《Research》：Assessment for Direct Generation of Ocean Wave Energy: Dielectric Elastomer Generator and Dielectric Fluid Generator
编辑推荐：
本综述系统评估了海洋波浪能直接发电（DG）技术，重点分析了介电弹性体发电机（DEG）和介电流体发电机（DFG）的工作原理、材料创新（如硅基/非硅基弹性体、BaTiO3掺杂复合材料）及性能对比。文章指出DG技术通过将能量转换机制直接集成到柔性结构中，显著降低了传统波浪能转换器（WEC）的结构复杂度和维护成本，但其商业化仍面临材料疲劳（当前仅106次循环）、环境耐久性（如海水腐蚀、微塑料释放）和功率电子器件可靠性等挑战。未来需通过混合架构、自修复材料和规模化制造推动其从实验室走向工程应用。
引言
波浪能作为一种可预测的丰富可再生能源，具有加速全球脱碳进程的巨大潜力。理论估算显示，仅美国沿海水域每年就可产生高达2.64万亿千瓦时的电力，相当于2021年美国总发电量的64%。然而，波浪能的商业可行性仍受到技术挑战的制约，这些挑战与30年前风能面临的问题类似。当前波浪能转换器（WEC）存在平准化能源成本（LCOE）高的问题，这源于结构复杂性、维护负担以及在恶劣海洋环境中的能量转换效率不足。
为应对这些挑战，直接发电（DG）技术代表了一种变革性方法，它从根本上重新思考了WEC的架构。与传统设计依赖复杂、刚性且维护密集的动力输出（PTO）系统（如液压缸或机械变速箱）不同，DG技术将能量转换机制直接集成到设备的柔性结构中。这种设计理念由行业领导者如Wave Energy Scotland倡导，直接针对成本和可靠性的核心瓶颈提供了解决方案。通过消除笨重的中间组件，它实现了一类新型的轻量级柔性架构，将非发电质量减少了50%以上。这种集成还通过用分布式、模块化的发电系统替代单点故障的PTO，增强了生存能力，提高了容错性。此外，对聚合物的依赖为应用可扩展、具有成本效益的大规模制造工艺开辟了潜力，这与传统WEC的定制制造形成了显著对比。这种方法，结合固有的低频适应性（0.1至0.3赫兹），直接解决了长期以来困扰波浪能行业的结构复杂性和高维护负担的关键挑战。
DE材料研究与比较
DG技术利用先进的材料科学来实现高效的电机械能量转换。介电弹性体（DE）是电活性聚合物，在施加电场下会发生机械变形。它们的驱动机制由麦克斯韦应力（σ）控制，公式为σ = ε0εrE2，其中ε0是真空介电常数，εr是相对介电常数，E是电场强度。
DE材料根据分子结构和应用范围大致分为三类：硅基弹性体、非硅基聚合物和复合材料。硅基弹性体在研究中占主导地位（占出版物的78%），原因是其平衡的εr（2.8至6.2）、低杨氏模量（Y）（0.1至2兆帕）和热稳定性（-100至-300摄氏度）。代表性类型包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）和氟硅聚合物。非硅基聚合物包括几个亚型：丙烯酸酯（如VHB 4910）提供超高应变（>300%）但存在粘弹性滞后；聚氨酯（PU）具有可调模量（1至100兆帕），适用于精密驱动；天然橡胶（NR）可生物降解且成本低；氟聚合物[如聚偏氟乙烯（PVDF）]提供高εr（10至12）并具有压电性，但在-40摄氏度以下会变脆。复合材料代表混合系统[如硅胶/多壁碳纳米管（MWCNT）和PU/BaTiO3]，旨在克服固有的权衡问题。
硅基材料的最新进展集中在通过创新的复合工程方法系统优化介电和机械性能。从氟取代硅胶弹性体开始，研究人员成功提高了直流电阻率、击穿强度和介电常数，同时通过更强的化学键合改善了可塑性和抗撕裂性。这为更复杂的架构奠定了基础，包括将羟基硅油纳入硅胶泡沫的液固互穿结构。当用TiO2纳米颗粒（通常为35重量百分比）增强时，这些复合材料实现了介电常数和电磁性能的显著提高，尽管过高的填料负载会引入介电损耗，表现为热量而非有用的弹性能量。
非硅基介电材料为传统硅胶不足的专业应用提供了引人注目的替代品。例如，UNDE（BNNS）的稳定0.1-10赫兹操作性能显著优于硅胶的5赫兹限制，使其成为高频驱动的理想选择。在模拟海洋环境中，CNT–Al2O3复合材料表现出显著的耐久性，与PDMS相比腐蚀速率降低了78%，同时提供65%的介电常数提升和40%的击穿强度增强。光固化聚氨酯丙烯酸酯（PUA）具有优异的柔韧性和可控的机械性能，通过精确的配方控制，PUA弹性体可以达到389%的最大拉伸屈服强度，同时保持低于1.2兆帕的杨氏模量。
DE材料的选择取决于应用优先级。硅胶弹性体在优先考虑可靠性和弹性的场景中占主导地位，例如可穿戴传感器或医疗设备。它们的疲劳寿命（1.73 × 107次循环）显著超过丙烯酸酯（VHB：1 × 106次循环），同时在更宽的温度范围内保持热稳定性。丙烯酸酯尽管能实现>300%的应变，但存在显著的粘弹性损耗。PVDF和石墨烯-环氧复合材料虽然小众，但在高能量密度系统中表现出色，但面临可扩展性和成本障碍。
介电弹性体发电机（DEG）
DEG基于介电弹性体 transducer（DET）原理工作。典型的DET设备由夹在两个柔性电极之间的DE薄膜组成。当DET以发电机模式工作时，称为DEG。DEG是一种静电发电机，由具有可拉伸和可变电容特性的弹性绝缘聚合物组成，可在拉伸和释放过程中将机械能转化为电能。其工作原理基于电收缩效应。它具有优异的能量转换效率，重量轻、柔韧性好，能适应各种形状和尺寸，为从波浪、潮汐和人体运动等自然运动中收集能量提供了一种简单有效的方法。
DEG具有三明治状结构，在DE薄膜的两侧涂覆柔性电极，形成一个可拉伸的柔性电容器。DE薄膜在外力作用下变形，引起电容变化。当薄膜从拉伸状态恢复到释放状态时，DEG将聚合物变形产生的机械能转化为电能。其能量收集过程基于柔性DE的电机械特性。通过周期性地施加和撤去电场，弹性体发生振动。借助机械结构与发电机的连接，实现能量收集和转换。
DEG的能量收集循环包括几个阶段：第一阶段，机械能用于拉伸发电机以增加其电容。第二阶段，当电容达到最大值时，向发电机施加电荷。第三阶段，发电机开始机械收缩，电容减小。相反的电荷被拉开，相同的电荷被压缩，从而产生更强的电场以增加电荷的电能。第四阶段，提取电荷，通过采用高能态实现能量转换。
DEG在单个循环中的能量输出性能由两个关键参数衡量：能量密度（Edensity）和电机械转换效率（η）。Edensity是产生能量与材料质量（m）的比值，η是产生能量与输入机械功（Wmech）的比值。Wmech是一个循环中输入机械能，从DEG的力-位移积分曲线计算得出。
近年来，研究人员在提高DEG的能量密度和电机械转换效率方面取得了进展。例如，通过降低预拉伸比和延长循环周期，可以显著增强DEG的输出性能。研究发现避免张力损失可以有效提高能量转换效率。通过将可拉伸电路集成到膜材料中，实现了12%转换效率下10 mJ/g的能量密度。在实验室设置下，通过结合充电和拉伸模式，成功实现了18.9 mJ/g的能量密度和18.3%的能量转换效率。
然而，DEG也存在一些弱点。其工作原理涉及弹性体的循环变形，导致高疲劳敏感性和有限的使用寿命。DEG表现出比其他技术更低的稳定性，需要额外的控制机制来确保一致的性能。用于DEG的弹性体的机械性能受环境条件（尤其是温度和湿度）的显著影响。由于高能量耗散导致的显著滞后需要高电场才能运行。此外，所涉及的大应变会导致电极疲劳，需要定期更换弹性体组件。
介电流体发电机（DFG）
DFG基于介电流体变压器（DFT）原理工作。DFT是一种形状可调的电容，使用不导电流体作为电介质，该流体被引导填充在两个形状可调的电极之间。典型的轴对称DFT横截面显示一个充满介电流体的圆柱形腔室。腔室被一个圆形DE膜包围，膜的上表面附有可变形电极，底部包裹着一个平坦的刚性圆形电极。
DFG的主要优点在于，与DET相比，它可以用更小的电极和电介质变形实现更大的电容变化。这意味着对于相同的能量输出，DFT需要更低的机械功输入，并表现出更低的机械阻抗。此外，基于介电流体的DFT具有自修复介电击穿的能力，延长了使用寿命。原因是流体的击穿电场通常低于固体电介质，这使得在流体中更容易建立导电通路而无需固体电介质的参与。击穿会导致固体电介质的不可逆失效，但在流体电介质中则不会。在传感器停用后，受损层的非导电性可以恢复。
DFG的发电循环有四个关键阶段，包括两个等电位过程和两个等容过程。第一阶段是电容增加阶段。在恒定的零电压下，负流体压力推动弹性膜弯曲并挤压刚性板电极，导致DFG电容增加。机械功从流体传递到膜并储存为弹性能。第二阶段是充电阶段。在保持腔体内流体体积不变的同时，将相反的电荷转移到两个电极，直到达到目标电压。外部电源向电极提供电荷，部分电能通过外部电源传递到DFG并以静电能量形式存储。第三阶段是能量产生阶段。随着流体压力增加，弹性膜在流体压力作用下恢复到未变形状态，同时电压保持不变，导致电极间距离增加，DFG电容减小。电极上的部分电荷被释放，弹性能被回收，机械功和充电能量被转移出系统。第四阶段是放电阶段。在保持腔体内流体体积不变的同时，电荷逐渐从电极上移除，直到电压降至零。剩余的静电能被放电并从系统中移除。
DFG的性能取决于流体介电常数与其介电强度的乘积，这代表了材料在发生击穿前所能承受的最大位移场。DFG的最大能量密度受二阶幂律支配。当流体的介电性能较弱时，DFG的能量密度会降低，尽管弹性膜的高介电常数允许较低的工作电压并保持良好的性能。因此，在严格限制电压的情况下，添加额外的固体介电层是一种合理的折衷方案。
DEG与DFG的比较分析
海洋环境中的能量收集提出了独特的挑战，需要专门的技术。本节详细比较了两种有前景的方法：DEG和DFG。通过检查它们各自的优势、劣势和性能指标，我们可以更好地理解它们对海上能量收集应用的适用性。
DEG具有几个显著的优势。它们表现出优异的延展性，使其能够适应大的变形，并高度适应变化的机械输入。DEG的制造成本相对较低，因为它们的主要材料由常见的橡胶或弹性体聚合物组成。DEG还具有很高的可扩展性，能够制造各种尺寸和配置以适应不同的应用。DEG与低成本材料和工艺的兼容性，以及轻量级的传感器和执行器，进一步增强了它们在某些应用中的吸引力。此外，它们的高变形能力使它们在需要显著形状变化的应用中特别有价值。
然而，DEG也存在明显的弱点。其工作原理涉及弹性体的循环变形，导致高疲劳敏感性和有限的使用寿命。与其他技术相比，DEG表现出较低的稳定性，需要额外的控制机制来确保一致的性能。用于DEG的弹性体的机械性能受环境条件（特别是温度和湿度）的显著影响。由于高能量耗散导致的显著滞后需要高电场才能运行。此外，所涉及的大应变会导致电极疲劳，需要定期更换弹性体组件。这些限制在需要长期可靠性而无需频繁维护的应用中可能尤其成问题。
DFG与DEG相比具有独特的优势。它们表现出优异的抗疲劳性，因为电荷在介电流体内基于流动运动，增强了长期操作可靠性。选择具有优异海水腐蚀性能的介电流体的能力使DFG特别适合海洋应用。DFG在存在外部干扰的环境中表现出更高的稳定性，使其适用于需要高操作稳定性的应用。介电流体具有自愈能力，允许它们在击穿后快速恢复并恢复其绝缘功能，尽管随着时间的推移可能会逐渐降解。DFG需要更少的电极和电介质变形来获得大的电容变化，从而导致相同能量输出的机械功输入更低。
这些抗击穿特性有效地防止了击穿现象，从而增强了设备的稳定性和可靠性，这在长期部署中是一个关键优势。DFG的能量转换效率非常出色，能有效地将机械振动或压力变化转化为电能，提供了一种具有广泛应用前景的高效能量转换机制。DFG的可变形结构包含了具有柔性薄膜的固体材料，如弹性体，赋予了它们相当大的结构适应性，并增强了它们在变化的环境和应用需求下的灵活性。作为自供电发电系统，DFG无需外部电源即可运行，使其非常适合在传统电力基础设施不可用或不切实际的地点部署。
尽管有这些优点，DFG也有一些局限性。它们的制造成本通常更高，特别是在使用高性能介电流体时。DFG的性能在很大程度上取决于为特定应用场景选择合适的介电流体，增加了系统设计的复杂性。DFG的频率稳定性受到温度和环境变化的强烈影响。DFG涉及复杂的材料选择和制造过程，导致维护方面的挑战和潜在运营成本的增加。由于流体粘度造成的能量损失可能很显著，可能会限制DFG在某些驱动和发电应用中的带宽。在考虑特定部署场景时，必须仔细权衡这些缺点与其好处。
在海洋能量收集应用中选择DEG还是DFG时，必须考虑海洋环境的独特挑战，包括腐蚀性海水、可变的机械输入以及对可靠长期运行和最低维护的需求。具体的应用场景在这一决策过程中起着至关重要的作用。
对于需要显著变形能力但对长期稳定性要求相对较低的应用，DEG更合适。在这些场景中，灵活性和对变形的适应性是首要考虑因素，同时在长期结构稳定性方面有所妥协。这使得它们可能适用于海洋环境中的短期部署或原型测试，特别是当预算限制是主要关切点时。
相比之下，DFG在需要抗海水腐蚀并需要长期连续可靠运行的应用中表现出卓越的性能。它们在恶劣环境条件下的卓越性能使其对于维护访问有限且系统可靠性至关重要的海上部署特别有价值。一些系统甚至可能适用于运动监测和无线控制应用，增强了它们在海洋环境中的多功能性。
近期进展与未来方向
先进的介电复合材料现在提供了显著提高的能量密度和耐久性。值得注意的是，钛酸钡掺杂的硅胶和氟化弹性体在保持低粘弹性损耗的同时，实现了超过12的相对介电常数——相对于传统的PDMS配方有了显著改进。新颖的架构，如3D分离的MWCNT-硅胶基质，在循环负载下表现出高介电常数和结构完整性。
同时，DFG受益于高介电酯流体的发展和可调电极-膜界面，支持双稳态行为并提高了能量捕获效率。Peano-HASEL启发架构的使用提高了低频海洋条件下的建模精度和结构响应性。
将DEG和DFG集成到混合系统中是最大化不同波浪剖面能量收集的关键一步。混合平台利用DEG的高适应性和DFG的机械鲁棒性，实现了更具弹性和高效的能量转换系统。新的模块化配置，如分段膜和多模式流体腔，支持冗余和局部故障隔离，确保在组件故障时持续运行。
此外，具有集成电荷泵和容错电子器件的自供电模块的发展使得无需外部电源的自主操作成为可能。这类系统对于电网连接有限或不可行的偏远海上部署尤其具有吸引力。
可扩展的制造方法，特别是弹性体薄膜的卷对卷加工和微流体通道的增材制造，在保持亚毫米公差的同时，将DG组件的单位成本降低了高达68%。机器学习
