电活性聚合物的力学性能及发电应用

依据电活性聚合物机械能向电能的转换机理,研究电活性聚合物发电原理.采用Mooney-Rivlin模型建立了电活性聚合物变形特性的数学模型,分析了材料在不同状态下的力学特性.并分析了电活性聚合物在静电场中的受力情况,能量收集方程及运动学方程.采用丹佛斯生产的电活性聚合物材料,构建电活性聚合物风力发电机实验平台;通过大量的实验研究,分析实验数据和现象,结果证实了电活性聚合物发电的原理.     

顺、逆流串联电路逆电渗析电堆发电系统能量转换效率研究

通过建立逆电渗析(RED)电堆能量转换模型,对稀和浓溶液顺、逆流时多个RED电堆(多电极)串联电路的发电系统进行理论研究.比较了顺、逆流两种流动方式下RED电堆流道总长、溶液流速以及RED电堆数量对系统能量转换效率及输出特性的影响.模拟计算结果表明:在设定参数下,降低溶液流速,增加流道总长和电堆数量均能提升系统能量转换效率.溶液逆流时的系统能量转换效率、输出电压和功率密度均高于溶液顺流时的情况.与溶液顺流时相比,逆流时溶液流速和流道总长的变化对系统能量转换效率的影响要大些,而电堆数量影响要小些.电堆数量增加会提高发电系统输出电压和功率密度,但总内阻也随之增加,导致系统推荐的工作范围变窄.     

介电弹性体发电实验研究

介电弹性体功能材料是具有优异性能的新型电场活化聚合物,特别适于针对低频、大变形的能量源而发电的场合。本文依据介电弹性体薄膜材料的结构特征,讨论了介电弹性体材料发电的基本机理,通过实验,分析了发电过程中弹性体材料面积大小对发电效率的影响,为介电弹性体材料在发电中的应用提供了依据。     

基于悬臂梁结构的压电能量收集器的机电转化效率分析

分析钢球和压电悬臂梁之间的碰撞过程,通过压电振子等效电路模型计算与实验数据分析,研究基于PMNT与PZT两种不同材料的悬臂梁压电能量收集器的输入机械冲击能量和输出电能之间的关系,分析各自机电转换效率受机电耦合系数的影响规律,采用钢球下落撞击悬臂梁结构压电振子的方式实现机械能到电能的转换.     

防波堤兼作振荡水柱波能装置的工作性能试验

为了考察防波堤兼作振荡水柱波能装置的实际发电性能，构建了物理模型并开展水工试验，试验中采用空气透平作为能量转换部件，并连接发电机，在不同入射波浪条件下，考察了装置的发电出力情况。研究结果表明：波浪周期对防波堤兼作振荡水柱波能装置的能量转换性能有较大的影响，长周期波浪作用下，装置的波电能量转换效率较高；当入射波波高较小，波浪条件较差时，装置的能量转换性能较弱。     

基于表面等离子体增强的聚合物太阳能电池研究

为有效地提高聚合物电池器件的光吸收和电荷收集,进而提高整体器件效率,采用氧化钼(MoO3)/银纳米粒子(Ag NPs)/氧化钼作为复合阳极缓冲层,制备了反型聚合物太阳能电池,并研究了在缓冲层中加入金属纳米颗粒对器件性能的影响.实验结果表明,在MoO3缓冲层中加入1 nm的Ag时,器件的短路电流密度和光电转换效率都得到了提高,短路电流密度从9.54 mA/cm2增加到12.83 mA/cm2,效率从2.14％提高到3.23％.Ag纳米颗粒的表面等离子体共振作用,有效地提高了器件的光吸收和电荷收集,提高了整体器件效率.     

一种城市电动公交客车制动能量回馈方法

为提高汽车能源利用率,提出一种电回馈制动与机械摩擦制动相结合的城市电动公交客车制动能量回馈方法.采用可控制实现串并联实时切换的超级电容器模块作为电源,当电动公交客车驱动运行时,控制超级电容器模块串联放电提供能量;而当电动公交客车制动运行时,控制超级电容器模块并联充电回馈能量.在制动初始阶段,采用电回馈制动,电动机发电运行并提供恒制动扭矩,当电动机转速减至不能提供恒制动扭矩时,由机械制动提供制动力直至制动过程结束.仿真和试验结果证明:提出的制动能量回馈方法可实现低速制动能量回馈,具有较高的制动能量回馈效率.     

外加电磁场对火焰结构及燃料燃烧特性的影响

燃料在电、磁场作用下的燃烧是一个新的跨学科性质的研究课题.它涉及磁流体发电、空间技术中电磁燃烧技术的应用以及能源与动力工程中能量转换与效率.本文从实验和理论两个方面,扼要地报导了碳氢燃料在外加磁场、电场影响下的火焰结构及其燃烧特性.把近年来我研究小组的主要研究结果汇总发表.     

地电荷的电容结构发电机制研究

由地电荷与地球自转运动发电原理及国际参考地磁场(IGRF)标准模型所确定的地球磁场能量的分布,经分析、推论,建立了地电荷的电容结构发电机制,并由此而建立了全球电磁场结构和等效电路.此电磁场发电机制由磁场和电路双正交结构组成,磁场正交结构为偶极子场和非偶极子场,电路正交结构为地电荷运动的等效发电环电流和电源及负载电阻组成的全球等效电路.电荷运动的等效发电环电流产生的是偶极子场;电源及负载电阻组成的全球等效电路产生的是非偶极子场.地电荷的电容结构发电机制所确定的地磁场结构模型,与现地磁场结构模型完全不同,特别是极区拱形地磁场及其双向地磁场边界特性.此模型对极光、极光椭圆区、极区双向电集流和极区离子上行,对大气电场、大地自然电位的形成和变化趋势,对行星际磁场BZ及其南、北分量BS和BN的生成,及行星际南向分量BS与磁暴的关系,以及对地震与偶极子场、非偶极子场之间的关系等,都作出了较合理的阐释.     

基于效率优化的增程式电动环卫车控制策略

为了提高增程式电动汽车在增程阶段的能量转换效率及整车的等效燃油经济性,以一款增程式电动环卫车为例,对增程器的3种不同控制策略进行了对比分析。首先基于台架试验的发动机油耗特性和发电机效率特性,合成得到增程器整体效率特性及其最优效率曲线,并在MATLAB/Simulink/Stateflow平台搭建整车正向动力系统仿真模型;然后对增程式电动汽车的等效能耗进行了推导,将所消耗燃油和电能全部换算为单一的燃油量;在此基础上基于中国典型城市客车运转工况,分别应用增程器定点发电、增程器沿最优效率曲线功率随动和增程器恒定转速随动输出功率这3种控制策略进行车辆行驶仿真试验。研究结果表明:增程器在定点发电模式下,能够始终工作于最高效率点,从而达到最优的能量转换效率,此时整车等效百公里油耗为29.22L;増程器在恒转速功率随动模式下效率最低,其等效百公里油耗为33.41L;增程器沿最优效率曲线的功率随动模式下比恒转速功率随动模式下的等效百公里油耗降低了约2.78L,达到30.63L。通过对比3种增程器控制策略的仿真结果发现,在增程式电动汽车増程器的电量消耗-电量维持工作模式下,定点发电模式能够使增程器达到最佳的工作效率并实现最小的整车等效百公里燃油消耗,可将其作为增程式电动汽车增程器的最佳控制策略。     

利用溶剂DMF处理聚合物太阳能电池的PEDOT:PSS阳极缓冲层提高能量转换效率

通过有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)处理P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的PEDOT:PSS阳极缓冲层,能量转换效率得到了很大程度提高.DMF处理PEDOT:PSS阳极缓冲层主要有以下两种方式:①DMF 1∶4(v/v)混合原始的PEDOT:PSS溶液;②直接旋涂DMF在PEDOT:PSS阳极缓冲层上.其中后者的效果最为显著,器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al的电池通过直接旋涂DMF(3 000rpm)处理PEDOT:PSS阳极缓冲层后,电池效率由3.16%提高到4.27%,提高幅度为35%.为了探究电池能量转换效率提高的机理,我们测试表征了电池在光照和暗态下的I-V特性曲线及外量子效率(IPCE)光谱,PEDOT:PSS薄膜的透光性、导电性及表面形貌,光活性层P3HT:PCBM的紫外可见光吸收及表面形貌.一系列结果表明PEDOT:PSS薄膜的导电性增强及表面形貌变化有利于空穴的抽取和收集,P3HT:PCBM薄膜的表面形貌变化有利于活性层光吸收的增强和电子的收集.     

基于氧化石墨烯薄膜的温差电能量转换及其机理研究

通过基于氧化石墨烯(GO)薄膜的纳米流体系统将外部的温度梯度转换成电信号,从实验和数值模拟两个方面,系统地研究了不同条件下温差电能量转换的情况,探究了固体仿生纳米孔道在温差能上的应用.实验发现:温差发电的最大输出功率密度随着KCl浓度的增大而先上升后下降,随着温度梯度的增大而逐渐上升,随着膜厚的增大而逐渐下降.模拟研究表明,纳米孔道的离子选择性、溶液离子的扩散系数和膜电阻等直接影响最大输出功率密度与电解质浓度、温度梯度、膜厚的关系.该研究可为高性能温差电能量转换装置的结构设计提供参考.     

重型车用柴油机废气发电复合涡轮行驶工况的适应性

针对发电复合涡轮形式对发动机余热回收效果的影响,建立了详细的某重型柴油机废气涡轮回收整车仿真平台,构建了电辅助复合涡轮、并联复合涡轮、纯电动复合涡轮和串联复合涡轮4种形式废气能量回收方案,对比分析了这4种典型的复合涡轮结构在发动机外特性、瞬态工况和道路运行工况下的废气能量转换效率及节油效果.研究结果表明,不同的驾驶工况应选用不同的复合涡轮形式;采用基于涡前压力动态优化控制,是实现发动机功率与涡轮发电功率合理分配、达到发动机总体效率优化的关键.研究结果对于复合涡轮结构选型以及发电复合涡轮与发动机的匹配与集成具有指导价值.     

平面型CdZnTe探测器电荷收集效率对能谱测量的影响

采用蒙特卡洛程序Geant4构建平面型CdZnTe探测器, 模拟²⁴¹Am(59.5 keV)与¹³⁷Cs(662 keV)两种不同能量射线从阴极面垂直入射探测器. 通过在Geant4 中添加Hecht 方程来计算探测器不同位置处的电荷收集效率. 根据模拟输出的能谱, 结合能量沉积分布、电子-空穴对分布及其相互作用类型, 在考虑电荷收集效率的情况下, 研究了探测器能谱测量的变化.结果发现, 在考虑电荷收集效率后, 能谱向低能部分偏移, 偏移程度与最大电荷收集效率紧密相关.     

基于复合电子传输层聚合物太阳能电池性能研究

为解决电子和空穴传输不平衡以及载流子复合对有机太阳能电池转换效率的限制问题, 提出采用聚芴材 料 PFO(poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl))对有机太阳能电池电子传输层 TiO 2 进行界面修饰以提高电荷传输, 进而提高太阳能电池能量转换效率。 通过表面形貌分析和功函数测量表明, PFO 界面层的引入不仅填补了 TiO 2 界面缺陷, 同时 PFO 可作为有效的电荷传输中心, 通过提高器件电子转移能力, 进而提高有机太阳能电 池器件短路电流和填充因子, 使有机电池能量转换效率从 5. 17%提升到 6. 96%。     

采用非线性最小二乘法的超级电容等效电路模型参数辨识

针对电动汽车混合储能系统中超级电容在传统模型参数辨识中误差较大、不利于估计其工作状态和进行系统能量管理的问题,提出了一种采用非线性最小二乘法的等效电路模型参数辨识方法。为了精确表征超级电容内部电荷再分配过程及其端电压特性,减小模型误差,该方法首先在超级电容三分支等效电路模型的基础上,分析超级电容充、放电过程中内部的电荷再分配过程;然后,利用粒子群算法分段辨识得到模型参数初值;最后,在所得模型参数初值的基础上采用基于信赖域的非线性最小二乘法对模型参数进行优化。采用超级电容进行多组恒流充、放电实验,结果表明,在不同充、放电条件下,模型计算的端电压与对应实验测试端电压的平均绝对百分误差均在0.5%以内,由此验证了基于非线性最小二乘法参数辨识的有效性和准确性。     

新型射频能量收集系统设计与分析

随着无线传感器网络等电子微系统的发展,作为能量源的电池满足不了长久供电的需求.利用周围环境中的射频能量为自身提供电能已经越来越受到科研工作者的关注.针对目前常用射频能量收集系统转换效率较低的不足,提出了一种由超宽带天线、匹配网络、整流升压电路等组成的新型能量收集系统.利用HFSS软件对超宽带天线进行仿真优化,使得该天线在宽频带下具有较好的特性;通过整流升压电路在不同负载下的整流效率分析,确定了整流器转换效率较高的负载取值范围.新型射频能量收集系统的效率为13.5%,比常用的其他射频能量收集系统的效率提高了将近6%.     

聚苯胺电致变色薄膜的制备及性能

以苯胺单体为原料,采用电化学沉积法在玻璃衬底FTO导电薄膜上合成聚苯胺电致变色薄膜.采用恒电流法,研究苯胺单体浓度、酸的种类、电沉积时间、电流密度等对薄膜制备及电致变色性能的影响,确定合成聚苯胺薄膜的最佳条件.结果表明,聚苯胺电致变化薄膜的最佳制备条件是0.15,mol/L苯胺单体的1,mol/L硫酸溶液,以10,μA/cm2的电流密度电沉积40,min.该条件下制备的薄膜的着色效率较无机电致变色薄膜高,但仅能循环105次.     

一种带有最大能量跟踪的宽动态范围射频能量收集电路的设计

本文提出了一种带有最大能量跟踪的射频能量收集电路.该电路通过加入级数来控制环路自动检测不同级数整流器的输出功率,并比较这些输出功率来选择最佳级数,以求在不同输入功率下均能够保持较高的能量转换效率.因此,能量收集电路在保持高灵敏度的同时,可以提高最高能量转换效率,扩展高效率动态范围.基于该设计方法,一个用于特高频频段的带有级数控制回路的3～5级整流器电路在SMIC 55nm工艺下得以仿真、实现.测试结果表明:在915MHz的工作频率下,所设计的射频能量收集电路的最高能量转换效率可以达到61.4%.与此同时,在19dB的输入功率范围内,能量转换效率均能够保持在最高能量转换效率的50%以上,有效扩展了高效率动态范围.此外,该电路在加入控制环路后,仍然有较高的灵敏度,可以在-16.3dBm的输入功率下,驱动一个纯电容负载,获得2V的输出电压.     

微能量收集技术及储能器件研究

为提高微能量收集的转换效率,分析了3种典型的换能装置结构及其等效电路,探究了3种换能装置的能量收集电路的工作原理、优缺点及能量转换效率,对比分析了常用储能器件.结果表明:带控制单元的能量收集电路效率高,超级电容和锂电池适合微能量收集系统.基于以上分析,对微能量收集技术和储能器件研究提出了建议,带控制单元的能量收集电路和组合形式的储能系统是进一步研究微能量收集系统效率的一个方向.