一种介电弹性体能量收集系统和方法

1.本发明属于机械能能量收集领域，更具体地，涉及一种介电弹性体能量系统和方法。


背景技术：

2.介电弹性体发电机(deg)作为一种发电机，具有柔性、质量轻、成本低等优点，能将人体运动能、风能、波浪能等环境中普遍存在的机械能进行有效收集并发电。然而，由于严重依赖外接高压电源以及缺乏有效的能量收集手段，介电弹性体发电机距离应用仍有距离。在现有技术中，已经提出了多种无需外加电源的新型发电机以收集环境中的机械能，如风能、波浪能、潮汐能等。在这些新型能量收集器件中，摩擦纳米发电机(teng)是最为活跃的能量收集新技术。teng的输出功率与转移电荷密度成正相关，为此，大量围绕提高发电机电荷密度的工作得以展开，以期望提高更大的输出功率。但由于空气击穿、空气湿度、摩擦条件等因素的影响，导致其电荷密度很难进一步提升，严重阻碍了此种类型发电机在能量收集领域的发展。
3.但是通过比较可以发现：传统的介电弹性能体发电机具有柔性好、质量轻、成本低、能量密度高等优点，但其需要外接电源，因而难以满足现有分布式的需求；teng具有能量收集方式多样化且无需外接电源的特点，但其电荷密度普遍较低。相比而言，本发明所涉及的介电弹性体能量收集系统具有两者共同的优点的同时，无需外接电源，即可实现高能量输出和高的转移电荷量。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种介电弹性体能量收集系统和方法，其目的在于实现无需外接电源即可具备介电弹性体发电机高输出性能并具有高电荷密度。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种介电弹性体能量收集系统，包括小电荷供给装置、介电弹性体电容、自偏置稳压电路和外接负载；
7.所述的自偏置稳压电路并联在小电荷供给装置的电源两侧，包括稳压二极管、以及与稳压二极管并联设置的自偏置电路，所述的自偏置电路由若干个内部电容和内部二极管构成，通过内部二极管的导通与关断实现内部电容呈现出串并联模式；所述的外接负载和介电弹性体电容串联后再与稳压二极管并联；
8.所述的介电弹性体电容为弹性可拉伸电容，由介电弹性体及其两侧的可变电极构成，所述的介电弹性体为弹性可拉伸材料；在介电弹性体电容处于拉伸过程中时，自偏置电路中的内部电容转变为并联高电容状态，自偏置电路向介电弹性体电容输出电荷；在介电弹性体电容处于收缩过程时，自偏置电路中的内部电容转变为串联高电压状态，介电弹性体电容向自偏置电路输入电荷。
9.作为本发明的优选，所述的介电弹性体材料选自硅橡胶、嵌段共聚物、热塑性生物塑料中的任一种，所述的其两侧的可变电极选自导电硅脂、银纳米线、水凝胶、离子导体中的任一种。
10.作为本发明的优选，所述的小电荷供给装置包括电源和整流桥，所述的电源的上下两个电极分别接入整流桥的输入侧，所述的稳压二极管并联在整流桥的输出侧。
11.作为本发明的优选，所述的整流桥由四个低导通电压二极管搭建而成。
12.作为本发明的优选，所述的自偏置电路为一阶形式，包括两个内部电容和三个内部二极管；
13.所述的两个内部电容相连，且在两个内部电容之间再串联一个第一内部二极管；每一个内部电容与第一内部二极管所在的支路外侧再并联一个第二内部二极管；所述的第二内部二极管的正极连接第一内部二极管的负极，第二内部二极管的负极连接第一内部二极管的正极；
14.当第一内部二极管导通时，第二内部二极管断开，两个内部电容串联；当第二内部二极管导通时，第一内部二极管断开，两个内部电容并联。
15.作为本发明的优选，所述的自偏置电路为二阶或多阶形式，包括2n个内部电容和2n+1个内部二极管，n为自偏置电路的阶数。
16.作为本发明的优选，所述外接负载为电阻器件、发光二极管或者由整流桥和电容组成的充电负载。
17.与现有技术相比，本发明的优势在于：
18.(1)本发明以介电弹性体薄膜为活动单元，具有质量轻、成本低、可拉伸、柔性好、空间自由度高和可裁剪的优点，进而适用于多种复杂的环境，如波浪能、风能和可穿戴能量收集装置。
19.(2)利用无源化的发电机和静电电压源替代电池等低压电源，实现介电弹性体发电机的全面无源化。且相较于化学电池等电源，无源化的摩擦发电机、驻极体发电机、压电发电机和静电电压源等可在高湿度和高温条件下可长期稳定的运行。
20.(3)传统的介电弹性体发电机产生100mj/g以上的能量输出密度，需要几十千伏外接电压源。本发明中利用介电弹性体电容和自偏置电路之间电容的变化，实现电荷在两者之间转移，产生电流，进而本发明可在无源、低电压条件下，实现高的转移电荷量25mc/m2和高的能量输出密度105mj/g。
附图说明
21.图1本发明实施例中以电阻器件作为负载的示意图。
22.图2是本发明本实施例中以发光二极管作为负载的示意图。
23.图3是本发明本实施例中以整流桥与电容作为可充电负载的结构示意图。
24.图4是自偏置电路与介电弹性体电容之间的电荷传输示意图，此时自偏置电路内的电容为并联高电容状态，自偏置电路向介电弹性体电容充电。
25.图5是自偏置电路与介电弹性体电容之间的电荷传输示意图，此时自偏置电路内的电容为串联高电压状态，介电弹性体电容向自偏置电路充电。
26.图6介电弹性体能量收集系统升压和稳压过程。
27.图7在介电弹性体能量收集系统升压阶段和稳压阶段，介电弹性体电容和自偏置电路之间的电流变化。
28.图8在介电弹性体能量收集系统升压阶段和稳压阶段，介电弹性体电容和自偏置电路之间的转移电荷量的变化。
29.图9是自偏置电路为2阶的介电弹性体能量收集系统，此时自偏置电路内的电容为并联高电容状态，自偏置电路向介电弹性体电容充电。
30.图10是自偏置电路为2阶的介电弹性体能量收集系统，此时自偏置电路内的电容为串联高电压状态，介电弹性体电容向自偏置电路充电。
31.图11是自偏置电路为多阶的介电弹性体能量收集系统。
32.图12是介电弹性体电容两侧的电压值及流经的电流值随着介电弹性体电容拉伸
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回缩过程的变化示意图。
33.图13是对图12的原理说明示意图。
34.图14是基于图12的自偏置电路开始向介电弹性体电容充电示意图。
35.图15是基于图12的介电弹性体电容开始向自偏置电路充电示意图。
36.图中：1
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介电弹性体，2
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可变电极，3
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电阻器件负载，4
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电容，5
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二极管，6
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稳压二极管，7
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驻极体电源，8
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介电弹性体电容，9
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自偏置稳压电路，10
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小电荷供给装置，11
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发光二级管负载，12
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由整流桥和电容组成的充电负载。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.本公开发明的介电弹性体能量收集系统主要由三部分组成：介电弹性体电容、外接负载、自偏置稳压电路、和小电荷供给装置10。
39.所述的自偏置稳压电路9并联在小电荷供给装置10的电源两侧，包括稳压二极管6、以及与稳压二极管6并联设置的自偏置电路，所述的自偏置电路由若干个内部电容4和内部二极管构成；所述的外接负载和介电弹性体电容8串联后再与稳压二极管6并联；当自偏置电路向介电弹性体电容8输出电荷时，所述自偏置电路的内部电容呈并联高电容状态，当介电弹性体电容8向自偏置电路输入电荷时，所述自偏置电路的内部电容呈串联高电压状态，以保证自偏置电路输出电荷量大于输入电荷量，所述的自偏置电路的内部电容在串并联转换过程中电荷量增加；本发明中，初始由小电荷供给装置为自偏置电路和介电弹性体电容8提供初始电荷，当拉伸介电弹性体电容时，其电压降低且电压降低到阈值时，自偏置电路转变为并联高电容状态并向介电弹性体电容8输出电荷；反之，当释放介电弹性体电容8时，介电弹性体电容电压升高且电压到达阈值时，自偏置电路转变为并联高电容状态且，介电弹性体电容8向自偏置电路提供电荷，同时在自偏置稳压内部电容在串并联状态转变过程中，电荷量增加，进而提高整个系统的带电量。同时，当系统电荷量超过自偏置电路的稳压二极管6的阈值时，多余电荷会被释放。
40.所述的介电弹性体电容8为弹性可拉伸电容，由介电弹性体1及其两侧的可变电极
2构成，所述的介电弹性体1为弹性可拉伸材料。所述的介电弹性体材料选自硅橡胶、嵌段共聚物、热塑性生物塑料中的任一种，所述的其两侧的可变电极选自导电硅脂、银纳米线、水凝胶、离子导体中的任一种。
41.如图1所示，所述的小电荷供给装置10包括电源7和整流桥5，所述的电源的上下两个电极分别接入整流桥2的输入侧，所述的稳压二极管6并联在整流桥2的输出侧。初始电荷的供应源可以是电池等有源电源的提供，或者摩擦纳米发电机、驻极体发电机，压电发电机或静态的摩擦/驻极体/压电电压源等无源电压源。所述的整流桥由四个低导通电压二极管搭建而成。
42.本实施例中，外接负载为电阻器件、发光二极管或者由整流桥和电容组成的充电负载。其中图1所示的是将两个电阻器件作为外接负载；图2所示的是将发光二极管作为外接负载，且介电弹性体电容8另一侧的外接负载可以是电阻器件，也可以是发光二极管，当电流通过发光二极管时，二极管发光。图3所示的是将由整流桥和电容组成的充电负载作为外接负载，其可以将电能存储到电容器中，且介电弹性体电容8另一侧的外接负载可以是电阻器件，也可以是充电负载。也就是说，在本发明的实施例中，负载的形式不局限于电阻，也可以是用于存储电能的电路或者某种功能的电子器件。
43.本发明的设计原理如下：
44.一、小电荷供给装置10的引入为发电系统提供了初始电荷，在外力作用下，由介电弹性体和可变电极所构成的介电弹性体电容8发生形变。参照公式：其中c、ε、s和d分别是介电弹性体电容的电容值、介电常数、面积和介电弹性体厚度，可知，在形变过程中介电弹性体电容值发生变化。
45.另由公式q＝cu，其中q和u分别是介电弹性体电容所带电荷量和电压，可知，电荷量一定的情况下，介电弹性体电容的电容变化将导致介电弹性体电容的电压发生变化。可知，沿着弹性体电容电极方向拉伸过程中，介电弹性体电容的电容值变大，其电压变小，反之，释放过程中，电容值变小，电压变大。
46.二、自偏置电路电荷的注入和输出方向由自偏置电路的内部二极管和介电弹性体电容8的电压大小控制，按内部二极管排布，在介电弹性体电容8的拉伸过程中，介电弹性体电容的电容值变大，其电压变小，即介电弹性体电容8的电压小于自偏置电路电压，由自偏置电路向介电弹性体电容8充电，自偏置电路中的内部电容处于并联高电容状态，自偏置电路中的正负电荷向介电弹性体输出，如图4所示；反之，介电弹性体电容回缩时，其电压升高，即介电弹性体电容8的电压大于自偏置电路电压，由介电弹性体电容8向自偏置电路充电，自偏置电路中的内部电容处于串联高电压状态12，介电弹性体中的电荷向自偏置电路流入，如图5所示。
47.三、通过对介电弹性体电容的拉伸和释放，与自偏置电路之间形成电荷的流动，即电流。自偏置稳压电路中的稳压二极管6起到将介电弹性体电容两端的电压限制在其击穿电压之下，进而保证介电弹性体能够稳定的工作。
48.本实施例中给出了一种图1所示的介电弹性体能量收集系统的结构：在介电弹性体材料聚丙烯酸酯薄膜1上下涂敷柔性电极材料导电油脂2，构成介电弹性体电容器，其中介电弹性体材料选用tesa 70410，厚度为0.1mm，导电油脂为日本信越，电极涂敷面积约为
10cm2；利用电容器和二极管构造自偏置电路，以保证自偏置电路向介电弹性体电容8输出的电荷量大于介电弹性体电容8向自偏置电路输入的电荷量，其中电容4大小均为100nf，同时引入稳压二极管用以稳定能量收集系统的电压，此种稳压电路也可以使用其它稳压电路；利用小电荷供给装置10为介电弹性体电容提供初始电荷。
49.本实施例中，这种自偏置稳压电路的电容的大小不限于100nf，其电容可根据实际情况调节。
50.如图6
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8所示，介电弹性体能量收集系统的工作状态分为两个阶段
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升压阶段和稳压阶段。
51.升压阶段：随着外力对系统不断做功，伴随着自偏置电路中的内部电容的不断进行串并联转换，系统内部的电荷不断增加，介电弹性体电容的电压不断升高，通过介电弹性体电容和自偏置稳压电路之间的两个外接负载3(以图1为例)的电流也在增加，即电荷量增加，如图6
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8中展示的升压阶段。
52.稳压阶段：介电弹性体电容的电压到达稳压状态时，即1200v时，由于稳压系统的稳压作用使其电压的最大值稳定在1200v，通过拉伸和回缩，正、负电荷在能量收集系统中的介电弹性体电容和自偏置电路中运动，即电流通过负载稳定持续的输出能量，如图6
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8中展示的稳压阶段。
53.在本发明的一项具体实施中，这种自偏置电路电路不限于图1
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3所示的一阶电路，也可以是图9
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11所示的二阶及其以上的多阶自偏置电路。
54.如一阶电路所示，包括两个内部电容和三个内部二极管；
55.所述的两个内部电容相连，且在两个内部电容之间再串联一个第一内部二极管；每一个内部电容与第一内部二极管所在的支路外侧再并联一个第二内部二极管(共计两个第二内部二极管)；所述的第二内部二极管的正极连接第一内部二极管的负极，第二内部二极管的负极连接第一内部二极管的正极；
56.当第一内部二极管导通时，第二内部二极管断开，两个内部电容串联；当第二内部二极管导通时，第一内部二极管断开，两个内部电容并联。
57.如二阶电路所示，包括四个内部电容和五个内部二极管。
58.如图9所示，在介电弹性体电容8处于拉伸过程中时，自偏置电路中的中间两个电容串联，然后再与两侧的电容并联，属于并联高电容状态，自偏置电路向介电弹性体电容8输出电荷；
59.如图10所示，在介电弹性体电容8处于收缩过程时，自偏置电路中的内部电容两两串联之后再并联，属于串联高电压状态，介电弹性体电容8向自偏置电路输入电荷。
60.电路也可以为2阶以上的多阶形式，可以包括2n个内部电容和2n+1个内部二极管，如图11所示，其连接方式均可实现本领域技术人员可理解的内部电容的串并联；其中多阶电路相较于一阶电路的优点在于在介电弹性电容电容变化率较小的情况下，其可以正常升压和并具有高的输出能量密度和转移电荷量。
61.上述介电弹性体能量收集系统的能量收集方法为：
62.1.启动电源7，电流经过整流桥5后开始给介电弹性体电容8和自偏置电路中的内部电容4充电，直至介电弹性体电容8两侧的电压稳定，将该电压值作为初始电压。
63.2.对介电弹性体电容8进行拉伸，在外界拉力的作用下介电弹性体1面积变大，厚
度减小，即其上下两侧的可变电极2之间的间距减小，其电容值增大，电压值减小，当介电弹性体1两侧的电压降低至任意一个内部电容电压时，自偏置电路转变为并联高电容状态，此时由于并联模式下的自偏置电路两侧的电压值大于介电弹性体电容8所在支路的电压值，自偏置电路开始向介电弹性体电容8充电，直至介电弹性体电容8两侧的电压稳定；在充电过程中，电流流经外接负载后被收集。
64.3.释放外界拉力，介电弹性体电容8中的介电弹性体1沿可变电极方向回缩，介电弹性体电容的面积减小，厚度增大，其两侧的可变电极2之间的间距增大，即介电弹性体电容8的电容值减小，电压值增大，当介电弹性体1两侧的电压升高至任意一个内部电容电压时，自偏置电路转变为串联高电压状态，此时由于介电弹性体电容8所在支路的电压值大于串联模式下的自偏置电路两侧的电压值，介电弹性体电容8开始向自偏置电路充电，直至介电弹性体电容8和串联高电压状态下的自偏置电路两侧的电压相等；在充电过程中，电流流经外接负载后被收集；经过自偏置电路在串联和并联模式下的切换，引起正负电荷的分离，增加了系统总的电荷量，提高了介电弹性体电容两侧的电压。
65.4.重复步骤2和步骤3，介电弹性体电容8两侧的电压不断增大，与介电弹性体电容8串联的外接负载收集的能量不断增大；自偏置电路两侧的电压不断升高，为防止介电弹性体被击穿，利用稳压二极管6进行稳压，通过介电弹性体1的拉伸
‑
回缩操作，即可实现正、负电荷在介电弹性体电容和自偏置电路中运动，对外接负载稳定持续的输出能量。
66.图12给出了上述能量收集过程中的实验数据，并选取几个节点(详见图12曲线上标注的1，2，3，4，5)对该过程进行说明。
67.如图13所示，1
‑
3为拉伸过程，当经过步骤1中的预充电结束后，介电弹性体电容两侧的电压值处于1的位置，当拉伸介电弹性体电容时，其两侧的电压减小，当电压降低至任意一个内部电容电压时，自偏置电路转变为并联高电容状态，如标记2所示的状态，继续拉伸，自偏置电路开始向介电弹性体电容充电，如图14所示。
[0068]3‑
5为释放过程，介电弹性体电容开始回缩，其两侧的电压增大，当介电弹性体两侧的电压升高至任意一个内部电容电压时，自偏置电路转变为串联高电压状态，如标记4所述的状态，继续回缩，介电弹性体电容开始向自偏置电路充电，如图15所示。
[0069]
图中，cs用于表示自偏置电路的内部电容值，c
d
用于表示介电弹性体电容值，q和q’表示系统的电荷量。经过自偏置电路在串联和并联模式下的切换，引起正负电荷的分离，增加了系统总的电荷量，提高了介电弹性体电容两侧的电压(如图12中标记5处的电压值大于初始标记1处的电压值)。
[0070]
本发明中利用介电弹性体电容和自偏置电路之间电容的变化，实现电荷在两者之间转移，产生电流(如图12中虚线表示的电流值)，进而本发明可在无源、低电压条件下，实现高的转移电荷量25mc/m2和高的能量输出密度105mj/g。
[0071]
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。