原文信息：
Enhancing the energy conversion efficiency of dielectric elastomer generators via elastic energy storage and recovery
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924022372
Highlights
建立了考虑弹性能储存与释放的介电弹性体能量收集模型。
提出了通过弹性能储存与释放提升介电弹性体发电机能量转换效率的方法。
开发了扇叶直径6 cm、可在1.57 m/s低风速下工作的微型风能收集装置。
Abstract
Small-scale wind energy harvesters have promising applications in driving low-power sensors, lighting, robots, and other appliances. However, traditional electromagnetic generators face challenges in small-size harvesters and at low frequencies. Dielectric elastomer generators (DEGs) can achieve energy harvesting under small deformation and have the potential for miniaturization. Inspired by the elastic energy storage and recovery mechanisms observed in biological tendons and muscles, we proposed a methodology to enhance the energy conversion efficiency of DEGs. By establishing an electro-mechanical model for calculating the energy flow during the energy harvesting process, we systematically investigated the principles of DEG energy harvesting under different situations and the role of elastic energy storage and recovery in improving efficiency. Building upon this theoretical foundation, we designed a small wind turbine with a 6 cm rotor diameter and achieved energy harvesting at a low wind speed of 1.57±0.07 m/s.
Keywords：
Energy harvesting 能量收集
Dielectric elastomer generator 介电弹性体发电机
Wind energy 风能
Energy conversion efficiency 能量转换效率
Elastic energy storage and recovery 弹性能储存与释放
Graphics
图1 弹性能量储存与释放机制下的DEG概念设计。(A) 文献中小型风力涡轮机尺寸和工作风速的总结。(B) 介电弹性体发电机的工作原理。(C) 生物动力学和介电弹性体中的弹性能量储存与释放现象。(D) 从生物运动中的肌腱到DEG旋转机构设计。(E) 微型风能收集装置示意图。
图2 单轴拉伸时DEG能量转换过程的循环示意图。黄色阴影区域中为整体电路模型。
图3 不同类型的能量收集过程中的能量转换。其中A、B属于类型1；C、D属于类型2；E、F属于类型3。(A、C、E) DEG能量收集装置的示意图和照片。(B、D、F) DEG的能量转换过程示意图。
图4 材料与器件制造过程。(A) 两种材料的应力-应变曲线。材料A的平均杨氏模量为~70kPa，材料B的平均杨氏模量为~350kPa。(B) DEG的制造与组装过程。(C) DE薄膜和电极的内部结构。比例尺代表0.1毫米。
图5.不同情形下的DEG能量收集。其中A、B属于类型1；C、D属于类型2；E、F、G属于类型3。(A) 步进电机拉伸DE薄膜的过程。(B) 不同拉伸比下的转换效率和平均输入功率曲线。(C) DE薄膜的单次拉伸、振荡过程。(D) 不同拉伸比下的能量转换效率和总输出电能。(E) 风能收集过程和装置。(F) 不同拉伸比下的能量转换效率和平均输入功率曲线。(G) 不同风速下的平均输出功率和能量转换效率曲线（材料A，拉伸比为130%）。(H) 单次极化后DEG持续工作的平均输出功率-时间曲线。
团队介绍
本研究由清华大学机械工程系、中国海洋大学工程学院、宁夏大学机械工程学院研究人员共同完成。
通讯作者：
赵慧婵，清华大学机械工程系长聘副教授、博士生导师，国家优秀青年基金获得者，主要从事机器人新原理功能部组件的设计与研制，围绕高功率密度柔性人工肌肉和高延展率柔性传感器开展基础研究，并探索新形态刚柔耦合机器人本体设计方法，研发了柔性管道机器人、微型扑翼飞行器、考古预探测机器人等原型样机，相关成果发表于Nature、Science Robotics、Nature Communications、IEEE Transactions on Robotics（T-RO）、IJRR、Advanced Functional Materials等。入选国家海外高层次人才计划青年项目、麻省理工科技评论科技创新35人中国榜(MIT TR35 China)、福布斯中国科学领域精英榜(Forbes 30 Under 30)，获评北京青年五四奖章、阿里达摩院青橙奖、熊有伦智湖优秀青年学者奖、清华大学良师益友奖、清华大学学术新人奖等。
汤超，中国海洋大学工程学院副教授，博士生导师，山东省泰山学者青年专家，担任《水下无人系统学报》以及Soft Science青年编委，Engineering Research Express咨询委员会成员，在Science Robotics、Advanced Intelligent Systems、Smart Materials and Structures等期刊发表学术论文30余篇，主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、山东省自然基金青年项目等，长期从事介电弹性体人工肌肉新原理器件的机理探索、构型设计及机器人应用。
第一作者：王众，现于清华大学机械工程系攻读博士学位，主要从事软体机器人、能量收集等领域的研究。
关于Applied Energy
本期小编：董增澳 ；审核人：赵慧婵
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