一种基于振荡水柱式的介电弹性体波浪能发电机

1.本实用新型属于能量收集领域，更具体地，涉及一种基于振荡水柱式的介电弹性体波浪能发电机。


背景技术：

2.波浪能具有全球分布广、环境友好、可在生等优点。在“碳中和”等大背景下，收集波浪能具有重要时代意义。然而现有波浪能发电机主要为电磁发电机，具有机械结构复杂、易被腐蚀、价格昂贵等缺点。介电弹性体发电机(dielectric elastomer generators，deg)具有机械结构简单、易变形、能量密度大、成本低等优点，为波浪能开发提供了一个新的方向。然而传统基于介电弹性体的波浪能发电机严重依赖外接高压电源以及缺乏有效能量收集方法，使介电弹性体商业化收集波浪仍有距离。基于此，本实用新型提出了一种基于振荡水柱式的介电弹性体波浪能发电机，无需外接高压电源，即可高效收集波浪能。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于振荡水柱式的介电弹性体波浪能发电机，其目的在于实现无需外接高压电源即可具备使用介电弹性体收集波浪能。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种基于振荡水柱式的介电弹性体波浪能发电机，包括振荡水柱式腔体、半球形介电弹性体电容、小电荷电源、自偏置稳压电路和外接负载；
6.所述的振荡水柱式腔体固定在堤坝上，腔体底部朝向波浪的方向设有波浪进水口，腔体内位于波浪进水口的上方设有密封的气室，气室的顶部与所述的半球形介电弹性体电容连通，且气室能够在内外压力差的作用下带动半球形介电弹性体电容收缩和膨胀；
7.所述的半球形介电弹性体电容是由可拉伸的介电弹性体、外侧柔性电极和内侧柔性电极构成的三层结构，所述的内侧柔性电极和外侧柔性电极分别接通自偏置稳压电路；所述的外接负载串联在内侧柔性电极与自偏置稳压电路之间和/或外侧柔性电极与自偏置稳压电路之间，用于收集电能并向外部输出；所述的自偏置稳压电路并联在小电荷电源的两侧。
8.作为本实用新型的优选，所述的波浪进水口低于静止水面的高度，半球形介电弹性体电容高于静止水面的高度。
9.作为本实用新型的优选，所述的内侧柔性电极与自偏置稳压电路之间设有第一外接负载，外侧柔性电极与自偏置稳压电路之间设有第二外接负载。
10.作为本实用新型的优选，所述的第一外接负载和第二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。
11.作为本实用新型的优选，所述的自偏置稳压电路包括稳压二极管、以及与稳压二极管并联的自偏置电路，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改变内部电容的串并联状态。
12.作为本实用新型的优选，在半球形介电弹性体电容处于膨胀状态时，自偏置电路中的内部电容转变为并联高电容状态，自偏置电路向半球形介电弹性体电容输出电荷；在半球形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，半球形介电弹性体电容向自偏置电路输入电荷。
13.作为本实用新型的优选，所述的自偏置电路包括两个内部电容和三个内部二极管；
14.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；
15.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。
16.作为本实用新型的优选，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，所述的外侧柔性电极和内侧柔性电极材料选自导电硅脂、银纳米线、水凝胶、离子导体中的任一种。
17.与现有技术相比，本实用新型实用新型的优势在于：本实用新型通过将一个半球形的介电弹性体电容连通振荡水柱式腔体的气室，利用波浪冲击气室产生气室内外压差，引起半球形的介电弹性体电容拉伸或者压缩，半球形有利于整理形变更加均匀，通过形变引起其两侧的电容值和电压值变化，使得在半球形的介电弹性体电容与自偏置稳压电路之间产生电流，流经外接负载后被收集或利用，有效地将波浪能转化成电能，无需外接高压电源，可在恶劣环境条件下长期稳定运行。
附图说明
18.图1是本实用新型实施例中以电阻器件作为负载的示意图。
19.图2是本实用新型本实施例中以发光二极管作为负载的示意图。
20.图3是本实用新型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。
21.图4是自偏置稳压电路与介电弹性体电容之间的电荷传输示意图，此时自偏置稳压电路内的电容为串联状态；
22.图5是自偏置稳压电路与介电弹性体电容之间的电荷传输示意图，此时自偏置稳压电路内的电容为并联状态。
23.图中：1-波浪，2-波浪进水口，3-振荡水柱式腔体，4-柔性电极，5-介电弹性体，6-气室，7-堤坝，8-电阻器件负载，9-电容，10-整流桥，11-稳压二极管，12-驻极体电源，13-半球形介电弹性体电容，14-自偏置稳压电路，15-小电荷电源，16-发光二级管负载，17-由整流桥和电容组成的充电负载，18-自偏置稳压电路串联状态，19-自偏置稳压电路并联状态。
具体实施方式
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。
25.如图1所示，本实用新型公开的一种基于振荡水柱式的介电弹性体波浪能发电机主要由五部分组成：振荡水柱式腔体3、半球形介电弹性体电容13、外接负载、自偏置稳压电路14和小电荷电源15。
26.所述的振荡水柱式腔体固定在堤坝上，腔体底部朝向波浪的方向设有波浪进水口2，腔体内位于波浪进水口2的上方设有密封的气室6，气室的顶部与所述的半球形介电弹性体电容连通，且气室能够在内外压力差的作用下带动半球形介电弹性体电容13收缩和膨胀。
27.所述的半球形介电弹性体电容13是由可拉伸的介电弹性体5、外侧柔性电极和内侧柔性电极构成的三层结构，所述的内侧柔性电极和外侧柔性电极分别接通自偏置稳压电路；所述的外接负载串联在内侧柔性电极与自偏置稳压电路之间和/或外侧柔性电极与自偏置稳压电路之间，用于收集电能并向外部输出；所述的自偏置稳压电路并联在小电荷电源的两侧。
28.所述的自偏置稳压电路包括稳压二极管、以及与稳压二极管并联的自偏置电路，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改变内部电容的串并联状态。本实施例中，自偏置电路包括两个内部电容和三个内部二极管；
29.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；
30.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。
31.当自偏置电路向介电弹性体电容13输出电荷时，所述自偏置电路的内部电容呈并联状态，当介电弹性体电容13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。
32.在波浪能发电机工作过程中，半球形介电弹性体电容13处于膨胀状态时，自偏置电路中的内部电容转变为并联高电容状态，自偏置电路向半球形介电弹性体电容13输出电荷；半球形介电弹性体电容13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，半球形介电弹性体电容13向自偏置电路输入电荷。
33.本实用新型实施例中，初始由小电荷电源15为自偏置稳压电路14和介电弹性体电容13提供初始电荷，当波浪引起介电弹性体电容膨胀时，其电压降低且电压降低到阈值时，自偏置稳压电路转变为并联状态并向介电弹性体电容13输出电荷；反之，当波浪引起介电弹性体电容收缩时，介电弹性体电容电压升高且电压到达阈值时，自偏置稳压电路转变为串联状态，介电弹性体电容13向自偏置稳压电路提供电荷，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稳压电路14的稳压二极管11的阈值时，多余电荷会被释放。
34.本实施例中，所述的介电弹性体电容13中的介电弹性体5为弹性可拉伸材料，选自硅橡胶、嵌段共聚物、热塑性生物塑料中的任一种，外侧柔性电极和内侧柔性电极选自导电硅脂、银纳米线、水凝胶、离子导体中的任一种。
35.本实施例中，所述的小电荷电源通过整流桥10输出电荷，稳压二极管11并联在整流桥10的输出侧。小电荷电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。
36.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13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13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，在本实用新型的实施例中，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。
37.为了保证波浪能收集效果，所述的波浪进水口需低于静止水面的高度，半球形介电弹性体电容需高于静止水面的高度。
38.上述基于振荡水柱式的介电弹性体发电机收集波浪能方法为：
39.1.启动电源12，电流经过整流桥10后开始给介电弹性体电容13和自偏置电路中的内部电容充电，直至介电弹性体电容13两侧的电压稳定，将该电压值作为初始电压；
40.2.如图5所示，在波浪波峰进入气室6时，引起其内部压力变大，使介电弹性体电容13膨胀，介电弹性体电容13在内外压力的作用下发生膨胀变形，其两侧的柔性电极4之间的间距减小，电容值增大，电压值减小；此时由于自偏置电路两侧的电压值大于介电弹性体电容13所在支路的电压值，自偏置电路开始向介电弹性体电容13充电，直至介电弹性体电容13两侧的电压稳定；在充电过程中，电流流经外接负载后被收集；
41.3.如图4所示，在波浪波谷进入气室6时，引起其内部压力变小，使介电弹性体电容13收缩，介电弹性体电容13在内外压力的作用下发生收缩变形，其两侧的柔性电极4之间的间距增大，电容值减小，电压值增大；此时由于介电弹性体电容13所在支路的电压值大于自偏置电路两侧的电压值，介电弹性体电容13开始向自偏置电路充电，直至介电弹性体电容13两侧的电压稳定；在充电过程中，电流流经外接负载后被收集；由于自偏置电路输出电荷量大于输入电荷量，此时，介电弹性体电容13两侧的电压大于初始电压；
42.4.重复步骤2和步骤3，介电弹性体电容13两侧的电压不断增大，与介电弹性体电容13串联的外接负载收集的能量不能增大；当自偏置电路两侧的电压值达到稳压二极管11的最大稳压值时，通过介电弹性体5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稳定传输，由外接负载稳定持续的输出能量。