专利名称：用于从水波的运动能中获得电能的方法
技术领域：
本发明涉及用于从水波的运动能中获得电能的方法。在该方法中，在水中提供包含可通过水波的作用膨胀的电活性聚合物的设备。在电活性聚合物膨胀时，在确定的时间点施加电荷、电压或电场强度一确定的时段。在聚合物松弛时，除了剩余电荷外将其取出。 在该方法中，确定为运行该方法所需的目标电荷和电活性聚合物的充电和放电的开始和结束的时间点的参量。
背景技术：
借助电活性聚合物发电机(EPA发电机)从水波中的能量获得基于如下原理在第一阶段将潜在的波能转换为EPA发电机的膨胀，其中所述膨胀随后在使用能量获得循环 (energy harvesting cycle，EHC)的情况下最终被转换为电能。电机械转换器的例子在WO 2001/06575 Al中找到。该专利申请涉及转换器、其应用和其制造。用于将机械能转换成电能的这样的转换器包括至少两个电极和聚合物。该聚合物如此被布置，使得作为第一区段的长度变化的结果使电场改变。此外，聚合物的第二区段弹性偏置(vorgespannt)。WO 2007/130252 A2公开了使用用于转换最初包含在一个或多个波中的机械能的 EAP转换器的系统和方法。在海中可使用的设备能够使用机械能量转换系统，其转移机械能，所述机械能适用于作用于EAP转换器。这样的海洋设备包括主体，其中如果该设备在水中漂浮，则主体的一部分位于水表面上方。该设备此外包括用于将来自水表面水平的改变的机械能转移成通过系统调整的机械能的系统。EPA转换器耦合到用于转移机械能的系统的一部分并且被设立用于在用于转移机械能的系统中从所调整的机械能中产生电能。EPA 转换器具有电活性聚合物和至少两个耦合到电活性聚合物上的电极。能量获得循环的优化除了在机械上适当的布置之外是用于提高EAP发电机的能量效率的基本可能性。用于充电/放电过程的控制或调节概念尤其是在该方面作出重要贡献。在理论角度下，为了 EAP发电机的最佳的转换效率可以追求下面的循环，所述循环是理论极限循环
第一阶段EAP发电机基于外部力作用而膨胀。该力例如通过充分利用势能的改变引起，如该力在波运动时出现。第二阶段在EAP发电机的最大膨胀时，给由在两个软的电极之间所引入的聚合物组成的装置施加电荷。在电角度下可看作具有可变的电容的电容器的装置被充电直至达到电击穿场强。第三阶段在减小外部攻击力时EAP由于在聚合物中起作用的弹性回弹力而松弛。在该过程中在EAP发电机中存储的电能增加。该阶段描述了从机械能到电能的能量转换过程。第四阶段一旦聚合物内的弹性回弹力按数值等于反向的通过被充电的电容器的静电压力引起的力，EAP不继续收缩并且该装置应该被放电。在该过程之后，EAP发电机再次由于减小的静电压力而达到其初始长度。前述的理论循环可以在实际角度下仅近似地被经历。在电击穿场强处理论上要追求的运行在实际中可能导致装置破坏。出于该原因，所施加的场强必须在能量获得循环的每个时间点处于电击穿电场之下。当然，场强可以被选择得越高，EAP发电机的能量获得越
尚ο此外可能如此对于第三阶段制定EAP发电机的循环，使得代替施加恒定的电荷而给EAP发电机供应恒定的电压或恒定的电场。为了可以获得尽可能多的电能，所施加的电荷、电压或电场强因此应该尽可能靠近于击穿场强。但是，如果波的幅度变化，则所施加的电荷的固定预先给定的值是不利的。 随着较小的波高度而出现电活性聚合物的较小的膨胀，使得对聚合物的充电不再能够最佳地进行。在实际运行中此外应该考虑对于聚合物的充电电流不是无限地高，这样充电时间不是无限地小。更确切地说，在一定的时间间隔上电荷被转移到聚合物上。相应地适用于聚合物的放电。在能量获得的优化中在开始、结束和持续时间方面也必须一起考虑所述时间间隔。
发明内容
因此，实际可实施的能量转换循环对最佳循环的近似的改善是值得期望的。这包含用于实现充电/放电过程的控制或调节概念。控制/调节结构在图4中对于恒定的电荷、 在图5中对于恒定的电压和在图6中对于恒定的电场被概述。根据本发明，建议一种用于从水波的运动能中以恒定的电荷获得电能的方法，包括步骤
在水中提供设备，其中所述设备如此被设立，使得该设备的一部分布置在水表面上方， 其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在电极之间并且其中在所述设备中，来自水平面的变化的机械能被转移到电活性聚合物上；
由于具有传播速度c和波长λ的水波的机械作用使电活性聚合物从最小膨胀
firain膨胀直至最大膨胀,其中在电活性聚合物膨胀期间在从时间点、直至时间点
tload的时段Athad期间给所述电活性聚合物施加目标电荷β*/ /，其中电活性聚合物的电击穿场强^liax不被超过；
由于水波的削减的机械作用而使膨胀的电活性聚合物从最大膨胀Gmax松弛直至
最小膨胀￡min ,其中在电活性聚合物松弛期间在从时间点t2直至时间点tml。ad的时段
^unload期间所述电活性聚合物除了剩余电荷之外被放电；以及
其中为了计算目标电荷通过以下方式预先估计最大膨胀^ ^的所需要的数值 估计水波的最大波高hmax和
通过分配规则将最大波高hmax与最大膨胀相关。
5
根据本发明此外建议一种用于从水波的运动能中以恒定的电压获得电能的方法， 包括步骤
在水中提供设备，其中所述设备被设立，使得所述设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在两个电极之间并且其中在所述设备中来自水平面的变化的机械能被转移到电活性聚合物上；
由于具有传播速度c和波长λ的水波的机械作用使电活性聚合物从最小膨胀^rain膨胀直至最大膨胀其中在电活性聚合物膨胀期间在从时间点、直至时间点tlMd的时段Kitead期间给所述电活性聚合物施加电压vEAP，其中电活性聚合物的电击穿场强被超过；
由于水波的削减的机械作用而使膨胀的电活性聚合物从最大膨胀松弛直至最
小膨胀Giiin，其中在电活性聚合物松弛期间电压Veap被保持恒定，并且从时间点、直至时
间点tml。ad的时段期间所述电活性聚合物除了剩余电荷&之外被放电；和
其中为了计算目标电压通过以下方式预先估计最大膨胀^i3Jt的所需要的数值 估计水波的最大波高hmax和
通过分配规则将最大波高hmax与最大膨胀￡max相关。根据本发明此外建议一种用于从水波的运动能中以恒定的电场获得电能的方法， 包括步骤
在水中提供设备，其中所述设备被设立，使得所述设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在两个电极之间并且其中在所述设备中来自水平面的变化的机械能被转移到电活性聚合物上；
由于具有传播速度c和波长λ的水波的机械作用使电活性聚合物从最小膨胀Cmin 膨胀直至最大膨胀￡ ，其中在电活性聚合物膨胀期间在从时间点、直至时间点tlMd的
时段期间给所述电活性聚合物施加电压vEAP，其中电活性聚合物的电击穿场强Emax 不被超过；
由于水波的削减的机械作用而使膨胀的电活性聚合物从最大膨胀忍max松弛直至最小膨胀￡min，丨C屮作电活忡聚fr物松弛期丨川电场强Emox=VEA}^) · Zf^被保持恒
定，并且从时间点t2直至时间点tml。ad的时段期间所述电活性聚合物除了剩余电
荷O 之外被放电；和
其中为了连续地跟踪电场强从板间距ζ(t)中估计所需要的数值。在本发明意义上的电活性聚合物(EAP)基本上是通过施加电压而改变其形状的聚合物并且尤其是介电弹性体。适当的材料尤其是介电聚氨酯弹性体。电活性聚合物可以与两个或多个电极相连接，所述电极同样可是可膨胀的。适宜地在海中实施本发明方法，这样在海中提供所述设备。所述设备一般可以被称为电机械转换器。在本发明方法中，借助于例如可以称为功率电子装置或充电电子装置的适当单元来给膨胀的电活性聚合物施加电荷、电压或场强。在松弛或放松时，所述电荷再次被取出， 或者电压或场强保持恒定，由此获得电能。为了计算尽可能高的目标电荷或电压vEAP或场强E，需要关于最大膨胀 ^max的知识，如继续在下面要更详细阐述的那样。因为施加目标电荷的结束的时间点tlMd
与膨胀的最大值和从而与波高的最大值叠合，所以施加的开始时间点、必然位于最
大值之前。相应地适用于聚合物的放电。因此有必要预测波的最大值何时到达电机械转换器并且最大值将如何高。在本发明的方法中，首先估计下一波的要预期的最大波高。这同样继续在下面更
详细地予以阐明。最大膨胀^nax的需要的数值经由与最大波高hmax的相关来得到。分配
规则例如可以是根据经验确定的相关表，所述相关表将膨胀分配给电机械转换器的每一个偏向。所述规则也可以是特定转换器机械装置的数学描述，也即是模型概念。另一可能性基于电活性聚合物的测量数据。在本发明方法中所确定的、对电活性聚合物充电和放电的时间点可以与内部时间测量相关，以便能够在绝对标度上来控制聚合物。也可能的是，使用外部时间信号、例如原子钟的经由长波所发送的信号。本发明方法总之提供以下优点，即可以对波高随着时间的变化作出反应并且从而即使在变换的条件下也可以更靠近能量获得的最佳值地工作。
参照随后的附图更详细地来描述本发明。在此 图1示出波曲线与EAP的充电和放电电流的重叠，
图2示出用于根据本发明方法计算的流程图(恒定电荷)， 图3示出本发明系统的框图(恒定电荷)。
具体实施例方式为了更好地理解首先应该探讨水波的理论。在水波的情况下，基本上在浅水波和深水波中进行区分。浅水波在海滨附近或小的水深d处出现。波长这里明显长于水深
λ d深水波在具有的外海上产生并且在特别的程度上适用于能量获得。通常，深水波在海洋上正弦形传播。频率和传播速度仅仅非常缓慢地变化。波的高度是雷利(Rayleigh)分布的，也就是说，大的波高很少出现。最大的概率处于较小的幅度处。为了控制EAP发电机的充电循环，仅仅必须考虑深水波(横波)的基波。该基波通过波长λ、水深d、利用与位置和时间有关的波高h(x，t)和其最大波高hmax以及通过传播速度c来描述。波高如在方程(1)中所示地得出
权利要求
1.用于从水波的运动能中获得电能的方法，包括步骤在水中提供设备，其中所述设备被设立为使得所述设备的一部分布置在水表面上方， 其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在电极之间，并且其中在所述设备中来自水平面的变化的机械能被转移到电活性聚合物上；由于具有传播速度c和波长λ的水波的机械作用使电活性聚合物从最小膨胀^miii膨胀直至最大膨胀其中在电活性聚合物膨胀期间在从时间点、直至时间点tload的时段Athmf期间给所述电活性聚合物施加目标电荷f ，其中电活性聚合物的电击穿场强^liax不被超过；由于水波的削减的机械作用而使膨胀的电活性聚合物从最大膨胀€n]ax松弛直至最小膨胀^Tiu1，其中在电活性聚合物松弛期间在从时间点、直至时间点tml。ad的时段^tunioad期间所述电活性聚合物除了剩余电荷Q0之外被放电；以及其中为了计算目标电荷通过以下方式预先估计最大膨胀Gmas的所需要的数值 估计水波的最大波高hmax和通过分配规则将最大波高hmax与最大膨胀相关。λ
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据I1=~"一Δ//—计算时间点ti，根4 -C1据h =3.~"计算时间点t2，其中此外在时间点f ，电活性聚合物采取了最大膨胀 4 ■ ciIoadGmm ,并且在时间点t—,电活性聚合物采取了最小膨胀Cmiti。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定波长λ，其方式是借助于加速度传感器测量水表面的垂直加速度，并且所获得的加速度传感器信号的振荡经由锁相环得出与波长有关的电压；和/或所获得的加速度传感器信号的振荡经由傅里叶或余弦变换被转化到域c/λ中。
4.根据权利要求2所述的方法，其中确定波长λ，其方式是在电活性聚合物处的电极之间施加的电压被测量，并且电压的振荡经由锁相环得出与波长有关的电压；和/或电压的振荡经由傅里叶或余弦变换被转变到域c/λ中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中对于实际波高比所估计的波高高出如此多使得电活性聚合物的击穿场强以所施加的电荷而被超过的情况，从电活性聚合物中取出电荷。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述设备是 浮标；由包括电活性聚合物的材料组成的充有液体的主体的轴向分段的链；或者具有由包括电活性聚合物的材料组成的偏心布置的偏置段的、通过转动关节相互连接的漂浮体的装置，其中这些偏置段在漂浮体弯曲运动时彼此相反地膨胀和松弛。
7.用于从水波的运动能中获得电能并且适用于执行根据权利要求1的方法的系统，包括设备，其被设立为使得在将设备放置在水中时，所述设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在电极之间，并且在所述设备中来自水平面的改变的机械能被转移到电活性聚合物上；传感器单元，用于获得关于水波和/或电活性聚合物的传感器数据； 功率单元，用于给电活性聚合物施加电荷并且用于对电活性聚合物放电；和控制单元，其被设立用于在计算算法中根据先前定义的数据模型处理来自传感器单元的所接收的数据并且作为计算结果控制功率电子装置，其中此外所述计算算法包括估计将来的到达所述设备的水波的最大波高。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述传感器单元包括与所述设备相间隔的加速度传感器。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述传感器单元测量在电活性聚合物处的电极之间施加的电压以及电活性聚合物处的电极的间距。
10.计算机程序产品，包括通过微处理器可实施的用于在根据权利要求1的方法中执行计算的指令。
全文摘要
本发明涉及一种用于从水波的运动能中获得电能的方法。在所述方法中，在水中提供设备，所述设备包括可通过水波的作用膨胀的电活性聚合物。在电活性聚合物膨胀时，在确定的时间点施加电荷一确定的时段。在聚合物松弛时，除了剩余电荷外将所述电荷取出。在该方法中，确定为运行该方法所需的目标电荷和电活性聚合物的充电和放电的开始和结束的时间点的参量。本发明此外涉及一种用于获得电能的系统和一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括通过微处理器可实施的用于在本发明方法中执行计算的指令。
文档编号E02B9/08GK102472243SQ201080029693
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月19日 优先权日2009年7月2日
发明者格拉夫 C., 查佩勒 D., 马亚斯 J. 申请人:拜尔材料科学股份公司