形量为150％的范围内，受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在20～50微米。
本发明一种实施方式是：介弹性体基质采用丙烯酸弹性体。
本发明一种实施方式是：丙烯酸弹性体采用1～6层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构。
一种基于介电弹性体材料的发电机，固定支撑装置与可变电容装置连接，可变电容装置一端连接偏置电压产生装置，可变电容装置另一端电压输出装置，该可变电容装置的结构是弹性体基质的上端面、下端面为渗碳或石墨薄膜电极。
本发明一种基于介电弹性体材料的发电机的一种实施方式是：在变形量为150％的范围内，受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在20～50微米。
本发明一种基于介电弹性体材料的发电机的一种实施方式是：弹性体基质采用丙烯酸弹性体。
本发明一种基于介电弹性体材料的发电机的一种实施方式是：丙烯酸弹性体采用1～6层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构。
本发明的工作原理：当发电机在外力作用下产生大变形、即大电容状态下，为其提供初始电压，电荷注入到介电弹性体的渗碳或石墨薄膜电极上(见图1(a))；当发电机收缩(见图1(b))时，异性电荷被推离，同性电荷被压缩靠近，从而提高了电荷电压，完成电能的转换。即发电机的一个伸展—收缩周期即为一个发电周期。产生的电能可以存储起来，或为负载供电。
本发明的发电原理可简化为图1(a)、(b)所示，可变电容装置在伸展状态即大电容状态下，电荷注入到介电弹性体的渗碳或石墨薄膜电极上。当在外力作用下紧缩弛豫即小电容时，弹性体材料的弹性应力抵抗电场力，提高了电能。从微观上看，厚度增加时，由于异性电荷被推离，同性电荷被压缩靠近，提高了电荷电压。可见，当外力作用在具有预加电压的介电弹性体材料上使其变形时，通过电容的改变即可发电，变形越大，发电能力越强。而介电弹性体材料的发电过程即为介电弹性体材料的伸展与弛豫的交替过程。图1(a)、(b)中Vin为预加的偏置电压，V(t)为介电弹性体材料的输出电压。
本发明通过捕获大量的风或海浪的运动等，进而使介电弹性体材料产生大的变形而发电。为此，采用变形量大的丙烯酸弹性体；在弹性体的制造上，采用多层介电弹性体薄膜复合、有突起的蜂窝状变形结构，进一步增大薄膜型材料的表面积，以提高其变形量，见图2。屈从电极材料采用石墨，通过渗入工艺将石墨均布于丙烯酸弹性体薄膜材料的上下表面，在变形量为150％的范围内，石墨电极受缩状态时的厚度在20至50微米范围内，保证在伸展状态下不会出现电极断裂。
本发明将介电弹性体材料用于发电领域，特别适于针对低频、大变形的能量源而发电的场合，如利用风力及海浪运动而发电。
与目前的风力发电相比较，介电弹性体材料在可再生能源如风力及海浪等分布式发电中独具优势。与电磁或压电材料等比较，介电弹性体材料(丙烯酸弹性体为例)具有以下突出特点：①具有最大发电比能量，为0.4J/g(目前测得值，理论上可达1％以上)。与之比较，压电材料中具有最优性能的单晶陶瓷(PZN-PT)约为0.1J/g；电磁材料约为0.04J/g(峰值)。②具有最大应变变形，可达380％。电磁材料为50％，单晶陶瓷(PZN-PT)约为1.7％。③可与能量源直接耦合，无需中间转换环节。④柔顺性、耐冲击、材料密度低、成本低。
利用介电弹性体材料制造的发电机将具有结构简单、效率高、成本低、重量轻、完全无污染等突出特点，并行、高分布式将是这种发电机的显著构造特征；可省去目前风力发电中较昂贵的塔结构，发电机构大大简化，大幅降低成本，发电场合的选择更加灵活。
附图说明
图1(a)是本发明的原理图；伸展状态。
图1(b)是本发明的原理图；收缩状态。
图2(a)是介电弹性体材料的结构示意图。
图2(b)是图2(a)俯视图。
图3(a)是本发明实施例2的结构示意图。
图3(b)是图3(a)图的左视图。
图4是本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
包括下列步骤：
一、采用变形量大的丙烯酸弹性体基质；丙烯酸弹性体采用1层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构；
二、屈从电极材料采用石墨，通过渗入工艺将石墨均布于该丙烯酸弹性体基质的上、下表面，在变形量为150％的范围内，受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在20微米；形成介电弹性体材料，由此介电弹性体材料作为可变电容装置；
三、该可变电容装置一端连接偏置电压产生装置、另一端连接电压输出装置；
四、固定支撑装置与该可变电容装置连接。
实施例2
包括下列步骤：
一、采用变形量大的丙烯酸弹性体基质；丙烯酸弹性体采用4层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构；
二、屈从电极材料采用石墨，通过渗入工艺将石墨均布于该丙烯酸弹性体基质的上、下表面，在变形量为150％的范围内，受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在35微米；形成介电弹性体材料，由此介电弹性体材料作为可变电容装置；
三、该可变电容装置一端连接偏置电压产生装置、另一端连接电压输出装置；
四、固定支撑装置与该可变电容装置连接。
实施例3
包括下列步骤：
一、采用变形量大的丙烯酸弹性体基质；丙烯酸弹性体采用6层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构。
二、屈从电极材料采用石墨，通过渗入工艺将石墨均布于该丙烯酸弹性体基质的上、下表面，在变形量为150％的范围内，受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在50微米；形成介电弹性体材料，由此介电弹性体材料作为可变电容装置；
三、该可变电容装置一端连接偏置电压产生装置、另一端连接电压输出装置；
四、固定支撑装置与该可变电容装置连接。
实施例4
固定支撑装置4与可变电容装置1连接，可变电容装置1一端连接偏置电压产生装置2，可变电容装置另一端电压输出装置3，该可变电容装置的结构是弹性体基质101的上端面、下端面为渗碳或石墨薄膜电极102；受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在20微米；弹性体基质采用丙烯酸弹性体，丙烯酸弹性体基质采用1层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构。
实施例5
固定支撑装置4与可变电容装置1连接，可变电容装置1一端连接偏置电压产生装置2，可变电容装置另一端电压输出装置3，该可变电容装置的结构是弹性体基质101的上端面、下端面为渗碳或石墨薄膜电极102；受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在35微米；弹性体基质采用丙烯酸弹性体，丙烯酸弹性体基质采用4层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构。
本实施例中，固定支撑装置如图3(a)和(b)所示，它是一种利用风力发电的装置，可变电容装置在风力作用下产生大变形、即大电容状态下，为其提供初始电压，电荷注入到介电弹性体的渗碳或石墨薄膜电极上(见图1(a))；当发电机收缩(见图1(b))时，异性电荷被推离，同性电荷被压缩靠近，从而提高了电荷电压，完成电能的转换。即发电机的一个伸展—收缩周期即为一个发电周期。产生的电能可以存储起来，或为负载供电。
实施例6
固定支撑装置4与可变电容装置1连接，可变电容装置1一端连接偏置电压产生装置2，可变电容装置另一端电压输出装置3，该可变电容装置的结构是弹性体基质101的上端面、下端面为渗碳或石墨薄膜电极102；受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在50微米；弹性体基质采用丙烯酸弹性体，丙烯酸弹性体基质采用6层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构。
本发明的上部固定一个浮球，浮在海面，下部固定在地上，通过捕获大量的风或海浪的运动等，进而使介电弹性体材料产生大的变形而发电。
Claims (8)
1、一种介电弹性体材料在发电机上的应用，其特征在于：包括下列步骤：
一、采用变形量大的弹性体基质；
二、屈从电极材料采用石墨，通过渗入工艺将石墨均布于该弹性体基质的上、下表面，形成介电弹性体材料，由此介电弹性体材料作为可变电容装置；
三、该可变电容装置一端连接偏置电压产生装置、另一端连接电压输出装置；
四、固定支撑装置与该可变电容装置连接。
2、根据权利要求1所述的介电弹性体材料在发电机上的应用，其特征在于：在变形量为150％的范围内，受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在20～50微米。
3、根据权利要求1或2所述的介电弹性体材料在发电机上的应用，其特征在于：介弹性体基质采用丙烯酸弹性体。
4、根据权利要求3所述的介电弹性体材料在发电机上的应用，其特征在于：丙烯酸弹性体采用1～6层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构。
5、一种基于如权利要求1所述的介电弹性体材料的发电机，其特征在于：固定支撑装置与可变电容装置连接，可变电容装置一端连接偏置电压产生装置，可变电容装置另一端电压输出装置，该可变电容装置的结构是弹性体基质的上端面、下端面为渗碳或石墨薄膜电极。
6、根据权利要求5所述的基于介电弹性体材料的发电机，其特征在于：在变形量为150％的范围内，受缩状态下的渗碳或石墨薄膜电极的厚度在20～50微米。
7、根据权利要求5或6所述的基于介电弹性体材料的发电机，其特征在于：介电弹性体材料采用丙烯酸弹性体。
8、根据权利要求7所述的基于介电弹性体材料的发电机，其特征在于：丙烯酸弹性体采用1～6层丙烯酸弹性体薄膜复合、表面有突起的蜂窝状变形结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090617 |