GRAF, Christian (Thorenknick 41, Paderborn, 33100, DE)
MAAS, Jürgen (Untere Schanze 3, Detmold, 32756, DE)
SCHAPELER, Dirk (Peter-Schumacher-Str. 43, Kerpen, 50171, DE)
GRAF, Christian (Thorenknick 41, Paderborn, 33100, DE)
MAAS, Jürgen (Untere Schanze 3, Detmold, 32756, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie von Wasserwellen, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Vorrichtung im Wasser, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass ein Teil der Vorrichtung oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein elektroaktives Polymer umfasst, welches zwischen Elektroden angeordnet ist und wobei in der Vorrichtung mechanische Energie aus einer Veränderung des Wasserspiegels auf das elektroaktive Polymer übertragen wird; Dehnen des elektroaktiven Polymers von einer minimalen Dehnung εmin bis zu einer maximalen Dehnung εmax als Folge einer mechanischen Einwirkung einer Wasserwelle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit c und einer Wellenlänge λ, wobei während des Dehnens des elektroaktiven Polymers dieses während eines Zeitintervalls Δ?/oα</ von einem Zeitpunkt t\ bis zu einem Zeitpunkt tιoad mit einer elektrischen Zielladung Q'ιoad beaufschlagt wird, bei der die elektrische Durchbruchsfeldstärke Emax des elektroaktiven Polymers nicht überschritten wird; Relaxieren des gedehnten elektroaktiven Polymers von der maximalen Dehnung εmax bis zu der minimalen Dehnung εmm als Folge einer nachlassenden mechanischen Einwirkung der Wasserwelle, wobei während des Relaxierens des elektroaktiven Polymers dieses während eines Zeitintervalls Atu„ιoad von einem Zeitpunkt t2 bis zu einem Zeitpunkt tunιoad bis auf eine Restladung Q0 entladen wird; und wobei zur Berechnung der elektrischen Zielladung erforderliche Zahlenwert der maximalen Dehnung εmax im Voraus abgeschätzt wird durch: Abschätzen der maximalen Wellenhöhe Amax einer Wasserwelle und Korrelieren der maximalen Wellenhöhe Λmax mit der maximalen Dehnung εmax über eine Zuordnungsvorschrift. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Zeitpunkt t\ berechnet wird gemäß Z1 Δtιoad , A -c der Zeitpunkt t2 berechnet wird gemäß t2 = 3 , wobei weiterhin zu dem Zeitpunkt tιoaij das A - c elektroaktive Polymer die maximale Dehnung εmax eingenommen hat und zu dem Zeitpunkt tunload das elektroaktive Polymer die minimale Dehnung εmm eingenommen hat 3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Wellenlänge λ ermittelt wird, indem mittels eines Beschleunigungssensors die vertikale Beschleunigung der Wasseroberfläche gemessen wird und: die Oszillation des erhaltenen Beschleunigungssensor-Signals über eine Phasenregelschleife eine wellenlängenabhängige Spannung ergibt; und/oder die Oszillation des erhaltenen Beschleunigungssensor-Signals über eine Fourier- oder Cosinus-Transformation in die Domäne clλ überführt wird. 4. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Wellenlänge λ ermittelt wird, indem die zwischen den Elektroden am elektroaktiven Polymer anliegende Spannung gemessen wird und: die Oszillation der Spannung über eine Phasenregelschleife eine wellenlängenabhängige Spannung ergibt; und/oder die Oszillation der Spannung über eine Fourier- oder Cosinus-Transformation in die Domäne clλ überführt wird. 5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für den Fall, dass die tatsächliche Wellenhöhe sich gegenüber der geschätzten Wellenhöhe um so viel höher ist, dass mit der aufgebrachten Ladung die Durchschlagfeldstärke des elektroaktiven Polymers überschritten wird, aus dem elektroaktiven Polymer Ladung entnommen wird. 6. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung: eine Boje; eine axial segmentierte Kette von fluidgefüllten Körpern aus einem ein elektroaktives Polymer umfassenden Material; oder eine Anordnung von durch ein Drehgelenk miteinander verbundenen Schwimmkörpern mit exzentrisch angeordneten vorgespannten Abschnitten aus ein elektroaktives Polymer umfassendem Material, welche sich bei einer Knickbewegung der Schwimmkörper gegensätzlich zueinander dehnen und relaxieren; ist. 7. System zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie von Wasserwellen und geeignet zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, umfassend: eine Vorrichtung, welche so eingerichtet ist, dass beim Platzieren der Vorrichtung im Wasser ein Teil der Vorrichtung oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein elektroaktives Polymer umfasst, welches zwischen Elektroden angeordnet ist und wobei in der Vorrichtung mechanische Energie aus einer Veränderung des Wasserspiegels auf das elektroaktive Polymer übertragen wird; eine Sensoreinheit zur Gewinnung von Sensordaten über die Wasserwellen und/oder das elektroaktive Polymer; eine Leistungseinheit zum Beaufschlagen des elektroaktiven Polymers mit elektrischer Ladung und zum Entladen des elektroaktiven Polymers; und eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, um empfangene Daten aus der Sensoreinheit gemäß vorher definierter Datenmodelle in einem Berechnungsalgorithmus zu verarbeiten und als Ergebnis der Berechnung die Leistungselektronik anzusteuern, wobei weiterhin der Berechnungsalgorithmus die Abschätzung der maximalen Wellenhöhe von zukünftigen bei der Vorrichtung eintreffenden Wasserwellen umfasst. 8. System gemäß Anspruch 7, wobei die Sensoreinheit einen von der Vorrichtung beabstandeten Beschleunigungssensor umfasst. 9. System gemäß Anspruch 7, wobei die Sensoreinheit die zwischen den Elektroden am elektroaktiven Polymer anliegende Spannung und den Abstand der Elektroden am elektroaktiven Polymer misst. 10. Computerprogrammprodukt, umfassend durch einen Mikroprozessor ausführbare Befehle zur Durchführung der Berechnungen in dem Verfahren gemäß Anspruch 1. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der
Bewegungsenergie von Wasserwellen. In dem Verfahren wird eine Vorrichtung im Wasser bereitgestellt, welche ein durch Einwirkung der Wasserwellen dehnbares elektroaktives Polymer umfasst. Beim Dehnen des elektroaktiven Polymers wird zu einem bestimmten Zeitpunkt für ein bestimmtes Zeitintervall eine elektrische Ladung, eine elektrische Spannung oder eine elektrische
Feldstärke beaufschlagt. Diese wird beim Relaxieren des Polymers bis auf eine Restladung entnommen. Im Verfahren werden die für den Betrieb des Verfahrens benötigten Größen der elektrischen Zielladung und der Zeitpunkte für Beginn und Ende des Ladens und Entladens des elektroaktiven Polymers ermittelt.
Die Energiegewinnung aus Wasserwellen mittels elektroaktiven Polymergeneratoren (EAP- Generatoren) basiert auf dem Prinzip der Umwandlung von potenzieller Wellenenergie in eine Dehnung des EAP-Generators in einer ersten Stufe, die dann unter Verwendung eines Energiegewinnungszyklus (Energy Harvesting Cycle, EHC) schließlich in elektrische Energie umgewandelt wird.
Beispiele für elektromechanische Wandler finden sich in WO 2001/06575 Al . Diese Patentanmeldung betrifft Wandler, ihre Verwendung und ihre Herstellung. Solch ein Wandler zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie umfasst wenigstens zwei Elektroden und ein Polymer. Das Polymer ist so angeordnet, dass als Folge einer Längenänderung eines ersten Abschnittes ein elektrisches Feld verändert wird. Weiterhin ist ein zweiter Abschnitt des Polymers elastisch vorgespannt.
WO 2007/130252 A2 offenbart Systeme und Verfahren, welche einen EAP-Wandler zur Umwandlung von ursprünglich in einer oder mehrer Wellen enthaltenen mechanischen Energie einsetzen. Im Meer einsetzbare Vorrichtungen können ein mechanisches Energieumwandlungssystem verwenden, welche mechanische Energie übertragen, welche zum Einwirken auf den EAP-Wandler geeignet ist. Solch eine marine Vorrichtung umfasst einen Körper, wobei ein Teil des Körpers sich oberhalb der Wasseroberfläche befindet, wenn die Vorrichtung im Wasser schwimmt. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein System zur Übertragung mechanischer Energie aus einer Veränderung des Niveaus der Wasseroberfläche in durch das System regulierte mechanische Energie. Ein EAP-Wandler ist an einen Teil des Systems zur Übertragung mechanischer Energie gekoppelt und eingerichtet, um elektrische Energie aus der regulierten mechanischen Energie in dem System zur Übertragung mechanischer Energie zu erzeugen. Der EAP-Wandler weist ein elektroaktives Polymer und wenigstens zwei an das elektroaktive Polymer gekoppelte Elektroden auf. Die Optimierung des Energiegewinnungszyklus stellt neben der mechanisch geeigneten Anordnung eine wesentliche Möglichkeit zur Steigerung der Energieeffizienz von EAP- Generatoren dar. Insbesondere trägt in diesem Zusammenhang das Steuerungs- beziehungsweise Regelungskonzept für die Lade-/Entladevorgänge einen wichtigen Beitrag bei. Unter theoretischen Gesichtspunkten ist zur optimalen Wandlungseffizienz von EAP-Generatoren folgender Zyklus anzustreben, welcher einen theoretischen Grenzzyklus darstellt:
1. Phase: der EAP-Generator wird auf Grund einer äußeren Krafteinwirkung gedehnt. Diese Kraft wird zum Beispiel durch Ausnutzung der Änderung von potenzieller Energie hervorgerufen, wie sie bei Wellenbewegungen auftritt. 2. Phase: bei maximaler Dehnung des EAP-Generators wird die Anordnung, die aus einem zwischen zwei nachgiebigen Elektroden eingebrachten Polymer besteht, mit elektrischen Ladungen beaufschlagt. Die unter elektrischen Gesichtspunkten als Kondensator mit veränderlicher Kapazität zu betrachtende Anordnung wird bis zum Erreichen der elektrischen Durchbruchsfeldstärke geladen. 3. Phase: bei einer Verringerung der äußeren angreifenden Kraft relaxiert das EAP wegen der im Polymer wirkenden elastischen Rückstellkräfte. Bei diesem Vorgang erhöht sich die im EAP- Generator gespeicherte elektrische Energie. Diese Phase beschreibt den Energiewandlungsprozess von mechanischer in elektrische Energie.
4. Phase: sobald die elastischen Rückstellkräfte innerhalb des Polymers betragsmäßig gleich der entgegengesetzt gerichteten Kraft sind, die durch den elektrostatischen Druck des geladenen Kondensators hervorgerufen werden, zieht sich das EAP nicht weiter zusammen und die Anordnung sollte entladen werden. Nach diesem Prozess hat der EAP-Generator wieder seine Ausgangslänge auf Grund des sich verringernden elektrostatischen Drucks erreicht.
Der zuvor beschriebene theoretische Zyklus kann unter praktischen Gesichtspunkten nur annähernd durchlaufen werden. Der theoretisch anzustrebende Betrieb an der elektrischen Durchbruchsfeldstärke kann in der Praxis zur Zerstörung der Anordnung führen. Aus diesem Grund muss die anliegende Feldstärke zu jedem Zeitpunkt des Energiegewinnungszyklus unterhalb der elektrischen Durchbruchsfeldstärke liegen. Je höher allerdings die Feldstärke gewählt werden kann, desto höher ist der Energiegewinn des EAP-Generators. Weiterhin besteht die Möglichkeit den Zyklus des EAP-Generators für die 3. Phase so gestallten, dass anstelle einer Beaufschlagung mit konstanter Ladung der EAP-Generator mit konstanter Spannung bzw. konstantem elektrischen Feld versorgen wird. Damit möglichst viel elektrische Energie gewonnen werden kann, sollte die beaufschlagte Ladung, die elektrische Spannung oder die elektrische Feldstärke folglich möglichst nahe an der Durchbruchfeldstärke liegen. Ein fest vorgegebener Wert für die beaufschlagte Ladung ist jedoch nachteilig, wenn die Amplitude der Wellen sich ändert. Mit einer geringeren Wellenhöhe geht eine geringere Dehnung des elektroaktiven Polymers einher, so dass das Aufladen des Polymers nicht mehr optimal ablaufen kann. Im praktischen Betrieb ist weiterhin zu berücksichtigen, dass der Ladestrom für das Polymer nicht unendlich hoch ist, die Aufladezeit also nicht unendlich klein ist. Vielmehr wird über einen gewissen Zeitraum die Ladung auf das Polymer übertragen. Entsprechendes gilt für das Entladen des Polymers. In der Optimierung der Energiegewinnung müssen auch diese Zeiträume hinsichtlich Beginn, Ende und Dauer mit berücksichtigt werden.
Wünschenswert wäre daher eine Verbesserung der Annäherung des praktisch durchführbaren Energiewandlungszyklus an den optimalen Zyklus. Dieses beinhaltet ein Steuerungs- beziehungsweise Regelungskonzept zur Realisierung des Lade-/Entladevorgangs. Die Steuerungs- /Regelungsstrukturen sind in den Bildern 4 für konstante Ladung, 5 für konstante Spannung und 6 für konstantes elektrisches Feld skizziert.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie von Wasserwellen mit konstanter Ladung, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer Vorrichtung im Wasser, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass ein Teil der Vorrichtung oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein elektroaktives Polymer umfasst, welches zwischen Elektroden angeordnet ist und wobei in der Vorrichtung mechanische Energie aus einer Veränderung des Wasserspiegels auf das elektroaktive Polymer übertragen wird;
Dehnen des elektroaktiven Polymers von einer minimalen Dehnung ε min bis zu einer maximalen Dehnung ε max als Folge einer mechanischen Einwirkung einer Wasserwelle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit c und einer Wellenlänge λ, wobei während des Dehnens des elektroaktiven Polymers dieses während eines Zeitintervalls Atι oad von einem Zeitpunkt t\ bis zu einem Zeitpunkt t had mit einer elektrischen Zielladung Q ι oa j beaufschlagt wird, bei der die elektrische Durchbruchsfeldstärke E max des elektroaktiven Polymers nicht überschritten wird; Relaxieren des gedehnten elektroaktiven Polymers von der maximalen Dehnung ε max bis zu der minimalen Dehnung ε min als Folge einer nachlassenden mechanischen Einwirkung der Wasserwelle, wobei während des Relaxierens des elektroaktiven Polymers dieses während eines Zeitintervalls Δt un ι oad von einem Zeitpunkt I 2 bis zu einem Zeitpunkt t un ι oad bis auf eine Restladung Q 0 entladen wird; und wobei zur Berechnung der elektrischen Zielladung erforderliche Zahlenwert der maximalen Dehnung ε max im Voraus abgeschätzt wird durch:
Abschätzen der maximalen Wellenhöhe Λ max einer Wasserwelle und
Korrelieren der maximalen Wellenhöhe h m3x mit der maximalen Dehnung ε max über eine Zuordnungsvorschrift.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird weiterhin ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie von Wasserwellen mit konstanter Spannung, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer Vorrichtung im Wasser, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass ein Teil der Vorrichtung oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein elektroaktives Polymer umfasst, welches zwischen Elektroden angeordnet ist und wobei in der Vorrichtung mechanische Energie aus einer Veränderung des Wasserspiegels auf das elektroaktive Polymer übertragen wird;
Dehnen des elektroaktiven Polymers von einer minimalen Dehnung E^ n bis zu einer maximalen Dehnung ε max als Folge einer mechanischen Einwirkung einer Wasserwelle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit c und einer Wellenlänge λ, wobei während des Dehnens des elektroaktiven Polymers dieses während eines
Zeitintervalls Δ/ /oα ^ von einem Zeitpunkt t \ bis zu einem Zeitpunkt t toad mit einer elektrischen Spannnung v EAP beaufschlagt wird, bei der die elektrische Durchbruchsfeldstärke E mXi des elektroaktiven Polymers nicht überschritten wird;
Relaxieren des gedehnten elektroaktiven Polymers von der maximalen Dehnung ε max bis zu der minimalen Dehnung ε mn als Folge einer nachlassenden mechanischen Einwirkung der Wasserwelle, wobei während des Relaxierens des elektroaktiven Polymers die elektrische Spannung v EAP konstant gehalten wird und das elektroaktive Polymer während eines Zeitintervalls Δt u „ι oa d von einem Zeitpunkt t 2 bis zu einem Zeitpunkt t mioa d bis auf eine Restladung Q 0 entladen wird; und wobei zur Berechnung der elektrischen Zielspannung erforderliche Zahlenwert der maximalen Dehnung ε max im Voraus abgeschätzt wird durch:
Abschätzen der maximalen Wellenhöhe A max einer Wasserwelle und
Korrelieren der maximalen Wellenhöhe A max mit der maximalen Dehnung ε max über eine Zuordnungsvorschrift.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird weiterhin ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie von Wasserwellen mit konstantem elektrischem Feld, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer Vorrichtung im Wasser, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass ein Teil der Vorrichtung oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein elektroaktives Polymer umfasst, welches zwischen Elektroden angeordnet ist und wobei in der Vorrichtung mechanische Energie aus einer Veränderung des Wasserspiegels auf das elektroaktive Polymer übertragen wird;
Dehnen des elektroaktiven Polymers von einer minimalen Dehnung ε min bis zu einer maximalen Dehnung ε max als Folge einer mechanischen Einwirkung einer Wasserwelle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit c und einer Wellenlänge λ, wobei während des Dehnens des elektroaktiven Polymers dieses während eines Zeitintervalls Δtι oad von einem Zeitpunkt t \ bis zu einem Zeitpunkt t load mit einer elektrischen Spannnung V EAP beaufschlagt wird, bei der die elektrische Durchbruchsfeldstärke £ max des elektroaktiven Polymers nicht überschritten wird;
Relaxieren des gedehnten elektroaktiven Polymers von der maximalen Dehnung ε max bis zu der minimalen Dehnung ε min als Folge einer nachlassenden mechanischen Einwirkung der Wasserwelle, wobei während des Relaxierens des elektroaktiven Polymers die elektrische Feldstärke
' z (0 konstant gehalten wird und das elektroaktive Polymer während eines
Zeitintervalls At u „ι oad von einem Zeitpunkt t 2 bis zu einem Zeitpunkt t u „ι oad bis auf eine Restladung Q 0 entladen wird; und wobei zur kontinuierlichen Nachführung der elektrischen Feldstärke erforderlicher Zahlenwert aus dem Plattenabstand z(t) abgeschätzt wird. Elektroaktive Polymere (EAP) im Sinne der vorliegenden Erfindung sind grundsätzlich Polymere, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern und insbesondere dielektrische Elastomere. Geeignete Materialien sind insbesondere dielektrische Polyurethan- Elastomere. Das elektroaktive Polymer kann mit zwei oder mehr Elektroden verbunden sein, welche ebenfalls dehnbar sein können. Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren im Meer durchgeführt, die Vorrichtung also im Meer bereitgestellt. Die Vorrichtung kann allgemein als elektromechanischer Wandler bezeichnet werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das gedehnte elektroaktive Polymer mittels einer geeigneten Einheit, welche beispielsweise als Leistungselektronik oder Ladeelektronik bezeichnet werden kann, mit einer elektrischen Ladung, Spannung oder Feldstärke beaufschlagt. Beim Relaxieren oder Entspannen wird diese Ladung wieder entnommen bzw. die elektrische Spannung bzw. Feldstärke konstant gehalten, wodurch elektrische Energie gewonnen wird.
Zur Berechnung der möglichst hohen elektrischen Zielladung Q * i Oad bzw. der elektrischen Spannung V EAP bzw. der Feldstärke E ist die Kenntnis über die maximale Dehnung ε max erforderlich, wie weiter unten näher ausgeführt werden wird. Da der Zeitpunkt des Endes des Beaufschlagens der Zielladung, tι oa d, mit dem Maximum der Dehnung ε max und somit mit dem Maximum der Wellenhöhe zusammenfällt, muss der Zeitpunkt des Beginns des Beaufschlagens, t \ , zwangsläufig vor dem Maximum liegen. Entsprechendes gilt für das Entladen des Polymeres. Es ist also nötig, vorherzusagen, wann das Maximum der Welle den elektromechanischen Wandler erreicht und wie hoch das Maximum ausfallen wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die zu erwartende maximale Wellenhöhe für die nächste Welle abgeschätzt. Dieses wird ebenfalls weiter unten näher erläutert. Der benötigte Zahlenwert für die maximale Dehnung ε max wird über eine Korrelation mit der maximalen Wellenhöhe A max erhalten. Die Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise eine empirisch ermittelte Korrelationstabelle sein, welche jeder Auslenkung des elektromechanischen Wandlers eine Dehnung zuordnet. Die Vorschrift kann auch eine mathematische Beschreibung der speziellen Wandlermechanik sein, also ein Modellkonzept sein. Eine weitere Möglichkeit basiert auf Messdaten des elektroaktiven Polymers.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Zeitpunkte für das Laden und Entladen des elektroaktiven Polymers können mit einer internen Zeitmessung korreliert werden, um auf einer absoluten Skala das Polymer ansteuern zu können. Es ist auch möglich, externe Zeitsignale wie beispielsweise die über Langwelle gesendeten Signale von Atomuhren zu verwenden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet insgesamt den Vorteil, dass auf eine Veränderung der Wellenhöhe im Laufe der Zeit reagiert werden kann und somit auch unter wechselnden Bedingungen näher am Optimum der Energiegewinnung gearbeitet werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen näher beschrieben werden. Hierbei zeigen:
FIG. 1 eine Überlagerung eines Wellenverlaufs mit dem Lade- und Entladestrom des EAP
FIG. 2 ein Ablaufdiagramm für eine Berechnung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren (konstante Ladung)
FIG. 3 ein Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes System (konstante Ladung) Zunächst soll zum besseren Verständnis auf die Theorie der Wasserwellen eingegangen werden. Bei Wasserwellen wird grundsätzlich unterschieden in Flachwasser- und Tiefwasserwellen. Flachwasserwellen treten in Strandnähe beziehungsweise geringer Wassertiefe d auf. Die Wellenlänge ist hier deutlich länger als die Wassertiefe: λ » d. Tiefwasserwellen entstehen auf dem offenen Meer mit λ « d und eignen sich im besonderen Maße für die Energiegewinnung. In der Regel breiten sich Tiefwasserwellen sinusförmig auf dem Meer aus. Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit ändern sich nur sehr langsam. Die Höhe der Wellen ist Rayleigh- verteilt, das heißt, dass große Wellenhöhen treten selten auf. Die größte Wahrscheinlichkeit liegt bei kleineren Amplituden.
Zur Steuerung des Laderzyklus für den EAP-Generator muss lediglich die Grundwelle der Tiefwasserwelle (Transversalwelle) betrachtet werden. Diese wird beschrieben durch die Wellenlänge λ, die Wassertiefe d, mit der orts- und zeitabhängigen Wellenhöhe h{x,f) und ihrer maximalen Wellenhöhe /z max sowie durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit c. Die Wellenhöhe ergibt sich wie in Gleichung (1) dargestellt:
2 - π 2 - π
h{x,t) = ■ cosl x e t (1)
λ λ Bezogen auf eine ganze Welle der Länge λ ergibt sich die auf die Fläche A bezogene kinetische Energie gemäß Gleichung (2): Bezogen auf eine ganze Welle der Länge λ ergibt sich die auf die Fläche A bezogene potenzielle Energie gemäß Gleichung (3):
-^- = - - p - g - h maκ (3)
A 4
Die auf die Fläche A bezogene potenzielle Energie, die zur Dehnung des EAP-Generators verwendet werden soll, ist abhängig von der maximalen Wellenhöhe A max , der Erdbeschleunigung g und der Dichte des Wassers p.
Gegenüber der kinetischen Energie in Gleichung (2) verändert sich die flächenbezogene potenzielle Energie ausschließlich mit der Wellenhöhe, so dass durch Gleichsetzen sich schließlich die Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Welle bestimmen lässt:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist gemäß Gleichung (4) lediglich eine Funktion der Erdbeschleunigung g und der Wassertiefe d. Letztere ändert sich (bei fester Position des EAP- Generators) nur geringfügig auf Grund der Gezeiten, so dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit näherungsweise konstant ist. Mit der in der Wasserwellentheorie begründeten Annahme einer sinusförmigen Ausbreitung von Tiefwasserwellen soll im folgenden Abschnitt die Optimierung des Energiegewinnungszyklus beschrieben werden. Ziel ist hierbei die Bestimmung der zeitlich optimalen Lade- und Entladezyklen und die Bestimmung der jeweils maximal aufzubringenden Ladungsmenge bzw. maximalen Spannung unter Einhaltung von Randbedingungen. Auf Grund des durch die Elektronik begrenzten Laderstroms und der damit endlichen Zeit zum Aufbringen von Ladungen auf den EAP-Generator ist unter Bestimmung der optimalen Lade- und Entladezyklen die Detektierung des optimalen LadeTEntladezeitintervalls zu verstehen. Unter Berücksichtigung der im Zyklus auftretenden maximalen Dehnung des EAP soll die übertragene Ladungsmenge, die über die Kapazität des EAP mit der elektrischen Spannung in Relation steht, so vorausbestimmt werden, dass die elektrische Durchbruchsfeldstärke E max des Polymers einerseits zu keinem Zeitpunkt überschritten wird, aber andererseits zu maximaler Energiegewinnung führt. Für die Optimierung des Energiegewinnungszyklus sollen zwei Kriterien für die Extremalberechnung betrachtet werden, nämlich die Maximierung der Energiewandlung von mechanischer in elektrische Energie und die Minimierung elektrischer und mechanischer Verluste.
Zunächst sollen die Optimierungsbedingungen für eine maximale Energiegewinnung bei konstanter Ladung allgemein hergeleitet werden.
Soll das EAP zum Zeitpunkt t \ mit dem Ladestrom i ha JJ) in der Ladezeit Atι oad = tι oad — t \ auf eine vorab bestimmte Zielladung Q * ι oad geladen werden, ergibt sich die zeitabhängige Ladungsmenge zu: Mit Vorgabe von ζ)'ι oad und bei bekanntem iι oa d(t) lässt sich aus Gleichung (5) das Ladezeitintervall Δti oad = h oad ~ h bestimmen. Die Bestimmung des Entladezeitintervalls folgt analog.
Die Kapazität C des EAP-Generators ist lediglich von der Dehnung ε abhängig, die wiederum eine Funktion des Ortes und der Zeit der Wasserwelle ist, aber keine Funktion der EAP-Spannung u EAP ist. Allgemein beträgt die auf den EAP-Generator aufgebrachte Energie nach Abschluss des Ladezyklus:
Die vom EAP-Generator entnommene Energie nach Abschluss des Entladevorgangs beträgt: E unload = ju EAP (t) - i aιload (t)dt = J Jry Λλ - i unload (t)dt (7) Der Energiegewinn ergibt sich dann zu:
■EΗarvesl— -^unload ^load V^/
Aus dieser allgemeinen Gleichung für den Energiegewinn können die optimalen Startpunkte t x und t 2 durch Lösung der Extremwertaufgabe max^«,^,^)) mit t 2 > t x und t λ +t 2 < λlc (9) bestimmt werden. Da der Energiegewinn von zwei Variablen abhängt, können Extremwerte nur auftreten, wenn die partiellen Ableitungen nach den Variablen t\, t 2 gleichzeitig Null sind: dE han , es , {t] ,t 2 ) _ Q dE harvesl \t\ ,t 2 ) _ Q ,1 Qs dt x dt 2 K '
Die Lösung von Gleichung (10) ergibt Wertepaare, die Extremwerte der Flächenfunktion in Gleichung (10) darstellen. Ob es sich hierbei um ein Minimum, Maximum oder Sattelpunkt handelt, kann mit den zweiten Ableitungen bestimmt werden: harves, (Λ > 1 I ) _ Q , χ γ)
Liefern die beiden gemischten Ableitungen nach t \ , t 2 identische Ergebnisse, so liegt ein Maximum vor, wenn die beiden zweiten Ableitungen nach t \ oder t 2 negativ sind; ein Minimum liegt vor, wenn die beiden zweiten Ableitungen positiv sind; ein Sattelpunkt liegt vor, wenn die beiden zweiten Ableitungen unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Unabhängig vom Ergebnis der beiden gemischten Ableitungen kann die Entscheidung, welches Extremum vorliegt, allgemein mit Hilfe der Hesse-Matrix vorgenommen werden:
Ist die Matrix H positiv definit, liegt ein relatives Minimum vor, ist H negativ defϊnit handelt es sich um ein relatives Maximum, ist H indefinit, so handelt es sich um kein relatives Extremum. Sofern H positiv/negativ semidefinit ist, sind zusätzliche Untersuchungen notwendig, wie sie in üblichen Lehrbüchern der Mathematik näher erläutert werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zeitpunkt t \ berechnet gemäß t \ = Δ/ /oorf und der Zeitpunkt t 2 wird gemäß t 2 = 3 berechnet. Weiterhin hat zu
A -c A - c
dem Zeitpunkt tι oad das elektroaktive Polymer die maximale Dehnung ε max eingenommen und zu dem Zeitpunkt t u „ι oad das elektroaktive Polymer die minimale Dehnung ε mm .
Unter der Annahme einer sinusförmigen Ausbreitung der Wasserwelle ist bei ideal elastischen
Verhältnisses des Polymers auch ein annähernd sinusförmiger Dehnungsverlauf ε des EAP- Generators zu erwarten. Die Kapazität des EAP-Generators wird bei steigender Dehnung einen streng monoton steigenden Verlauf, bei Relaxation einen streng monoton fallenden Verlauf aufweisen und kann in erster Näherung ebenfalls als sinusförmiger Verlauf approximiert werden. Demnach weist die Anordnung bei maximaler Dehnung ε max die maximale Kapazität und C max und bei minimaler Dehnung ε min die minimale Kapazität C mn auf. Ändert sich die Kapazität des EAP-Generators konstant proportional zur Dehnung ε des EAP- Generators
C(O = C 0 + C 111 ,, - sinf 2 ■ * • — / ) (13) und sind die Lade- und Entladeströme auf Grund ihres Begrenzungswertes / max blockförmig, womit auch ß(0 = / ma χ• {t - h ) beziehungsweise Q(t) = -/ max • (/ - t 2 ) (14) gilt, ergibt sich der maximale Energiegewinn nach Gleichungen (9)-(12) genau dann, wenn bei der maximalen Amplitude der Dehnung der Ladevorgang abgeschlossen ist, was auf den Startzeitpunkt führt und wenn der Entladevorgang bei minimaler Amplitude der Dehnung bei t 2 = 3 -— (16)
A - c beginnt. Der Lade- und Entladevorgang wiederholt sich nach einer Periodendauer T p = λ/c. Der Zusammenhang wird nochmals in FIG. 1 dargestellt.
FIG. 1 zeigt schematisch die Überlagerung des Verlaufs einer Wasserwelle 100 mit dem Lade- und Entladestrom 110 des elektroaktiven Polymers. Zum Zeitpunkt t \ beginnt das Aufladen des Polymers bis zum Endzeitpunkt t \oad , welcher mit dem Maximum der Wellenhöhe zusammenfallt. Dieses Ladeintervall ist durch das Bezugszeichen 120 gekennzeichnet. Vom Zeitpunkt t 2 , welcher mit dem Minimum der Wellenhöhe korrespondiert, bis zum Zeitpunkt Z 111 ,^ wird das Polymer entladen. Dieses ist das Entladeintervall 130. Die Energiewandlung findet jeweils im Intervall 140 statt, wenn das aufgeladene EAP wieder relaxiert. Die Optimierungsbedingungen für Laden und Entladen des EAP-Generators gelten analog auch für konstante Spannung und konstantes elektrisches Feld. Hierbei wird allerdings nicht die Ladungsmenge während des Relaxierens konstant gehalten, sondern die elektrische Spannung bzw. die elektrische Feldstärke.
Der Energiegewinn E hanes i durch den EAP-Generator wird durch Verluste reduziert. Es treten neben mechanischen Umwandlungsverlusten E EAP . mech und elektrischen Verlusten im EAP- 5 Generator Eg AP .ei zusätzliche Verluste E dec durch die Ladeelektronik während der Lade- und Entladezyklen in Abhängigkeit der EAP-Spannung u(t) und der EAP-Kapazität C(ε(x,t),Q) auf, die bei der Optimierung des maximalen Energiegewinns berücksichtigt werden und einen Einfluss auf die optimalen Schaltzeitpunkte haben. Insofern ist bei der Zeitintervalloptimierung nach den Gleichungen (9)-(12) die nachfolgende Beziehung zu verwenden:
10 max{E han , esl - Eι oss ) mit E loss = E EAP^mech + E EAPfil + E e!ec (17)
Mit einem geeigneten Sensor- und Beobachterkonzept werden die Zeitpunkte minimaler Amplitude t(h mm ) und maximaler Amplitude t(h maκ ) und die Wellenhöhe /z max vorhergesagt. Beispielsweise mit einem Modell des EAP-Generators und des mechanischen Wandlerkonzeptes können dann die entsprechenden Zeitpunkte minimaler und maximaler Dehnung sowie Dehnung
15 des EAP-Generators bestimmt werden. Der Prädiktionshorizont (vorausgeschätzte Zeit t eslιmate ) muss dabei zwischen 0 < t esUmate < T p = λlc, das heißt eine Periodedauer, betragen. Durch eine räumlich versetzte Anordnung zwischen Sensorik und EAP-Generator kann sich der Prädiktionshorizont entsprechend verlängern (zum Beispiel, wenn die Welle die verwendete Sensorik erst nach dem EAP-Generator erreicht) oder verkürzen (zum Beispiel, wenn die Welle die
20 verwendete Sensorik vor dem EAP-Generator erreicht).
In Abhängigkeit der Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit ergibt sich die Periodendauer T p = λ/c der Welle für einen festen Ort x. Wenn sich ein erster EAP-Generator El, bezogen auf die Ausbreitungsrichtung der Welle, vor einer Sensorik S befindet, erreicht ein Wellenberg den EAP- Generator El um die Zeit: o c ± % Sensorik %EAP rr, / t o\
ZD t E \ = " Ip U <\)
Ä vor der Sensorik und der Prädiktionshorizont t estimate muss um diesen Betrag größer werden. Befindet sich ein zweiter EAP-Generator E2 nach der Sensorik S, kann der Prädiktionshorizont testi m aie entsprechend kleiner werden.
Die Schätzung der Wellenlänge λ kann entweder mit einer zusätzlichen Sensorik erfolgen oder aus 30 den elektrischen Größen des EAP-Generators bestimmt werden. Wird zusätzliche Sensorik eingesetzt, bietet sich der Einsatz von Beschleunigungssensoren an, die die Vertikalbeschleunigung der Wasseroberfläche messen. Die Grundwelle kann zum Beispiel mit einer Phasenregelschleife (phase-locked loop, PLL) oder über Transformationen wie Fourier- Transformation und insbesondere Fast Fourier Transformationen (FFT) oder Cosinus- Transformation bestimmt werden.
Aus der Grundwelle und der Annahme, dass sich die Wellenlänge nur mit geringer Dynamik ändert, können die Zeitpunkte der Extremwerte der Wellenbewegung vorausgeschätzt werden.
Ein Beispiel für eine Schrittabfolge, welche noch zusätzliche Schritte umfassen kann, ist:
1. Schritt: Zunächst wird modeil- oder/und sensorgestützt die Dehnung ε und der Zeitpunkt maximaler Dehnung /(ε max ) des EAP-Generators geschätzt.
2. Schritt: Anhand der zu erwartenden Dehnung des EAP-Generators wird modellbasiert die zulässige Zielladung Q * ι oad gemäß Gleichung (20) (oder die zulässige elektrische Spannung) ermittelt, bei der ein Überschreiten der elektrischen Durchbruchsfeldstärke während des Energiegewinnungszyklus vermieden wird. 3. Schritt: Unter Berücksichtigung der Stromcharakteristik iι oad (t) kann die Länge der Ladezeit Δtι oad mit Gleichung (5) bestimmt werden. Analog wird die Länge der Entladezeit Δt u „ι oad bestimmt.
4. Schritt: Mittels der Zielladungsmenge Q i oa d und der Lade- und Entladezeiten Δ.ti oa d und Δt u „ι oa d kann nun unter Berücksichtigung der Verluste Eι oss der optimale Zeitpunkt für den Beginn des Ladevorgangs t \ und des Entladevorgangs t 2 nach Gleichung (17) bestimmt werden. FIG. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine solche Schrittfolge. Hierbei bedeuten die Verweise durch Pfeile auf in Klammern gesetzte Zahlen, dass die Größe anhand der mit der entsprechenden Nummer referenzierten Gleichung in der Beschreibung zur vorliegenden Erfindung erhalten werden kann. Die eigentliche Schrittfolge ist in Gruppe 200 zusammengefasst. Schritt 260 betrifft das Ermitteln der zeitabhängigen Spannung u EAP (t) und des zeitabhängigen Stroms i EA p(ή des elektroaktiven Polymers. Aus diesen Werten können in Schritt 250 die dehnungsabhängige Kapazität C(ε) und der dehnungsabhängige Elektrodenabstand d(ε) bestimmt werden. Diese Werte dienen auch zur Vorhersage des Zeitpunktes der maximalen Dehnung des EAP in Schritt 210.
Die Schrittfolge für den Betrieb mit konstanter elektrischer Spannung bzw. mit konstantem elektrischem Feld unterscheidet sich insofern, dass die Berechnung der Zielladungsmenge anders erfolgt. Im Fall eines Betriebs mit konstanter elektrischer Spannung wird die Zielladungsmenge so vorherbestimmt, dass bei maximaler Dehnung die zulässige Feldstärke nicht überschritten wird. Anschließend muss die Ladungsmenge so angepasst werden, dass die elektrische Spannung konstant bleibt. Bei Betrieb mit konstantem elektrischen Feld wird die Zielladungsmenge ebenfalls so vorherbestimmt, dass über den gesamten Wandlungsprozess die zulässige Feldstärke nicht überschritten wird. Hierfür wird modellbasiert die Foliendicke geschätzt, aus der bei Vorgabe der zulässigen Feldstärke dann die erforderliche Spannung berechnet werden kann. Alle weiteren Schritte gelten unverändert.
Unter Verwendung der vorhergesagten maximalen Dehnung des EAP werden in Schritt 220 die Zielladung Q ι oaι j berechnet und in Schritt 230 die Zeitdauern für die Lade- und Entladeintervalle Δt f o ad und Δt m ι oa d. Schließlich können aus den ermittelten Parametern die Zeitpunkte für den Beginn des Ladevorgangs t\ und des Entladevorgangs t 2 ermittelt werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wellenlänge λ ermittelt, indem mittels eines Beschleunigungssensors die vertikale Beschleunigung der Wasseroberfläche gemessen wird und: die Oszillation des erhaltenen Beschleunigungssensor-Signals über eine Phasenregelschleife eine wellenlängenabhängige Spannung ergibt; und/oder die Oszillation des erhaltenen Beschleunigungssensor-Signals über eine Fourier- oder Cosinus-Transformation in die Domäne clλ überführt wird.
Bevorzugte Fourier-Transformationen sind hierbei Fast Fourier-Transformationen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wellenlänge λ ermittelt, indem die zwischen den Elektroden am elektroaktiven Polymer anliegende Spannung gemessen wird und:
die Oszillation der Spannung über eine Phasenregelschleife eine wellenlängenabhängige
Spannung ergibt; und/oder die Oszillation der Spannung über eine Fourier- oder Cosinus-Transformation in die Domäne clλ überführt wird.
Bevorzugte Fourier-Transformationen sind hierbei Fast Fourier-Transformationen. Eine modellgestützte Schätzung ohne Sensorik besteht darin, am EAP-Generator die Spannung u EAP kontinuierlich zu messen, womit auf Basis der seitens der Steuerung bekannten Ladung ß * / „ o j + Qo beziehungsweise Q 0 des EAP-Generators über ein mathematisches Modell auf die Kapazität C(ε(jc,/),0 geschlossen werden kann. Damit die dehnungsabhängige EAP-Kapazität erfasst werden können, muss beim Entladevorgang eine geringe Restladung Q 0 auf dem EAP verbleiben, um so eine fortlaufende Spannungsmessung während des Zyklus durchführen zu können.
Über den formelmäßigen Zusammenhang zwischen EAP-Kapazität und EAP-Dehnung kann die zeitabhängige Dehnung des EAP-Generators bestimmt werden.
Bei Betrieb mit konstanter Spannung bzw. konstantem Feld wird die Spannung während des Relaxierens kontinuierlich nachgefühlt und die Kapazität kann aus der durch Änderung des Stroms hervorgerufenen Änderung der Ladungsmenge geschätzt werden. Während der Dehnungsphase wird dasselbe Konzept wie bei konstanter Ladung verfolgt, indem eine Ladungsrestmenge auf dem
EAP-Generator verbleibt.
Die Dehnung des EAP-Generators wird über das mechanische Wandlerkonzept durch die Wellenbewegung hervorgerufen, über den somit aus der EAP-Spannung auf die Wellenbewegung geschlossen werden. Durch Verwendung der Phasenregelschleife beziehungsweise Transformation der Wellenbewegung in den Frequenzbereich (analog zur Messung mit Beschleunigungssensor) kann die Wellenlänge bestimmt werden. Aus Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit leiten sich die Zeitpunkte minimaler und maximaler Dehnung /(εmm), t( ε max) ab. Die Kenntnis über die Wellenhöhe ist insofern wichtig, damit die optimierte Ladungsmenge auf den EAP-Generator aufgebracht werden kann, die einen maximalen Energiegewinn erzeugt, aber nicht zur Zerstörung des EAP führt. Ist die Dehnung ε des EAP-Generators weitgehend unabhängig von der aufgebrachten Ladung (ε≠ fliQ)), wenn der elektrostatische Druck also vernachlässigt werden kann, berechnet sich die maximale Ladungsmenge über die maximal zulässige Feldstärke E mm des EAP-Generators und den Elektrodenabstand d (Polymerdicke). Dabei entsteht bei maximaler Dehnung ε max des EAP-Generators unter Annahme eines konstanten EAP-Volumens die maximale Kapazität C max und der minimale Elektrodenabstand d mm , während sich bei minimaler Dehnung ε mm des EAP-Generators die minimale Kapazität C n ^ n und der maximale Elektrodenabstand d mxi einstellt. Da sowohl die Kapazität als auch der Elektrodenabstand nichtlineares Verhalten aufweisen, muss der gesamte Dehnungsbereich berücksichtigt werden und die zulässig aufzubringende Ladungsmenge Q i oad für den Betrieb mit konstanter Ladung ergibt sich mit:
QLd < mw[c(ε(x,t))- E mm • d(ε{x,ή)] (20)
Wird während der Dehnung des EAP-Generators die Kapazität, wie mit Gleichung (18) vorgeschlagen, und in analoger Weise auch der Elektrodenabstand d durch eine Spannungsmessung berechnet, kann aus deren geschätzten Verlauf die Zielladung Q * i oad nach Gleichung (20) bestimmt werden. Eine Schätzung der Wellenhöhe ist daraus zwar ebenso möglich, allerdings für die optimale Steuerung des EHC nicht erforderlich.
Auf Basis der hergeleiteten Beziehungen sollten für jeden Zyklus der Zeitpunkt /(ε max ), f(ε πun ) und die Amplitude der maximalen und minimalen Dehnung des EAP-Generators schon im Voraus ermittelt werden. Da sich jedoch insbesondere die Wellenlänge λ nur langsam und in engen Grenzen ändert, muss lediglich die maximale Dehnung ε max in jedem Zyklus vorausgeschätzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den Fall, dass die tatsächliche Wellenhöhe sich gegenüber der geschätzten Wellenhöhe um so viel höher ist, dass mit der aufgebrachten Ladung die Durchschlagfeldstärke des elektroaktiven Polymers überschritten wird, aus dem elektroaktiven Polymer Ladung entnommen. Vorzugsweise wird für diesen Fall, dass \E\ > E max ist, während des Energiegewinnungszyklus Ladung entnommen. Durch das Entnehmen der Ladung kann eine Zerstörung des EAP-Generators verhindert werden. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Vorrichtung: eine Boje; eine axial segmentierte Kette von fluidgefüllten Körpern aus einem ein elektroaktives Polymer umfassenden Material; oder eine Anordnung von durch ein Drehgelenk miteinander verbundenen Schwimmkörpern mit exzentrisch angeordneten vorgespannten Abschnitten aus ein elektroaktives Polymer umfassendem Material, welche sich bei einer Knickbewegung der Schwimmkörper gegensätzlich zueinander dehnen und relaxieren.
Im Falle einer Boje folgt diese durch die ihre Auftriebskraft bei einem Wellenberg dem steigenden
Wasserspiegel und erfährt eine Beschleunigung. An der Boje ist ein Zusatzgewicht angebracht. Auf Grund der Massenträgheit des Zusatzgewichts wird sich in dieser Phase eine Vergrößerung des Relativabstands zwischen Bojengehäuse und Zusatzgewicht einstellen, wodurch der EAP- Generator gedehnt wird.
Ebenso stellt sich bei der Bewegung der Boje ins Wellental eine Verringerung des Relativabstands zwischen Bojengehäuse und Zusatzgewicht ein. Für eine möglichst effiziente Ausnutzung des EAP-Generators ist der Zeitpunkt der minimalen Dehnung des Polymers erforderlich.
Bei quasistatischer Betrachtung findet in diesem Anwendungsfall das Laden der Anordnung bei einem Wellenberg statt. Das Entladen des EAP-Generators erfolgt dementsprechend im Wellental. Durch die mechanische Schwingungsanordnung können sich Phasenverschiebungen zwischen der Wellenoberfläche und der EAP-Dehnung ergeben, die bei Verwendung von Sensorik durch ein Wandlermodell berücksichtigt werden können.
Die axial segmentierte Kette von fluidgefüllten Körpern wird auch als "Anaconda"-Anordnung bezeichnet. Sie weist miteinander kommunizierende fluidgefüllte Körper aus einem ein elektroaktives Polymer umfassenden Material auf. Durch die Anhebung der Kette oder des Schlauches auf dem Wellenberg strömt das im Schlauch befindliche Fluid in die Wellentäler. Durch die geringe Steifigkeit des elektroaktiven Polymers wird der Querschnitt im Wellental erweitert (Dehnung) und auf dem Wellenberg (Relaxation) verjüngt.
Phasenverschiebungen zwischen der Wellenbewegung und der EAP-Dehnung, die sich auf Grund der Dynamik des im EAP befindlichen Fluids ergeben, können auch hier durch ein entsprechendes Wandlermodell im Algorithmus zur optimierten EHC-Steuerung berücksichtigt werden. Die Anordnung von durch ein Drehgelenk miteinander verbundenen Schwimmkörpern wird auch als "Pelamis-Anordnung" bezeichnet. Sie ist so aufgebaut, dass zwei Schwimmkörper mit einem Drehgelenk verbunden sind. Exzentrisch integriert sind vorgespannte EAP, die sich bei der Knickbewegung der Pelamis-Anordnung gegensätzlich zueinander dehnen und relaxieren. Die Drehung im Gelenk wird dadurch erreicht, dass in beiden Schwimmkörper in räumlicher Nähe zum Gelenk Gewichte angebracht sind.
Auch dieses Wandlerkonzept findet gemäß den Erläuterungen zu den beiden Vorherigen in optimierten Steuerungsalgorithmen eine Berücksichtigung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie von Wasserwellen und geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend: eine Vorrichtung, welche so eingerichtet ist, dass beim Platzieren der Vorrichtung im Wasser ein Teil der Vorrichtung oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein elektroaktives Polymer umfasst, welches zwischen Elektroden angeordnet ist und wobei in der Vorrichtung mechanische Energie aus einer Veränderung des Wasserspiegels auf das elektroaktive Polymer übertragen wird; eine Sensoreinheit zur Gewinnung von Sensordaten über die Wasserwellen und/oder das elektroaktive Polymer; eine Leistungseinheit zum Beaufschlagen des elektroaktiven Polymers mit elektrischer Ladung und zum Entladen des elektroaktiven Polymers; und eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, um empfangene Daten aus der Sensoreinheit gemäß vorher definierter Datenmodelle in einem Berechnungsalgorithmus zu verarbeiten und als Ergebnis der Berechnung die Leistungselektronik anzusteuern, wobei weiterhin der Berechnungsalgorithmus die Abschätzung der maximalen Wellenhöhe von zukünftigen bei der Vorrichtung eintreffenden Wasserwellen umfasst. Die Vorrichtung, welche ein Teil des erfindungsgemäßen Systems ist, entspricht der Vorrichtung im erfindungsgemäßen Verfahren. Daher wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Erläuterungen hierzu verwiesen. Dieses gilt ebenfalls in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung.
Ein erfmdungsgemäßes System wird unter Bezugnahme auf FIG. 3 weiter erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Diese Figur zeigt ein Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes System. Das Element 300 stellt die Sensoreinheit dar, welche Daten über die Wasserwellen und/oder das elektroaktive Polymer 350 gewinnt.
Die Daten aus der Sensoreinheit 300 können über ein mathematisches Modell und/oder ein mechanisches Konzept des elektromechanischen Wandlers 310 aufbereitet werden und dann an einen Berechnungseinheit 330 weitergegeben werden. Ebenso können die Daten in eine Modellierung der Wellen 320 einfließen. Die Berechnungseinheit 330 berechnet mit entsprechenden Algorithmen Vorgaben für eine Leistungselektronik oder Leistungseinheit 340. Solche Vorgaben sind insbesondere die auf das elektroaktive Polymer in der Vorrichtung zu übertragende Ladungsmenge und die Zeitpunkte für den Beginn und Ende des Ladens und Entladens. Die Steuereinheit 360 im erfindungsgemäßen System umfasst die Elemente 310, 320 und 330. Durch die Leistungseinheit 340 wird das elektroaktive Polymer 350 mit einer elektrischen Ladung beaufschlagt und, nach Ende der Energiewandlungsphase, die elektrische Energie wieder entnommen. Zum Abgleich der Berechnungsmodelle kann die Leistungseinheit 340 mit der Modelleinheit 310 in Verbindung stehen. In einer Ausfϊihrungsform des erfindungsgemäßen Systems umfasst die Sensoreinheit einen von der Vorrichtung beabstandeten Beschleunigungssensor. Dieser Beschleunigungssensor schwimmt vorzugsweise auf der Wasseroberfläche und misst die Schwankung deren Höhe als Folge der Wellenbewegungen. Details hierzu wurden bereits zum erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
In einer weiteren Ausführungsform des erfϊndungsgemäßen Systems misst die Sensoreinheit die zwischen den Elektroden am elektroaktiven Polymer anliegende Spannung und den Abstand der Elektroden am elektroaktiven Polymer. Details hierzu wurden bereits zum erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, umfassend durch einen Mikroprozessor ausführbare Befehle zur Durchführung der Berechnungen in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Next Patent: ESTER MIXTURES AND COMPOSITIONS COMPRISING SUCH ESTER MIXTURES