Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung, insbesondere aus einer Bewegung eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, besonders bevorzugt Meerwasser.The present invention relates to a device and a method for obtaining electrical electrical power, in particular from a movement of a fluid, in particular a liquid, preferably water, particularly preferably seawater.
Stand der TechnikState of the art
Die Verwendung von elektroaktiven Materialien, insbesondere elektroaktiven Polymeren, zum Gewinnen von elektrischer Energie ist beispielsweise in der US 7 368 862 B2 beschrieben. Dabei wird ein Kondensator mit einem elektroaktiven Polymer biegend gespannt, wobei sich die effektive Fläche des Kondensators vergrößert, und geladen. Bei einem folgenden Entspannen des Kondensators wird eine elektrische Entladeleistung, welche durch das Verringern der effektiven Fläche des Kondensators infolge des Entspannens auftritt, zum Gewinnen von elektrischer Nutzenergie abgegriffen.The use of electroactive materials, in particular electroactive polymers, for the recovery of electrical energy is for example in the US 7,368,862 B2 described. In this case, a capacitor is stretched bending with an electroactive polymer, wherein increases the effective area of the capacitor, and charged. Upon subsequent relaxation of the capacitor, an electrical discharge power, which occurs by reducing the effective area of the capacitor due to relaxation, is tapped to obtain useful electrical energy.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.The present invention discloses a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 9.
Demgemäß ist vorgesehen: eine Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung, insbesondere aus einer Bewegung eines Fluids, mit: mindestens drei steuerbaren Generatoreinrichtungen; wobei jede Generatoreinrichtung einen Kondensator aufweist; wobei die Generatoreinrichtungen derart ausgebildet und im Verhältnis zueinander derart angeordnet sind, dass die Kondensatoren der Generatorein-richtungen, insbesondere bedingt durch die Bewegung des Fluids, in unterschiedliche Verformungszustände verformbar sind, wodurch eine jeweilige Kapazität der Kondensatoren veränderbar ist; und mit einer Steuereinrichtung; mittels welcher die Kondensatoren der Generatoreinrichtungen jeweils in Abhängigkeit von dem Verformungszustand, zu welchem der jeweilige Kondensator verformt ist, auf- und entladbar sind; wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass ein erster Teil einer bei einem Entladen eines ersten Kondensators abgreifbaren Entladeleistung zu einem Aufladen von mindestens zwei zweiten, von dem ersten Kondensator verschiedenen, Kondensatoren verwendbar ist; und wobei die Steuereinrichtung weiterhin zum Gewinnen eines zweiten Teils der bei dem Entladen des ersten Kondensators abgreifbaren Entladeleistung als die elektrische Nutzleistung ausgebildet ist.Accordingly, it is provided: a device for obtaining electrical useful power, in particular from a movement of a fluid, comprising: at least three controllable generator devices; wherein each generator means comprises a capacitor; wherein the generator means are formed and arranged in relation to one another such that the capacitors of the generator devices, in particular due to the movement of the fluid, are deformable into different states of deformation, whereby a respective capacitance of the capacitors is variable; and with a control device; by means of which the capacitors of the generator devices in each case in dependence on the deformation state, to which the respective capacitor is deformed, can be charged and discharged; wherein the control device is designed such that a first part of a discharging power which can be tapped off when a first capacitor discharges is used for charging at least two second capacitors different from the first capacitor; and wherein the control device is further designed to obtain a second part of the discharge power which can be tapped off during the discharge of the first capacitor as the electrical useful power.
Unter einem Verformungszustand soll insbesondere ein Entspanntsein oder ein Gestauchtsein, ein Entspannen oder ein Stauchen verstanden sein. Unter einem Aufladen bzw. Entladen soll sowohl ein teilweises als auch ein vollständiges Auf- bzw. Entladen verstanden sein.Under a state of deformation should be understood in particular a relaxed or a bump, relax or upsetting. Charging or discharging is understood to mean both partial and complete loading and unloading.
Weiterhin ist vorgesehen: ein Verfahren zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung, insbesondere aus einer Bewegung eines Fluids, mit den Schritten:
Aufladen eines ersten Kondensators einer ersten von mindestens drei Generatoreinrichtungen in Abhängigkeit von einem ersten aktuellen Verformungszustand, zu welchem der erste Kondensator, insbesondere bedingt durch die Bewegung des Fluids, zu einem ersten Zeitpunkt verformt ist; wobei
eine elektrische Kapazität des ersten Kondensators von dem Verformungszustand des ersten Kondensators abhängig ist; Entladen des ersten Kondensators in Abhängigkeit von einem zweiten aktuellen Verformungszustand, zu welchem der erste Kondensator, insbesondere bedingt durch die Bewegung des Fluids, zu einem zweiten Zeitpunkt verformt ist, zum Abgreifen einer Entladeleistung; Aufladen mindestens zwei zweiter Kondensatoren der mindestens drei Generatoreinrichtungen in Abhängigkeit von einem jeweiligen dritten aktuellen Verformungszustand der mindestens zwei zweiten Kondensatoren, mittels eines ersten Teils der bei dem Entladen des ersten Kondensators abgegriffenen Entladeleistung; wobei eine jeweilige elektrische Kapazität der zweiten Kondensatoren von dem jeweiligen Verformungszustand der zweiten Kondensatoren abhängig ist; und Gewinnen eines zweiten Teils der bei dem Entladen des ersten Kondensators abgegriffenen Entladeleistung als die elektrische Nutzleistung.Furthermore, provision is made for a method for obtaining useful electrical power, in particular from a movement of a fluid, with the steps:
Charging a first capacitor of a first of at least three generator devices in response to a first current deformation state, to which the first capacitor, in particular due to the movement of the fluid is deformed at a first time; in which
an electric capacitance of the first capacitor is dependent on the deformation state of the first capacitor; Discharging the first capacitor in response to a second current deformation state, to which the first capacitor, in particular due to the movement of the fluid is deformed at a second time, for tapping a discharge power; Charging at least two second capacitors of the at least three generator devices as a function of a respective third current state of deformation of the at least two second capacitors, by means of a first part of the unloading power tapped during the discharge of the first capacitor; wherein a respective electrical capacitance of the second capacitors is dependent on the respective state of deformation of the second capacitors; and obtaining a second part of the discharging power tapped when discharging the first capacitor as the electric power.
Bevorzugt wird die Bewegung eines Fluids zur Gewinnung von elektrischer Nutzleistung verwendet. Alternativ ist auch die Nutzung anderer mechanischer Bewegungsenergie zur Gewinnung von elektrischer Nutzleistung möglich, wobei die genutzte mechanische Bewegungsenergie insbesondere periodisch ist und vorzugsweise eine Periodendauer zwischen 1 s und 25 s aufweist.Preferably, the movement of a fluid is used to obtain electrical power. Alternatively, the use of other mechanical kinetic energy for obtaining electrical useful power is possible, the used mechanical kinetic energy is particularly periodic and preferably has a period of between 1 s and 25 s.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass bei einer Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Nutzenergie aus der Bewegung eines Fluids mittels Kondensatoren, welche je nach ihrem Verformungszustand ihre Kapazität ändern, eine bei einem Entladen eines Kondensators frei werdende Entladeleistung zum Laden einer Mehrzahl von weiteren Kondensatoren verwendet werden kann. Dadurch ist eine puffernde Zwischenkreiskapazität verringerbar, beispielsweise um 99% ihrer elektrischen Kapazität. Dadurch sind Bauraum, Gewicht und technischer Aufwand bei der Herstellung einsparbar. The finding underlying the present invention is that, in a device for obtaining useful electrical energy from the movement of a fluid by means of capacitors, which change their capacitance depending on their deformation state, discharging power released upon discharge of a capacitor for charging a plurality can be used by other capacitors. As a result, a buffering DC link capacity can be reduced, for example by 99% of its electrical capacity. As a result, space, weight and technical complexity in the production are saving.
Zudem ist eine Vergleichmäßigung einer Leistungseinspeisung in ein Stromnetz erreichbar, da entstehende Spitzen der Entladeleistung stets auf mehrere aufzuladende Kondensatoren aufgeteilt werden. Weiterhin ist durch einen gemeinsamen Gleichstrom-Zwischenkreis auf einem hohen Spannungsniveau eine Hochspannungsgleichstromübertragung möglich. Somit ist die Vorrichtung auch besonders effizient für off-shore-Anwendungen. In addition, a homogenization of a power supply can be achieved in a power grid, since resulting peaks of the discharge power are always divided into several charging capacitors. Furthermore, a high-voltage direct current transmission is possible by a common DC intermediate circuit at a high voltage level. Thus, the device is also particularly efficient for off-shore applications.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt somit ein Aufteilen einer zu einem jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Entladeleistung eines Kondensators stets auf eine Mehrzahl von zu ladenden weiteren Kondensatoren. Welcher Kondensator jeweils zu laden oder zu entladen ist, wird aufgrund eines jeweiligen, zu sensierenden Verformungszustands der Kondensatoren festgestellt. Derjenige Anteil an der Entladeleistung, welcher zum Gewinnen der elektrischen Nutzenergie verwendet wird kann jeweils einen festen Prozentsatz der abgegriffenen Entladeleistung oder einen festen Betrag aufweisen. Reicht der für das Aufladen der weiteren Kondensatoren vorgesehene Anteil an der abgegriffenen Entladeleistung nicht für das gewünschte Aufladen, kann, beispielsweise mittels einer Leistungsquelle der Steuereinrichtung 14, zusätzliche Leistung bereitgestellt werden. Die in den Generatoreinrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehenen Kondensatoren, welche eine von einem jeweiligen Verformungszustand des Kondensators abhängige elektrische Kapazitäten aufweisen, weisen vorzugsweise einen elektroaktiven Polymerbereich auf.According to the present invention, therefore, dividing a discharge power of a capacitor present at a respective time always takes place on a plurality of further capacitors to be charged. Which capacitor is to be charged or discharged in each case is determined on the basis of a respective state of deformation of the capacitors to be sensed. The portion of the discharge power used to obtain the useful electrical energy may each have a fixed percentage of the discharged discharge power or a fixed amount. If the proportion of the tapped discharge power intended for the charging of the further capacitors is not sufficient for the desired charging, then, for example by means of a power source of the control device 14 , additional power will be provided. The capacitors provided in the generator devices of the device according to the invention, which have an electrical capacitance which is dependent on a respective state of deformation of the capacitor, preferably have an electroactive polymer region.
Wo im Folgenden von einem elektroaktiven Polymerbereich gesprochen wird, soll insbesondere ein Bereich verstanden sein, welcher mindestens eine elektroaktive Polymerschichtung, insbesondere einen elektroaktiven Polymerstapel 5 oder einen elektroaktiven Polymerwickel 6 aus elektroaktiven Polymerschichtungen 1 aufweist oder daraus besteht. Wird von einem Stauchen, einem Entspannen oder einem Dehnen einer Generatoreinrichtung gesprochen, soll darunter insbesondere verstanden sein, dass ein elektroaktiver Polymerbereich der entsprechenden Generatoreinrichtung gestaucht, entspannt oder gedehnt wird, jeweils bezogen auf die Feldrichtung R bzw. R‘. Außer dem elektroaktiven Polymerbereich kann die Generatoreinrichtung beispielsweise eine elektrische Leitung, eine elektrische Leistungsschaltung und/oder ein verkapselndes Gehäuse aufweisen, insbesondere ein gegen Feuchtigkeit verkapselndes Gehäuse. Bei einem Stauchen des elektroaktiven Polymerbereichs vergrößert sich eine elektrische Kapazität eines Kondensators, welcher von dem elektroaktiven Polymerbereich gebildet wird. Bei einem Entspannend oder einem Dehnen verringert sich die elektrische Kapazität des Kondensators demgegenüber wieder.Where, in the following, an electroactive polymer region is mentioned, in particular a region should be understood which comprises at least one electroactive polymer layer, in particular an electroactive polymer stack 5 or an electroactive polymer wrap 6 from electroactive polymer coatings 1 or consists of. Is spoken of a compression, relaxation or stretching a generator means, it should be understood in particular that an electroactive polymer region of the corresponding generator device is compressed, relaxed or stretched, in each case based on the field direction R or R '. In addition to the electroactive polymer region, the generator device can comprise, for example, an electrical line, an electrical power circuit and / or an encapsulating housing, in particular a moisture-encapsulating housing. Upon upsetting of the electroactive polymer region, an electrical capacitance of a capacitor, which is formed by the electroactive polymer region, increases. In a relaxing or stretching, the electrical capacitance of the capacitor decreases in contrast again.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist mindestens einer der Kondensatoren als elektroaktive Polymerschicht oder als elektroaktiver Polymerstapel oder als elektroaktiver Polymerwickel mit mindestens einer elektroaktiven Polymerschicht ausgebildet. Durch das Ausbilden von Polymerstapeln oder Polymerwickeln ist mechanische Energie noch effizienter in elektrische Energie umwandelbar.According to a preferred development, at least one of the capacitors is designed as an electroactive polymer layer or as an electroactive polymer stack or as an electroactive polymer coil having at least one electroactive polymer layer. By forming polymer stacks or polymer coils, mechanical energy can be more efficiently converted into electrical energy.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die die Steuereinrichtung weiterhin derart ausgebildet, das Entladen des ersten Kondensators während eines Entspannens oder eines Entspanntseins des ersten Kondensators durchzuführen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Steuereinrichtung weiterhin derart ausgebildet, das Aufladen der mindestens zwei zweiten Kondensatoren während eines Stauchens oder Gestauchtseins der mindestens zwei zweiten Kondensatoren durchzuführen.According to a further preferred development, the control device is furthermore designed in such a way to carry out the discharging of the first capacitor during a relaxing or relaxing of the first capacitor. According to a further preferred refinement, the control device is furthermore configured to carry out the charging of the at least two second capacitors during a compression or compression of the at least two second capacitors.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgebildet, das Entladen des ersten Kondensators über einen ersten Zeitraum hinweg durchzuführen und das Aufladen der mindestens zwei zweiten Kondensatoren über einen zweiten Zeitraum hinweg durchzuführen; wobei der zweite Zeitraum länger oder kürzer ist als der erste Zeitraum, vorzugsweise länger. Somit kann besonders effizient mechanische Energie über den längeren zweiten Zeitraum hinweg, beispielsweise zwischen ein und zehn Sekunden, vorzugsweise zwischen zwei und sieben Sekunden, insbesondere fünf Sekunden lang, in die Vorrichtung eingekoppelt werden, während der erste Kondensator geladen wird. Der erste Zeitraum kann beispielsweise zwischen null und fünf Sekunden, vorzugsweise eine Sekunde lang sein.According to a further preferred development, the control device is further configured to carry out the discharging of the first capacitor over a first period of time and to carry out the charging of the at least two second capacitors over a second period of time; wherein the second period is longer or shorter than the first period, preferably longer. Thus, mechanical energy can be particularly efficiently coupled into the device over the longer second time period, for example between one and ten seconds, preferably between two and seven seconds, in particular five seconds, while the first capacitor is being charged. For example, the first period may be between zero and five seconds, preferably one second.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Generatoreinrichtungen derart ausgebildet und derart innerhalb des Fluids angeordnet, dass durch die Bewegung des Fluids an Positionen der Generatoreinrichtungen ein hydraulischer Druck des Fluids jeweils unterschiedliche Druckwerte annimmt; wobei die Kondensatoren der Generatoreinrichtungen bedingt durch die unterschiedlichen Druckwerte jeweils unterschiedlich verformbar sind. Hierdurch können die Generatoreinrichtungen vorteilhaft etwa am Meeresboden oder am Boden eines Sees angeordnet werden, wobei Welleneffekte und/oder Gezeiteneffekte die Bewegung des Fluids, insbesondere von Wasser, bedingen.According to a further preferred development, the generator devices are designed and arranged within the fluid such that, due to the movement of the fluid at positions of the generator devices, a hydraulic pressure of the fluid respectively assumes different pressure values; wherein the capacitors of the generator means are each deformed differently due to the different pressure values. As a result, the generator devices can advantageously be arranged approximately at the bottom of the sea or at the bottom of a lake, wherein wave effects and / or tidal effects cause the movement of the fluid, in particular of water.
Die Generatoreinrichtungen können nicht nur linear, sondern auch nach einer stochastischen Verteilung angeordnet sein, sodass stochastisch verteilt immer sowohl zu ladende als auch zu entladende Generatoreinrichtungen vorhanden sind, welche durch Sensieren, etwa des Verformungszustands, bestimmt und entsprechend geladen bzw. entladen werden können. The generator devices can be arranged not only linearly but also according to a stochastic distribution, so that there are stochastically distributed always to be charged as well as to be discharged generator devices which can be determined by sensing, such as the deformation state, and loaded or unloaded accordingly.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Triebeinrichtung, welche durch die Bewegung des Fluids bewegbar ist, sowie eine Stauchungseinrichtung auf, welche derart ausgebildet und derart mit der Triebeinrichtung verbunden ist, dass mittels der Stauchungseinrichtung die Kondensatoren gemäß der Bewegung der Triebeinrichtung stauchbar sind.According to a further preferred refinement, the device has a drive device, which can be moved by the movement of the fluid, and a compression device, which is designed and connected to the drive device in such a way that the capacitors can be compressed in accordance with the movement of the drive device by means of the compression device.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Stauchungseinrichtung als eine innerhalb eines Hohlraums eines Hohlzylinders angeordnete Welle ausgebildet ist; und wobei die Kondensatoren innerhalb eines Mantels des Hohlzylinders angeordnet sind; wobei der Mantel des Hohlzylinders den Hohlraum des Hohlzylinders umfasst. Der Hohlzylinder kann beispielsweise ein oder mehrere Polymere aufweisen und, etwa in einem wasserdichten Schlauch, am Meeresboden oder am Boden eines Sees fixiert sein. According to a further preferred development, the compression device is designed as a shaft arranged within a hollow space of a hollow cylinder; and wherein the capacitors are disposed within a shell of the hollow cylinder; wherein the shell of the hollow cylinder comprises the cavity of the hollow cylinder. The hollow cylinder may, for example, comprise one or more polymers and be fixed in a water-tight tube, at the bottom of the sea or at the bottom of a lake.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Führungseinrichtung auf, welche ganz oder zum Teil innerhalb des Hohlraums angeordnet ist und mittels welcher die Stauchungseinrichtung bei einer Bewegung der Stauchungseinrichtung aufgrund der Bewegung der Triebeinrichtung auf einer vorbestimmten geschlossenen Bahn führbar ist. Hierdurch kann festgelegt werden, welche Kondensatoren für ein jeweiliges nächstes Auf- oder Entladen in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen, durch die geschlossene Bahn der Stauchungseinrichtung bedingten Verformungszustand in Frage gekommen.According to a further preferred development, the device has a guide device which is arranged wholly or partly within the cavity and by means of which the compression device can be guided on a predetermined closed path during a movement of the compression device due to the movement of the drive device. In this way it can be determined which capacitors have come into question for a respective next charging or discharging in dependence on their respective deformation state caused by the closed path of the compression device.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Entladen des ersten Kondensators während eines Entspannens und/oder eines Entspanntseins als Verformungszustand des ersten Kondensators durchgeführt, und/oder das Aufladen der mindestens zwei zweiten Kondensatoren während eines Stauchens und/oder eines Gestauchtseins als Verformungszustand der mindestens zwei zweiten Kondensatoren durchgeführt.According to a further preferred development of the method according to the invention, the discharging of the first capacitor during relaxation and / or relaxation is carried out as the deformation state of the first capacitor, and / or the charging of the at least two second capacitors during compression and / or compression as the deformation state of at least two second capacitors performed.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Entladen des ersten Kondensators über einen ersten Zeitraum hinweg durchgeführt und das Aufladen der mindestens zwei zweiten Kondensatoren über einen zweiten Zeitraum hinweg durchgeführt; wobei der zweite Zeitraum länger oder kürzer ist als der erste Zeitraum.According to a further preferred development, the discharging of the first capacitor is carried out over a first period of time and the charging of the at least two second capacitors is carried out over a second period of time; the second period being longer or shorter than the first period.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the schematic figures of the drawings. Show it:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic block diagram of an apparatus for obtaining electrical power from a movement of a fluid according to a first embodiment of the present invention;
2 ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic diagram of the device for obtaining electrical power from a movement of a fluid according to the first embodiment of the present invention;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 3 a schematic representation of an apparatus for obtaining electrical electrical power from a movement of a fluid according to a second embodiment of the present invention;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung 10‘‘ zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 4 a schematic cross-sectional view of a device 10 '' for obtaining electrical power from a movement of a fluid according to a third embodiment of the present invention;
5 Details der Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform; 5 Details of the device according to the third embodiment;
6 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 6 a schematic flowchart for explaining a method for obtaining electrical electrical power from a movement of a fluid according to a fourth embodiment of the present invention;
7A eine beispielhafte elektroaktive Polymerschichtung; 7A an exemplary electroactive polymer layering;
7B einen beispielhaften elektroaktiven Polymerstapel; und 7B an exemplary electroactive polymer stack; and
7C einen beispielhaften elektroaktiven Polymerwickel. 7C an exemplary electroactive polymer wrap.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Aktive Materialien, welche auch „smarte Materialien“ oder „intelligente Materialien“ genannt werden, führen eine aktive Funktion, etwa eine Ausdehnung, ein Ausüben einer Kraft, eine Formänderung, und/ oder eine Steifigkeitsänderung unter dem Einfluss oder Zuschalten äußerer Parameter, etwa elektrischer oder magnetischer Felder oder einer Temperatur, aus.Active materials, also called "smart materials" or "intelligent materials" be perform an active function, such as an expansion, exerting a force, a change in shape, and / or a change in stiffness under the influence or addition of external parameters, such as electric or magnetic fields or temperature.
Zu den aktiven Materialien, genauer den elektroaktiven Materialien, gehören auch elektroaktive Polymere (EAP). „Elektroaktive Polymere“ ist ein Oberbegriff für eine Vielzahl von Kunststoffen, deren Gemeinsamkeiten eine Gestaltänderung durch Einfluss elektrischer Spannungen und Ladungen ist. Die zugrunde liegenden Effekte können dabei unterschiedlich sein. Man unterscheidet beispielsweise feuchte EAP (intermolekulare Bewegung von Ionen) und trockene EAP, darunter etwa elektrostriktive Polymere, piezoelektrische Polymere und dielektrische Polymere.Active materials, more specifically electroactive materials, also include electroactive polymers (EAP). "Electroactive polymers" is a generic term for a large number of plastics whose common features are a change in shape due to the influence of electrical voltages and charges. The underlying effects can be different. For example, a distinction is made between wet EAP (intermolecular movement of ions) and dry EAP, including, for example, electrostrictive polymers, piezoelectric polymers and dielectric polymers.
Wie in 7A schematisch gezeigt, sind bei einer elektroaktiven Polymerschichtung 1 insbesondere zwei elektrische Kontaktschichten 3, 4 zum elektrischen Kontaktieren einer Polymerschicht 2 auf voneinander abgewandten Oberflächen der Polymerschicht 2 angebracht. Die Gestaltänderung, also eine Verformung der elektroaktiven Polymerschichtung 1, wird hierbei insbesondere durch elektrostatische Kräfte, welche auf die Polymerschicht 2 als elastisches Dielektrikum durch Aufbringen von elektrischen Ladungen auf die Kontaktschichten 3, 4 wirken, erzeugt. Die Polymerschicht 2 ist insbesondere elastisch, nicht leitfähig und ist zwischen nachgiebigen Kontaktschichten 3, 4 angebracht. As in 7A shown schematically are in an electroactive polymer layering 1 in particular two electrical contact layers 3 . 4 for electrically contacting a polymer layer 2 on opposite surfaces of the polymer layer 2 appropriate. The change in shape, ie a deformation of the electroactive polymer layer 1 , is characterized in particular by electrostatic forces acting on the polymer layer 2 as an elastic dielectric by applying electrical charges to the contact layers 3 . 4 act, generated. The polymer layer 2 is particularly elastic, non-conductive and is between resilient contact layers 3 . 4 appropriate.
Wird eine elektrische Spannung an die Kontaktschichten 3, 4 angelegt, kann die Polymerschicht 2 als Dielektrikum aufgrund von sich anziehenden Ladungen in einer Feldrichtung R, das heißt senkrecht zu der Polymerschicht 2, gestaucht werden. Gleichzeitig kann, da Polymere nahezu inkompressibel sein können und ein Volumen der Polymerschicht 2 während der Verformung konstant bleibt, eine Dehnung der Polymerschicht 2 senkrecht zu der Feldrichtung R auftreten. Die Kontaktschichten 3, 4 wirken mit der dielektrischen Polymerschicht 2 als ein Kondensator. Der stauchenden elektrostatischen Anziehungskraft zwischen den Kontaktschichten 3, 4 wirkt eine Rückstellkraft der flexiblen Polymerschicht, welche insbesondere als ein Elastomer ausgebildet sein kann, entgegen. Eine aktuelle Verformung der elektroaktiven Polymerschichtung 1 ist somit ein Ergebnis einer resultierenden Kraft aus der elektrostatischen Anziehungskraft, aus einer mechanischen Kraft auf die Polymerschichtung 1 sowie aus der Rückstellkraft.Is an electrical voltage to the contact layers 3 . 4 applied, the polymer layer can 2 as a dielectric due to attractive charges in a field direction R, that is perpendicular to the polymer layer 2 to be upset. At the same time, because polymers can be nearly incompressible and a volume of the polymer layer 2 while the deformation remains constant, an elongation of the polymer layer 2 occur perpendicular to the field direction R. The contact layers 3 . 4 act with the dielectric polymer layer 2 as a capacitor. The upsetting electrostatic attraction between the contact layers 3 . 4 acts a restoring force of the flexible polymer layer, which may be formed in particular as an elastomer, contrary. An actual deformation of the electroactive polymer layer 1 is thus a result of a resultant force from the electrostatic attraction, a mechanical force on the polymer layer 1 as well as from the restoring force.
Wie in 7B gezeigt, kann die elektroaktive Polymerschichtung 1 zum Herstellen eines elektroaktiven Polymerstapels 5 (Englisch „stack“) vielfach übereinander gefaltet werden. Dabei wird die elektroaktive Polymerschichtung 1 mit einer Dicke d‘ so oft übereinander gelegt, dass eine effektive Dicke d des elektroaktiven Polymerstapels 5 entsteht. Durch Anlegen einer Spannung U’ an die Kontaktschichten 3, 4 des elektroaktiven Polymerstapels 5 ist der Stapel 5, wie in Bezug auf 7A beschrieben, entlang einer Feldrichtung R‘ komprimierbar, entspannbar oder dehnbar, das heißt die effektive Dicke d wird verringert oder vergrößert. Dabei können sich Abmessungen X, Y in Richtungen senkrecht zu der Feldrichtung R‘ des Polymerstapels 5 Richtungen vergrößern oder verkleinern. Statt einer einzelnen elektroaktiven Polymerschichtung 1 kann auch eine Vielzahl von einander elektrisch kontaktierenden Polymerschichtungen 1 zum Bilden des Polymerstapels 5 verwendet werden. Alternativ kann die elektroaktive Polymerschichtung auch als Rolle aufgewickelt werden, wodurch ebenfalls ein vielschichtiger Aufbau entsteht.As in 7B shown, the electroactive polymer layering 1 for producing an electroactive polymer stack 5 (English "stack") are often folded over each other. This is the electroactive polymer layering 1 with a thickness d 'overlaid so often that an effective thickness d of the electroactive polymer stack 5 arises. By applying a voltage U 'to the contact layers 3 . 4 of the electroactive polymer stack 5 is the stack 5 , as regards 7A described along a field direction R 'compressible, relaxable or stretchable, that is, the effective thickness d is reduced or increased. In this case, dimensions X, Y in directions perpendicular to the field direction R 'of the polymer stack 5 Enlarge or reduce directions. Instead of a single electroactive polymer layer 1 can also be a variety of mutually electrically contacting polymer layers 1 for forming the polymer stack 5 be used. Alternatively, the electroactive polymer layer can also be wound up as a roll, which also results in a multi-layered structure.
Wie in 7C gezeigt, kann die elektroaktive Polymerschichtung 1 zum Herstellen eines elektroaktiven Polymerwickels 6, welcher auch als Rollenaktor bezeichenbar ist, vielfach um eine gedachte Längsachse A aufgewickelt werden. Dabei entsteht der elektroaktive Polymerwickel 6 in einer Vollzylinderform oder einer Hohlzylinderform mit einer Länge L und mit einer effektiven Dicke d‘‘, welche einem Durchmesser der Voll- oder Hohlzylinderform entspricht.As in 7C shown, the electroactive polymer layering 1 for producing an electroactive polymer coil 6 , which can also be marked as a roller actuator, are often wound around an imaginary longitudinal axis A. This creates the electroactive polymer wrap 6 in a solid cylindrical shape or a hollow cylindrical shape having a length L and having an effective thickness d '' which corresponds to a diameter of the solid or hollow cylindrical shape.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 10 zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic block diagram of a device 10 for obtaining electrical power from a movement of a fluid according to a first embodiment of the present invention.
Die Vorrichtung 10 weist n steuerbare Generatoreinrichtungen 11-i von einer ersten Generatoreinrichtung 11-i bis zu einer n-ten Generatoreinrichtung 11-n auf, wobei jede Generatoreinrichtung einen Kondensator 15-i aufweist.The device 10 has n controllable generator devices 11-i from a first generator device 11-i up to an nth generator device 11-n on, each generator means being a capacitor 15-i having.
Die Generatoreinrichtungen 11-i sind derart ausgebildet und im Verhältnis zueinander derart angeordnet sind, dass die Kondensatoren 15-i der Generatoreinrichtungen 11-i bedingt durch die Bewegung des Fluids in unterschiedliche Verformungszustände verformbar sind, wodurch eine jeweilige Kapazität der Kondensatoren 15-i veränderbar ist.The generator devices 11-i are formed and arranged in relation to each other such that the capacitors 15-i the generator devices 11-i are deformable due to the movement of the fluid in different deformation states, whereby a respective capacitance of the capacitors 15-i is changeable.
Die Vorrichtung weist weiterhin eine Steuereinrichtung 14 auf, mittels welcher die Kondensatoren 15-i der Generatoreinrichtungen 11-i jeweils in Abhängigkeit von dem jeweiligen Verformungszustand, zu welchem der jeweilige Kondensator 15-i verformt ist, aufladbar und entladbar sind. Ein erster Teil einer bei einem Entladen eines ersten Kondensators 15-i abgreifbaren Entladeleistung wird zu einem Aufladen von mindestens zwei zweiten, von dem ersten Kondensator 15-i verschiedenen, Kondensatoren 15-i verwendet. Die Steuereinrichtung 14 ist weiterhin zum Gewinnen eines zweiten Teils der bei dem Entladen des ersten Kondensators 15-i abgreifbaren Entladeleistung als elektrische Nutzleistung Unutz ausgebildet. Jeder der n Kondensatoren 15-i kann als der erste Kondensator oder als einer der mindestens zwei zweiten Kondensatoren fungieren. Welcher der n Kondensatoren 15-i jeweils erster oder zweiter Kondensator ist, hängt von dem jeweiligen Verformungszustand der Kondensatoren 15-i ab. Die Abfolge von zu entladendem und zu ladenden Kondensatoren kann beispielsweise zyklisch sein. Die Abfolge kann auf der räumlichen Anordnung der Generatoreinrichtungen 11-i zueinander basieren.The device furthermore has a control device 14 on, by means of which the capacitors 15-i the generator devices 11-i in each case depending on the respective deformation state, to which the respective capacitor 15-i is deformed, rechargeable and dischargeable. A first part of a discharge of a first capacitor 15-i can be tapped discharge power to a charging of at least two second, from the first capacitor 15-i different, capacitors 15-i used. The control device 14 is further for obtaining a second part of the discharge of the first capacitor 15-i tapped off discharge as electrical power output U Usable formed. Each of the n capacitors 15-i may act as the first capacitor or as one of the at least two second capacitors. Which of the n capacitors? 15-i Each first or second capacitor is dependent on the respective state of deformation of the capacitors 15-i from. The sequence of capacitors to be discharged and charged can be cyclic, for example. The sequence can be based on the spatial arrangement of the generator devices 11-i based on each other.
Der Verformungszustand der Kondensatoren 15-i ist mittels der Steuereinrichtung 14 basierend auf elektrischen Eigenschaften der Kondensatoren 15-i messbar. Dazu können vorteilhafterweise die Kondensatoren 15-i stets eine Minimalladung aufweisen, sodass bei ein Stauchen oder Gestauchtsein, ein Entspannen oder ein Entspanntsein der Kondensatoren 15-i stets als Änderung einer Spannung, eines Stroms oder einer Ladungsmenge auf den Kondensatoren 15-i messbar ist. Alternativ können auch Verformungszustand- Messeinrichtung an einem, mehreren oder allen Kondensatoren 15-i angebracht sein, welche zum Messen eines jeweiligen Verformungszustands des Kondensators 15-i geeignet sind und dies ständig oder regelmäßig durchführen.The deformation state of the capacitors 15-i is by means of the control device 14 based on electrical properties of the capacitors 15-i measurable. For this purpose, advantageously, the capacitors 15-i always have a minimal charge, so that when upsetting or bumping, a relaxation or a relaxation of the capacitors 15-i always as a change in voltage, current or amount of charge on the capacitors 15-i is measurable. Alternatively, deformation state measuring device can also be used on one, several or all capacitors 15-i be attached, which for measuring a respective state of deformation of the capacitor 15-i are suitable and perform this constantly or regularly.
Die Kondensatoren 15-i gemäß der ersten Ausführungsform sind als Kondensatoren 15-i mit elektroaktiven Polymerbereichen ausgebildet. Die elektroaktiven Polymerbereiche der Kondensatoren 15-i sind so angeordnet, dass sie, bedingt durch die Bewegung des Fluids, etwa Wasser, voneinander verschieden gestaucht und/oder entspannt werden können.The capacitors 15-i according to the first embodiment are called capacitors 15-i formed with electroactive polymer regions. The electroactive polymer regions of the capacitors 15-i are arranged so that, due to the movement of the fluid, such as water, they can be differently compressed and / or relaxed from each other.
Die Generatoreinrichtungen 11-i sind mittels elektrischer Leitungen 30 mit einer Ausgangs-Leistungselektronik 18 verbunden, welche mittels der Steuereinrichtung 14 steuerbar ist.The generator devices 11-i are by means of electrical cables 30 with an output power electronics 18 connected, which by means of the control device 14 is controllable.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung 10 zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 shows a schematic diagram of the device 10 for obtaining electrical power from a movement of a fluid according to the first embodiment of the present invention.
Gemäß 2 ist mit jedem Kondensator 15-i ein Lastwiderstand 50-i, in erster IGBT-Wechselrichter 51-i, ein zweiter IGBT-Wechselrichter 52-i verbunden, etwa innerhalb der jeweiligen Generatoreinrichtung 11-i oder innerhalb der allen Generatoreinrichtungen 11-i gemeinsamen Ausgangs-Leistungselektronik 18. Alle ersten und zweiten IGBT-Wechselrichter 51-i, 52-i, mit i von 1 bis n, sind mittels der Steuereinrichtung 14 steuerbar, sodass die Kondensatoren 15-i jeweils entsprechend ihres Verformungszustands geladen oder entladen werden oder unverändert geladen oder entladen belassen werden können.According to 2 is with every capacitor 15-i a load resistor 50-i , in the first IGBT inverter 51-i , a second IGBT inverter 52-i connected, for example, within the respective generator device 11-i or within the all generator devices 11-i common output power electronics 18 , All first and second IGBT inverters 51-i . 52-i , with i from 1 to n, are by means of the control device 14 controllable, so the capacitors 15-i each loaded or unloaded according to their state of deformation or can be left unchanged loaded or unloaded.
Die Kondensatoren 15-i sind alle gemeinsam elektrisch an eine Zwischenkreiskapazität 56 angeschlossen. Die elektrische Kapazität der Zwischenkreiskapazität 56 kann umso geringer ausgebildet werden, je besser die Entladeleistung des zu entladenden ersten Kondensators zum Laden auf die zwei oder mehr zu ladenden zweiten Kondensatoren aufgeteilt wird. Dadurch kann die zweite Zwischenkreiskapazität 56 mit einer kleineren elektrischen Kapazität und mit weit geringerem technischem Aufwand ausgebildet werden oder ganz entfallen.The capacitors 15-i are all together electrically to a DC link capacity 56 connected. The electrical capacity of the DC link capacitance 56 can be formed the lower the better the discharge power of the first capacitor to be charged is divided for charging to the two or more to be charged second capacitors. This allows the second DC link capacity 56 be formed with a smaller electrical capacity and with far less technical effort or completely eliminated.
Mit der Zwischenkreiskapazität 56 ist ein Netzwerk aus sechs dritten IGBT-Wechselrichtern 53 parallelgeschaltet, mittels welchen ein zunächst von den Kondensatoren 15-i abgegriffener Gleichstrom U_DC in einen dreiphasigen Wechselstrom umwandelbar ist. Der dreiphasige Wechselstrom kann über einen Anschluss 54 an ein Übertragungsnetz 55 übermittelt werden.With the DC link capacity 56 is a network of six third IGBT inverters 53 connected in parallel, by means of which a first of the capacitors 15-i tapped direct current U_DC can be converted into a three-phase alternating current. The three-phase alternating current can be connected via one connection 54 to a transmission network 55 be transmitted.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows a schematic representation of an apparatus for obtaining electrical power from a movement of a fluid according to a second embodiment of the present invention.
Die Vorrichtung 10‘ ist eine Variante der Vorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform, wobei die Generatoreinrichtungen 11-i, mit i von 1 bis n = 9, insbesondere voneinander beabstandet, am Meeresboden 60 angeordnet sind. Somit befindet sich über den Generatoreinrichtungen 11-i Meerwasser 8 als Fluid. Das Meerwasser 8 führt infolge der Gezeiten eine Wellenbewegung 9 durch, aufgrund welcher sich ein jeweilige hydraulischer Druck an den Generatoreinrichtungen 11-i verändert, nämlich durch den sich verändernden Abstand der Generatoreinrichtungen 11-i von einer Wasseroberfläche 8‘. In 3 sind die Größenverhältnisse nicht maßstabsgetreu dargestellt. Auf einer vertikalen z-Achse in 3 ist eine Höhe senkrecht zum Erdboden 60, also vom Erdinneren abgewandt, eingezeichnet, sowie eine horizontale s-Achse, anhand welcher Abstände der Generatoreinrichtungen 11-i voneinander schematisch eingezeichnet sind.The device 10 ' is a variant of the device 10 according to the first embodiment, wherein the generator means 11-i , with i from 1 to n = 9, in particular spaced apart, on the seabed 60 are arranged. Thus, located above the generator means 11-i seawater 8th as a fluid. The seawater 8th leads due to the tides a wave motion 9 due to which a respective hydraulic pressure at the generator means 11-i changed, namely by the changing distance of the generator devices 11-i from a water surface 8th' , In 3 the proportions are not shown to scale. On a vertical z-axis in 3 is a height perpendicular to the ground 60 , So facing away from the earth, drawn, and a horizontal s-axis, based on which distances of the generator devices 11-i are shown schematically from each other.
In der in 3 dargestellten Situation befindet sich ein Wellenberg 9‘ in z-Richtung oberhalb der fünften Generatoreinrichtung 11-5, während sich Wellentäler 9‘‘ in z-Richtung oberhalb der ersten und der neunten Generatoreinrichtung 11-1, 11-9 befinden. Entsprechend sind die fünfte Generatoreinrichtung 11-5, die sechste Generatoreinrichtung 11-6 und die siebte Generatoreinrichtung 11-7 bedingt durch den hydraulischen Druck des Wellenbergs 9‘ maximal gestaucht, während die erste und neunte Generatoreinrichtung 11-1, 11-9 verhältnismäßig schwach gestaucht oder entspannt werden. Bedingt durch dieselbe Wellenbewegung 9 ist zudem die achte Generatoreinrichtung 11-8 im Entspannen begriffen.In the in 3 illustrated situation is a wave mountain 9 ' in the z-direction above the fifth generator device 11-5 while wave troughs 9 '' in the z-direction above the first and the ninth generating means 11-1 . 11-9 are located. Accordingly, the fifth generator means 11-5 , the sixth generator device 11-6 and the seventh generator device 11-7 due to the hydraulic pressure of the wave crest 9 ' maximum compressed while the first and ninth generator device 11-1 . 11-9 be relatively weakly compressed or relaxed. Due to the same wave motion 9 is also the eighth generator device 11-8 relaxing.
Erfindungsgemäß soll ein Entladen 71 des Kondensators 15-8 der achten Generatoreinrichtung 11-8 durchgeführt werden. Der erste Teil der dabei anfallenden und abgegriffenen Entladeleistung wird zu einem Laden 73 der derzeit gestauchten fünften bis siebten Generatoreinrichtungen 11-5, 11-6, 11-7 eingesetzt. Es können jeweils mehrere Kondensatoren 15-i im Entladen 71 begriffen sein, wobei jeweils der erste Teil der dabei anfallenden und abgegriffenen Entladeleistung zum Laden 73 jeweils mindestens zweier Kondensatoren verwendet wird. Es kann somit jeder Kondensator 15-i gleichzeitig auch mittels mehrerer erster Teile von mehreren Entladeleistungen, welche bei dem Entladen 71 mehrere anderer Kondensatoren anfallen, geladen werden.According to the invention, a discharge 71 of the capacitor 15-8 the eighth generator device 11-8 be performed. The first part of the accumulated and tapped discharge capacity becomes a store 73 the currently compressed fifth to seventh generator devices 11-5 . 11-6 . 11-7 used. There can be several capacitors each 15-i unloading 71 Be understood, in each case the first part of the resulting and tapped unloading power for loading 73 each of at least two capacitors is used. It can therefore be any capacitor 15-i at the same time by means of several first parts of a plurality of discharging power, which in the unloading 71 several other capacitors accumulate, are charged.
Die Steuereinrichtung 14 ist gemäß der zweiten Ausführungsform derart ausgebildet oder programmiert, dass das Laden 73 und/oder das Entladen 71 zeitlich angepasst an eine Wellenlänge bzw. Frequenz der Wellenbewegung 9 erfolgt. Insbesondere kann das Laden in einem ersten Zeitraum durchgeführt werden, etwa während fünf Sekunden, während das Entladen in einem kürzeren, zweiten Zeitraum durchgeführt wird, etwa während einer Sekunde. Auf diese Weise kann das Einkoppeln mechanischer Energie in die Vorrichtung 10‘ durch die Wellenbewegung 9 besonders lange zugelassen werden, was die Effizienz der Vorrichtung 10‘ verbessern kann.The control device 14 is configured or programmed according to the second embodiment, that the loading 73 and / or unloading 71 timed to a wavelength or frequency of the wave motion 9 he follows. In particular, charging may be performed in a first time period, such as five seconds, while discharging is performed in a shorter, second time period, such as one second. In this way, the coupling of mechanical energy into the device 10 ' by the wave motion 9 allowed to be particularly long, resulting in the efficiency of the device 10 ' can improve.
4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung 10‘‘ zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids 8 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für die Beschreibung wird zum Teil auch auf Bezugszeichen in der nachfolgenden 5 verwiesen. 4 shows a schematic cross-sectional view of a device 10 '' for obtaining electrical power from a movement of a fluid 8th according to a third embodiment of the present invention. For the description is partly on reference numerals in the following 5 directed.
5 zeigt Details der Vorrichtung 10‘‘ gemäß der dritten Ausführungsform. Die Vorrichtung 10‘‘ gemäß der dritten Ausführungsform ist eine weitere Variante der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. Gemäß der dritten Ausführungsform sind die Generatoreinrichtungen 12-i, mit i von 1 bis 6, als Teil eines Mantels 28 eines Hohlzylinders 26 ausgebildet, welcher – in einem ungestauchten Zustand – einen im Wesentlichen zylinderförmigen Hohlraum 24 umschließt. Die Generatoreinrichtungen 12-i sind elektrisch voneinander getrennt und weisen jeweils einen elektroaktiven Polymerbereich als Kondensator 16-i, mit i von 1 bis 6, auf. Bei den Kondensatoren der Generatoreinrichtungen 12-i handelt es sich um Polymerstapel 5, etwa wie in 7B gezeigt, deren Feldrichtung R‘ in einer radialen Richtung des Hohlzylinders 26 angeordnet ist. Die effektive Dicke d der Polymerstapel ist vorteilhafterweise gleich oder nahe bei einer Dicke des Mantels 28 des Hohlzylinders 26. Insbesondere kann die Dicke d der Polymerstapel mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 75%, besonders bevorzugt mehr als 90%, ganz besonders bevorzugt 100% der Dicke des Mantels 28 betragen. 5 shows details of the device 10 '' according to the third embodiment. The device 10 '' According to the third embodiment, another variant of the device according to the second embodiment. According to the third embodiment, the generator means 12-i , with i from 1 to 6, as part of a coat 28 a hollow cylinder 26 formed, which - in an uncompressed state - a substantially cylindrical cavity 24 encloses. The generator devices 12-i are electrically isolated from each other and each have an electroactive polymer region as a capacitor 16-i , with i from 1 to 6, on. In the capacitors of the generator devices 12-i these are polymer stacks 5 , like in 7B shown, the field direction R 'in a radial direction of the hollow cylinder 26 is arranged. The effective thickness d of the polymer stacks is advantageously equal to or close to a thickness of the sheath 28 of the hollow cylinder 26 , In particular, the thickness d of the polymer stacks can be more than 50%, preferably more than 75%, particularly preferably more than 90%, very particularly preferably 100% of the thickness of the jacket 28 be.
Der Hohlzylinder ist gegenüber dem Wasser 8 elektrisch isoliert und an dem oder in dem Erdboden fixiert, beispielsweise mit einem oder mehreren, an Ankern 23‘ gehaltenen Ketten 23 oder Seilen oder in einem Schlauch. Die Steuereinrichtung 14 und die Ausgangs-Leistungselektronik 18 können beispielsweise am Festland angeordnet sein, wobei die elektrischen Leitungen 30, elektrisch gegen das Wasser 8 isoliert, am oder im Erdboden entlang verlaufen. Somit kann vorteilhaft off-shore eine Hochspannungsgleichstromübertragung erfolgen. Mittels der an Land angeordneten Ausgangs-Leistungselektronik 18 kann der Hochspannungsgleichstrom auf dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden.The hollow cylinder is opposite to the water 8th electrically isolated and fixed on or in the ground, for example with one or more anchors 23 ' held chains 23 or ropes or in a hose. The control device 14 and the output power electronics 18 can be arranged, for example, on the mainland, the electrical lines 30 , electrically against the water 8th isolated, running along or in the ground. Thus, advantageously a high-voltage direct current transmission can take place off-shore. By means of the on-shore output power electronics 18 The high-voltage direct current can be converted to three-phase alternating voltage.
Die Vorrichtung 10‘‘ weist weiterhin einen Schwimmkörper 20 auf, welcher derart ausgebildet ist, dass er an der Wasseroberfläche 8‘ schwimmt. Bedingt durch die Wellenbewegung 9 bewegt sich der Schwimmkörper 20 im Wesentlichen auf einer Kreisbahn 80. An einem Ankerpunkt 21, welcher vorteilhaft im Schwerpunkt des Schwimmkörpers 20 angeordnet ist, ist eine Pleuelstange 19, an einem ersten Ende der Pleuelstange 19, relativ zu dem Schwimmkörper 20 fest fixiert. Ein zweites, dem ersten Ende gegenüberliegendes Ende der Pleuelstange 19, ist an einer Rotations-Symmetrieachse einer zylinderförmigen Welle 22 angebracht, welche um die Rotation-Symmetrieachse drehbar ist und welche in dem Hohlraum 24 des Hohlzylinders 28 angeordnet ist. Die Rotations-Symmetrieachse der Welle 22 erstreckt sich dabei im Wesentlichen in axialer Richtung, bezogen auf den Hohlzylinder 28.The device 10 '' also has a float 20 which is designed to be at the water surface 8th' swims. Due to the wave motion 9 the float moves 20 essentially on a circular path 80 , At an anchor point 21 which is advantageous in the center of gravity of the float 20 is arranged, is a connecting rod 19 at a first end of the connecting rod 19 , relative to the float 20 firmly fixed. A second, the first end opposite end of the connecting rod 19 , is at a rotational symmetry axis of a cylindrical shaft 22 which is rotatable about the rotation axis of symmetry and which in the cavity 24 of the hollow cylinder 28 is arranged. The rotational symmetry axis of the shaft 22 extends essentially in the axial direction, relative to the hollow cylinder 28 ,
Gemäß der dritten Ausführungsform dient die Welle 22 als Stauchungseinrichtung: die Kreisbahn 80 des Schwimmkörpers 20 überträgt sich, bei geeignet gewähltem Gewicht der Welle 22, auf die Welle 22, welche daraufhin im Wesentlichen eine eigene Kreisbahn 82 innerhalb des Hohlraum 24 durchführt. Bei dem Durchlaufen der Kreisbahn 82 werden, idealerweise im oder gegen den Uhrzeigersinn jeweils nacheinander, die kreisförmig in dem Mantel 28 angeordneten Kondensatoren 16-i der Generatoreinrichtungen 12-i gestaucht, wenn die sich bewegende Welle 22 von innerhalb des Hohlzylinders 26 gegen einen Abschnitt des Mantels 28 drückt, an welchem einer oder mehrere Kondensatoren 16-i angeordnet sind. Das Stauchen, Gestauchtsein, Entspannen oder Entspanntsein der Kondensatoren 15-i wird mittels der Steuereinrichtung 14 sensiert und der entsprechende Kondensator 15-i geladen oder entladen, wie oben beschrieben.According to the third embodiment, the shaft is used 22 as a compression device: the circular path 80 of the float 20 transmits, with suitably selected weight of the shaft 22 , on the wave 22 , which then essentially a separate circular path 82 inside the cavity 24 performs. When going through the circular path 82 are, in each case in succession, clockwise or counterclockwise, the circular in the mantle 28 arranged capacitors 16-i the generator devices 12-i upset when the moving shaft 22 from within the hollow cylinder 26 against a section of the mantle 28 presses on which one or more capacitors 16-i are arranged. The upsetting, bumping, relaxing or relaxing of the capacitors 15-i is by means of the control device 14 sensed and the corresponding capacitor 15-i charged or discharged as described above.
Eine Führungseinrichtung kann, ganz oder zum Teil innerhalb des Hohlraums 24, ausgebildet sein, mittels welcher die Welle 22 auf einer vorbestimmten geschlossenen Bahn, insbesondere auf der Kreisbahn 82 führbar ist.A guide means may be wholly or partly within the cavity 24 , be formed, by means of which the shaft 22 on a predetermined closed path, in particular on the circular path 82 is feasible.
6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Gewinnen von elektrischer Nutzleistung aus einer Bewegung eines Fluids gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere mit einer der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10; 10‘; 10‘‘ durchführbar. Für Details wird auf die oben beschriebenen Varianten und Weiterbildungen gemäß den ersten bis dritten Ausführungsformen verwiesen, zu deren Verwendung das erfindungsgemäße Verfahren jeweils anpassbar ist. 6 FIG. 12 is a schematic flowchart for explaining a method for obtaining electric power from a movement of a fluid according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. The inventive method is in particular with one of the devices according to the invention 10 ; 10 '; 10 '' feasible. For details, reference is made to the above-described variants and developments according to the first to third embodiments, the use of which the method according to the invention can be adapted in each case.
In einem Schritt S01 wird ein erster Kondensators 15-i; 16-i einer ersten von mindestens drei Generatoreinrichtungen 11-i; 12-i in Abhängigkeit von einem ersten aktuellen Verformungszustand, zu welchem der erste Kondensator 15-i; 16-i bedingt durch die Bewegung des Fluids (8) zu einem ersten Zeitpunkt verformt ist, aufgeladen. Insbesondere erfolgt dies, wenn der erste aktuelle Verformungszustand ein Entspannen oder ein Entspanntsein des ersten Kondensators 15-i; 16-i ist. Eine aktuelle elektrische Kapazität des ersten Kondensators 15-i; 16-i ist stets von dem aktuellen Verformungszustand des ersten Kondensators abhängig. Der erste aktuelle Verformungszustand kann beispielsweise mittels der Steuereinrichtung 14 durch ein Messen von an dem ersten Kondensator 15-i; 16-i anliegenden elektrischen Spannung, einer an dem ersten Kondensator 15-i; 16-i vorhandenen elektrischen Spannung oder einem von dem ersten Kondensator 15-i; 16-i ausgehenden oder auf ihn hin gerichteten elektrischen Strom erfasst werden. Die jeweilige gewählte Methode kann auch im Folgenden für das Erfassen weiterer Verformungszustände weiterer Kondensatoren 15-i; 16-i verwendet werden.In a step S01, a first capacitor becomes 15-i ; 16-i a first of at least three generator means 11-i ; 12-i in response to a first actual state of deformation, to which the first capacitor 15-i ; 16-i due to the movement of the fluid (8) is deformed at a first time, charged. In particular, this is done when the first current deformation state, a relaxation or a relaxation of the first capacitor 15-i ; 16-i is. An actual electrical capacity of the first capacitor 15-i ; 16-i is always dependent on the current state of deformation of the first capacitor. The first current deformation state, for example, by means of the control device 14 by measuring at the first capacitor 15-i ; 16-i applied electrical voltage, one on the first capacitor 15-i ; 16-i existing electrical voltage or one of the first capacitor 15-i ; 16-i be detected outgoing or directed towards him electric current. The respective selected method can also be described below for detecting further deformation states of further capacitors 15-i ; 16-i be used.
In einem Schritt S02; 71 wird der erste Kondensator 15-i; 16-i in Abhängigkeit von einem zweiten aktuellen Verformungszustand, zu welchem der erste Kondensator 15-i; 16-i bedingt durch die Bewegung des Fluids 8 zu einem zweiten Zeitpunkt verformt ist, zum Abgreifen einer Entladeleistung entladen. Der zweite Zeitpunkt ist insbesondere später als der erste Zeitpunkt. Vorzugsweise werden keine festen Zeitpunkte definiert, sondern das Aufladen S01 oder Entladen S02; 71 erfolgt lediglich basierend auf dem jeweiligen aktuellen ersten bzw. zweiten Verformungszustand des ersten Kondensators 15-i; 16-i. Aktuelle elektrische Kapazitäten der zweiten Kondensatoren 15-i; 16-i sind stets von den aktuellen Verformungszuständen der ersten Kondensatoren abhängig.In a step S02; 71 becomes the first capacitor 15-i ; 16-i in response to a second current deformation state to which the first capacitor 15-i ; 16-i due to the movement of the fluid 8th is deformed at a second time, unloaded for tapping a discharge power. The second time is especially later than the first time. Preferably, no fixed time points are defined, but charging S01 or discharging S02; 71 takes place only based on the respective current first or second deformation state of the first capacitor 15-i ; 16-i , Current electrical capacities of the second capacitors 15-i ; 16-i are always dependent on the current deformation states of the first capacitors.
In einem Schritt S03; 73 werden mindestens zwei zweite Kondensatoren 15-i; 16-i der mindestens drei Generatoreinrichtungen 11-i; 12-i in Abhängigkeit von einem jeweiligen dritten aktuellen Verformungszustand der mindestens zwei zweiten Kondensatoren 15-i; 16-i, mittels eines ersten Teils der bei dem Entladen S02; 71 des ersten Kondensators 16-i abgegriffenen Entladeleistung, elektrisch aufgeladen. Vorzugsweise erfolgt dies gleichzeitig mit dem Entladen S02; 71 des ersten Kondensators 15-i; 16-i, sodass ein elektrischer Puffer, beispielsweise die Zwischenkreiskapazität 56, mit besonders geringer elektrischer Kapazität ausgebildet, oder sogar ganz weggelassen werden kann.In a step S03; 73 be at least two second capacitors 15-i ; 16-i the at least three generator devices 11-i ; 12-i as a function of a respective third current deformation state of the at least two second capacitors 15-i ; 16-i by means of a first part of the unloading S02; 71 of the first capacitor 16-i tapped discharge capacity, electrically charged. This is preferably done simultaneously with unloading S02; 71 of the first capacitor 15-i ; 16-i so that an electrical buffer, for example, the DC link capacity 56 , formed with a particularly low electrical capacity, or even can be omitted altogether.
In einem Schritt S04 wird ein zweiter Teil der bei dem Entladen S02; 71 des ersten Kondensators 16-i abgegriffenen Entladeleistung als die elektrische Nutzleistung gewonnen. Auch der Schritt S04 erfolgt vorzugsweise gleichzeitig mit den Schritte S02; 71 und S03; 73.In a step S04, a second part of the discharge S02; 71 of the first capacitor 16-i tapped unloading power as the electrical power output won. Also, the step S04 is preferably carried out simultaneously with the steps S02; 71 and S03; 73 ,
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.
Beispielsweise kann der Schwimmkörper 20 auch über mehrere Pleuelstangen 19 mit der Welle 22 verbunden sein. In diesem Fall können die Ankerpunkte 21 der Pleuelstangen in dem Schwimmkörper 20 beispielsweise mit regelmäßigen Abständen voneinander beabstandet sein, wobei keiner der Ankerpunkte 21 mit dem Schwerpunkt des Schwimmkörpers 20 zusammenzufallen braucht. Es können auch mehrere Schwimmkörper mit jeweils einer oder mehreren eigenen Pleuelstangen 19 mit der Welle 22 verbunden sein.For example, the float 20 also over several connecting rods 19 with the wave 22 be connected. In this case, the anchor points 21 the connecting rods in the float 20 for example, be spaced apart at regular intervals, with none of the anchor points 21 with the center of gravity of the float 20 needs to collapse. There may also be several floats each with one or more own connecting rods 19 with the wave 22 be connected.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 7368862 B2 [0002] US 7368862 B2 [0002]
