CN102472243A - 用于从水波的运动能中获得电能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从水波的运动能中获得电能的方法。在所述方法中，在水中提供设备，所述设备包括可通过水波的作用膨胀的电活性聚合物。在电活性聚合物膨胀时，在确定的时间点施加电荷一确定的时段。在聚合物松弛时，除了剩余电荷外将所述电荷取出。在该方法中，确定为运行该方法所需的目标电荷和电活性聚合物的充电和放电的开始和结束的时间点的参量。本发明此外涉及一种用于获得电能的系统和一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括通过微处理器可实施的用于在本发明方法中执行计算的指令。

Description

用于从水波的运动能中获得电能的方法
技术领域
本发明涉及用于从水波的运动能中获得电能的方法。在该方法中，在水中提供包含可通过水波的作用膨胀的电活性聚合物的设备。在电活性聚合物膨胀时，在确定的时间点施加电荷、电压或电场强度一确定的时段。在聚合物松弛时，除了剩余电荷外将其取出。在该方法中，确定为运行该方法所需的目标电荷和电活性聚合物的充电和放电的开始和结束的时间点的参量。
背景技术
借助电活性聚合物发电机（EPA发电机）从水波中的能量获得基于如下原理：在第一阶段将潜在的波能转换为EPA发电机的膨胀，其中所述膨胀随后在使用能量获得循环（energy harvesting cycle，EHC）的情况下最终被转换为电能。
电机械转换器的例子在WO 2001/06575 A1中找到。该专利申请涉及转换器、其应用和其制造。用于将机械能转换成电能的这样的转换器包括至少两个电极和聚合物。该聚合物如此被布置，使得作为第一区段的长度变化的结果使电场改变。此外，聚合物的第二区段弹性偏置（vorgespannt）。
WO 2007/130252 A2公开了使用用于转换最初包含在一个或多个波中的机械能的EAP转换器的系统和方法。在海中可使用的设备能够使用机械能量转换系统，其转移机械能，所述机械能适用于作用于EAP转换器。这样的海洋设备包括主体，其中如果该设备在水中漂浮，则主体的一部分位于水表面上方。该设备此外包括用于将来自水表面水平的改变的机械能转移成通过系统调整的机械能的系统。EPA转换器耦合到用于转移机械能的系统的一部分并且被设立用于在用于转移机械能的系统中从所调整的机械能中产生电能。EPA转换器具有电活性聚合物和至少两个耦合到电活性聚合物上的电极。
能量获得循环的优化除了在机械上适当的布置之外是用于提高EAP发电机的能量效率的基本可能性。用于充电/放电过程的控制或调节概念尤其是在该方面作出重要贡献。
在理论角度下，为了EAP发电机的最佳的转换效率可以追求下面的循环，所述循环是理论极限循环：
第一阶段：EAP发电机基于外部力作用而膨胀。该力例如通过充分利用势能的改变引起，如该力在波运动时出现。
第二阶段：在EAP发电机的最大膨胀时，给由在两个软的电极之间所引入的聚合物组成的装置施加电荷。在电角度下可看作具有可变的电容的电容器的装置被充电直至达到电击穿场强。
第三阶段：在减小外部攻击力时EAP由于在聚合物中起作用的弹性回弹力而松弛。在该过程中在EAP发电机中存储的电能增加。该阶段描述了从机械能到电能的能量转换过程。
第四阶段：一旦聚合物内的弹性回弹力按数值等于反向的通过被充电的电容器的静电压力引起的力，EAP不继续收缩并且该装置应该被放电。在该过程之后，EAP发电机再次由于减小的静电压力而达到其初始长度。
前述的理论循环可以在实际角度下仅近似地被经历。在电击穿场强处理论上要追求的运行在实际中可能导致装置破坏。出于该原因，所施加的场强必须在能量获得循环的每个时间点处于电击穿电场之下。当然，场强可以被选择得越高，EAP发电机的能量获得越高。
此外可能如此对于第三阶段制定EAP发电机的循环，使得代替施加恒定的电荷而给EAP发电机供应恒定的电压或恒定的电场。
为了可以获得尽可能多的电能，所施加的电荷、电压或电场强因此应该尽可能靠近于击穿场强。但是，如果波的幅度变化，则所施加的电荷的固定预先给定的值是不利的。随着较小的波高度而出现电活性聚合物的较小的膨胀，使得对聚合物的充电不再能够最佳地进行。在实际运行中此外应该考虑：对于聚合物的充电电流不是无限地高，这样充电时间不是无限地小。更确切地说，在一定的时间间隔上电荷被转移到聚合物上。相应地适用于聚合物的放电。在能量获得的优化中在开始、结束和持续时间方面也必须一起考虑所述时间间隔。
发明内容
因此，实际可实施的能量转换循环对最佳循环的近似的改善是值得期望的。这包含用于实现充电/放电过程的控制或调节概念。控制/调节结构在图4中对于恒定的电荷、在图5中对于恒定的电压和在图6中对于恒定的电场被概述。
根据本发明，建议一种用于从水波的运动能中以恒定的电荷获得电能的方法，包括步骤：
在水中提供设备，其中所述设备如此被设立，使得该设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在电极之间并且其中在所述设备中，来自水平面的变化的机械能被转移到电活性聚合物上；
由于具有传播速度c和波长λ的水波的机械作用使电活性聚合物从最小膨胀                                                
Figure 554333DEST_PATH_IMAGE001
膨胀直至最大膨胀
Figure 471473DEST_PATH_IMAGE002
，其中在电活性聚合物膨胀期间在从时间点t1直至时间点tload的时段
Figure 313527DEST_PATH_IMAGE003
期间给所述电活性聚合物施加目标电荷
Figure 708737DEST_PATH_IMAGE004
，其中电活性聚合物的电击穿场强Emax不被超过；
由于水波的削减的机械作用而使膨胀的电活性聚合物从最大膨胀
Figure 585426DEST_PATH_IMAGE005
松弛直至最小膨胀
Figure 407888DEST_PATH_IMAGE006
，其中在电活性聚合物松弛期间在从时间点t2直至时间点tunload的时段
Figure 737238DEST_PATH_IMAGE007
期间所述电活性聚合物除了剩余电荷
Figure 936139DEST_PATH_IMAGE008
之外被放电；以及
其中为了计算目标电荷通过以下方式预先估计最大膨胀
Figure 664405DEST_PATH_IMAGE009
的所需要的数值：
估计水波的最大波高hmax和
通过分配规则将最大波高hmax与最大膨胀
Figure 657768DEST_PATH_IMAGE010
相关。
根据本发明此外建议一种用于从水波的运动能中以恒定的电压获得电能的方法，包括步骤：
在水中提供设备，其中所述设备被设立，使得所述设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在两个电极之间并且其中在所述设备中来自水平面的变化的机械能被转移到电活性聚合物上；
由于具有传播速度c和波长λ的水波的机械作用使电活性聚合物从最小膨胀膨胀直至最大膨胀
Figure 273743DEST_PATH_IMAGE011
，其中在电活性聚合物膨胀期间在从时间点t1直至时间点tload的时段
Figure 797129DEST_PATH_IMAGE012
期间给所述电活性聚合物施加电压vEAP，其中电活性聚合物的电击穿场强Emax不被超过；
由于水波的削减的机械作用而使膨胀的电活性聚合物从最大膨胀松弛直至最小膨胀
Figure 530915DEST_PATH_IMAGE013
，其中在电活性聚合物松弛期间电压vEAP被保持恒定，并且从时间点t2直至时间点tunload的时段期间所述电活性聚合物除了剩余电荷
Figure 511827DEST_PATH_IMAGE015
之外被放电；和
其中为了计算目标电压通过以下方式预先估计最大膨胀
Figure 909310DEST_PATH_IMAGE016
的所需要的数值：
估计水波的最大波高hmax和
通过分配规则将最大波高hmax与最大膨胀
Figure 638232DEST_PATH_IMAGE010
相关。
根据本发明此外建议一种用于从水波的运动能中以恒定的电场获得电能的方法，包括步骤：
在水中提供设备，其中所述设备被设立，使得所述设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在两个电极之间并且其中在所述设备中来自水平面的变化的机械能被转移到电活性聚合物上；
由于具有传播速度c和波长λ的水波的机械作用使电活性聚合物从最小膨胀
Figure 779363DEST_PATH_IMAGE013
膨胀直至最大膨胀
Figure 277340DEST_PATH_IMAGE017
，其中在电活性聚合物膨胀期间在从时间点t1直至时间点tload的时段期间给所述电活性聚合物施加电压vEAP，其中电活性聚合物的电击穿场强Emax不被超过；
由于水波的削减的机械作用而使膨胀的电活性聚合物从最大膨胀
Figure 61943DEST_PATH_IMAGE005
松弛直至最小膨胀
Figure 9695DEST_PATH_IMAGE006
，其中在电活性聚合物松弛期间电场强
Figure 424495DEST_PATH_IMAGE019
被保持恒定，并且从时间点t2直至时间点tunload的时段
Figure 367044DEST_PATH_IMAGE020
期间所述电活性聚合物除了剩余电荷
Figure 867295DEST_PATH_IMAGE021
之外被放电；和
其中为了连续地跟踪电场强从板间距z(t)中估计所需要的数值。
在本发明意义上的电活性聚合物（EAP）基本上是通过施加电压而改变其形状的聚合物并且尤其是介电弹性体。适当的材料尤其是介电聚氨酯弹性体。电活性聚合物可以与两个或多个电极相连接，所述电极同样可是可膨胀的。适宜地在海中实施本发明方法，这样在海中提供所述设备。所述设备一般可以被称为电机械转换器。
在本发明方法中，借助于例如可以称为功率电子装置或充电电子装置的适当单元来给膨胀的电活性聚合物施加电荷、电压或场强。在松弛或放松时，所述电荷再次被取出，或者电压或场强保持恒定，由此获得电能。
为了计算尽可能高的目标电荷或电压vEAP或场强E，需要关于最大膨胀的知识，如继续在下面要更详细阐述的那样。因为施加目标电荷的结束的时间点tload与膨胀的最大值
Figure 936248DEST_PATH_IMAGE017
和从而与波高的最大值叠合，所以施加的开始时间点t1必然位于最大值之前。相应地适用于聚合物的放电。因此有必要预测波的最大值何时到达电机械转换器并且最大值将如何高。
在本发明的方法中，首先估计下一波的要预期的最大波高。这同样继续在下面更详细地予以阐明。最大膨胀的需要的数值经由与最大波高hmax的相关来得到。分配规则例如可以是根据经验确定的相关表，所述相关表将膨胀分配给电机械转换器的每一个偏向。所述规则也可以是特定转换器机械装置的数学描述，也即是模型概念。另一可能性基于电活性聚合物的测量数据。
在本发明方法中所确定的、对电活性聚合物充电和放电的时间点可以与内部时间测量相关，以便能够在绝对标度上来控制聚合物。也可能的是，使用外部时间信号、例如原子钟的经由长波所发送的信号。
本发明方法总之提供以下优点，即可以对波高随着时间的变化作出反应并且从而即使在变换的条件下也可以更靠近能量获得的最佳值地工作。
附图说明
参照随后的附图更详细地来描述本发明。在此：
图1示出波曲线与EAP的充电和放电电流的重叠，
图2示出用于根据本发明方法计算的流程图（恒定电荷），
图3示出本发明系统的框图（恒定电荷）。
具体实施方式
为了更好地理解首先应该探讨水波的理论。在水波的情况下，基本上在浅水波和深水波中进行区分。浅水波在海滨附近或小的水深d处出现。波长这里明显长于水深：
Figure 148104DEST_PATH_IMAGE024
。深水波在具有
Figure 271918DEST_PATH_IMAGE025
的外海上产生并且在特别的程度上适用于能量获得。
通常，深水波在海洋上正弦形传播。频率和传播速度仅仅非常缓慢地变化。波的高度是雷利（Rayleigh）分布的，也就是说，大的波高很少出现。最大的概率处于较小的幅度处。
为了控制EAP发电机的充电循环，仅仅必须考虑深水波（横波）的基波。该基波通过波长λ、水深d、利用与位置和时间有关的波高h(x,t)和其最大波高hmax以及通过传播速度c来描述。波高如在方程（1）中所示地得出：
Figure 556268DEST_PATH_IMAGE026
                          （1）
关于长度λ的整个波，根据方程（2）得出与面积A有关的动能：
Figure 31112DEST_PATH_IMAGE027
                                     （2）
关于长度λ的整个波，根据方程（3）得出与面积A有关的势能：
Figure 59111DEST_PATH_IMAGE028
                                    （3）
应该使用用于使EAP发电机膨胀的与面积A有关的势能取决于最大波高hmax、重力加速度g和水的密度ρ。
相对于方程（2）中的动能，与面积有关的势能仅仅随着波高改变，使得通过等化最后可以确定波的传播速度c：
Figure 303010DEST_PATH_IMAGE029
                             （4）
波的传播速度根据方程（4）仅仅是重力加速度g和水深d的函数。后者（在EAP发电机的位置固定时）仅由于潮汐而轻微变化，使得传播速度近似地恒定。
在深水波的正弦形传播的在水波理论中所建立的假设的情况下，在下面的段落中应该描述能量获得循环的优化。在此情况下目标是确定时间上最佳的充电和放电循环和在遵守边缘条件下确定分别要最大施加的电荷量或最大电压。
基于由电子装置限制的充电电流和用于将电荷施加到EAP发电机上的从而有限的时间，可以将确定最佳的充电和放电循环理解为探测最佳的充电/放电时段。在考虑在循环中出现的EAP的最大膨胀的情况下，应该如此预先确定所转移的电荷量，使得聚合物的电击穿场强Emax一方面在任何时间点均不被超过，而另一方面导致最大的能量获得，其中所述电荷量经由EAP的电容而与电压有关。
为了优化能量获得循环，应该考虑用于极端计算的两个准则，也即从机械能到电能的能量转换的最大化以及电损耗和机械损耗的最小化。
首先一般应该导出在恒定电荷情况下最大能量获得的优化条件。
如果EAP在时间点t1利用充电电流
Figure 575508DEST_PATH_IMAGE030
在充电时间
Figure 475331DEST_PATH_IMAGE031
中应该被充电到事先确定的目标电荷
Figure 103758DEST_PATH_IMAGE032
，则得出与时间有关的电荷量为：
Figure 405427DEST_PATH_IMAGE033
                                       （5）
在预先给定
Figure 828318DEST_PATH_IMAGE034
的情况下和在
Figure 215437DEST_PATH_IMAGE035
已知时可以从方程（5）中确定充电时段
Figure 647555DEST_PATH_IMAGE036
。类似地进行对放电时段的确定。
EAP发电机的电容C仅仅取决于膨胀ε，所述膨胀又是水波的位置和时间的函数，但是不是EAP电压uEAP的函数。
一般，在充电循环结束之后被施加到EAP发电机的能量为：
Figure 538151DEST_PATH_IMAGE037
    （6）
在放电过程结束之后从EAP发电机取出的能量为：
Figure 397522DEST_PATH_IMAGE038
  （7）
于是得出能量获得为：
Figure 6358DEST_PATH_IMAGE039
                                   （8）
从能量获得的该一般方程中可以通过求解极值任务
Figure 242167DEST_PATH_IMAGE040
其中
Figure 315166DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 283122DEST_PATH_IMAGE042
                         （9）
来确定最佳起始点t1和t2。因为能量获得与两个变量有关，所以只有当按照变量t1、t2的偏导数同时等于零时，极值才能出现：
                         （10）
方程（10）的解得出值对，其是方程（10）中的面积函数的极值。可以利用二阶导数来确定在此情况下是否是最小值、最大值或鞍点：
Figure 153175DEST_PATH_IMAGE044
 （11）
如果按照t1、t2的两个混合导数提供相同的结果，则在按照t1或t2的两个二阶导数为负时，存在最大值；在两个二阶导数为正时，存在最小值；在两个二阶导数具有不同的符号时，存在鞍点。
一般可以与两个混合导数的结果无关地借助于海塞（Hesse）矩阵来决定存在哪种极端值：
Figure 83609DEST_PATH_IMAGE045
                        （12）
如果矩阵H是正定的，则存在相对最小值，如果H是负定的，则涉及相对最大值，如果H是不定的，则不涉及相对极端值。只要H是正/负半定的，则附加的研究是必要的，如在常见的数学教科书中进一步阐明的那样。
在本发明方法的一种实施形式中，根据
Figure 222466DEST_PATH_IMAGE046
计算时间点t1并且根据
Figure 868211DEST_PATH_IMAGE047
计算时间点t2。此外在时间点，电活性聚合物采取了最大膨胀
Figure 165518DEST_PATH_IMAGE049
，并且在时间点
Figure 537593DEST_PATH_IMAGE050
，电活性聚合物采取了最小膨胀
Figure 608317DEST_PATH_IMAGE051
。
在假设水波正弦形传播的情况下，在聚合物的理想弹性比时也可以预期EAP发电机的近似正弦形的膨胀曲线ε。EAP发电机的电容在膨胀上升时将具有严格单调上升的曲线，在松弛时具有严格单调下降的曲线，并且在第一近似中同样可以被近似为正弦形曲线。据此，该装置在最大膨胀
Figure 724041DEST_PATH_IMAGE052
时具有最大电容Cmax并且在最小膨胀
Figure 563821DEST_PATH_IMAGE053
时具有最小电容Cmin。
如果EAP发电机的电容恒定地与EAP发电机的膨胀ε成比例地变化
                            （13）
并且如果充电和放电电流由于其极限值Imax而是块状的，由此也有
Figure 399239DEST_PATH_IMAGE055
或
Figure 318653DEST_PATH_IMAGE056
                            （14）
成立，则刚好在充电过程在膨胀的最大幅度的情况下结束，这通向起始时间点
Figure 12940DEST_PATH_IMAGE057
                                         （15）
，和在放电过程在膨胀的最小幅度的情况下在
Figure 726818DEST_PATH_IMAGE058
                                             （16）
处结束时，按照方程（9）-（12）得出最大能量获得。充电和放电过程按照周期持续时间
Figure 772134DEST_PATH_IMAGE059
重复。在图1中再次示出该关联。
图1示意性地示出水波100的曲线与电活性聚合物的充电和放电电流110的重叠。聚合物的充电在时间点t1开始直至结束时间点tload，所述结束时间点与波高的最大值叠合。该充电间隔通过附图标记120表示。聚合物从与波高的最小值一致的时间点t2直至时间点tunload放电。这是放电间隔130。如果被充电的EAP重新松弛，则在间隔140中分别发生能量转换。
用于EAP发电机的充电和放电的优化条件类似地也适用于恒定的电压和恒定的电场。不过，在此情况下电荷量在松弛期间不保持恒定，而电压或电场强度保持恒定。
通过EAP发电机的能量获得
Figure 226731DEST_PATH_IMAGE060
由于损耗而减少。除了机械转换损耗
Figure 837840DEST_PATH_IMAGE061
和EAP发电机中的电损耗
Figure 925882DEST_PATH_IMAGE062
之外，在充电和放电循环期间取决于EAP电压u(t)和EAP电容
Figure 255232DEST_PATH_IMAGE063
由于充电电子装置而出现附加的损耗
Figure 454133DEST_PATH_IMAGE064
,所述附加的损耗在优化最大能量获得时被考虑并且影响最佳的切换时间点。就此而言，在按照方程（9）-（12）的时段优化时可以使用下面的关系：
其中
Figure 178692DEST_PATH_IMAGE066
      （17）
利用适当的传感器和观察器概念，预测最小幅度t(hmin)和最大幅度t(hmax)的时间点和波高hmax。例如利用EAP发电机和机械转换器概念的模型于是可以确定最小和最大膨胀的相应的时间点以及EAP发电机的膨胀。在此，预告水平线（所预测的时间t estimate ）在此必须处于
Figure 995338DEST_PATH_IMAGE067
、也即周期持续时间之间。通过在传感器系统和EAP发电机之间在空间上偏移地布置，预告水平线可以（例如在波在EAP发电机之后才到达所使用的传感器系统时）相应地延长或（例如在波在EAP发电机之前到达所使用的传感器系统时）缩短。
根据波长和传播速度对于固定的位置x得出波的周期持续时间。如果第一EAP发电机E1相对于波的传播方向位于传感器系统S之前，则波峰在传感器系统之前在时间
Figure 318052DEST_PATH_IMAGE069
                               （18）
前后到达EAP发生器E1，并且预告水平线t estimate 必须以该数量变大。如果第二EAP发电机E2位于传感器S之后，则预告水平线t estimate 可以相应地变小。
波长λ的估计或者可以利用附加的传感器系统进行或者从EAP发电机的电参量中来确定。
如果使用附加的传感器系统，则适合于使用加速度传感器，所述加速度传感器测量水表面的垂直加速度。基波例如可以利用锁相环（phase-locked loop,PLL）或经由例如傅里叶变换和尤其是快速傅里叶变换（FFT）或余弦变换的变换来确定。
从基波和波长仅以小动态改变的假设中可以预先估计波运动的极值的时间点。
还可以包括附加步骤的步骤序列的例子是：
第一步骤：首先以模型和/或传感器支持的方式来估计EAP发电机的膨胀ε和最大膨胀的时间点t(
Figure 747897DEST_PATH_IMAGE070
)。
第二步骤：根据EAP发电机的要预期的膨胀，基于模型根据方程（20）确定允许的目标电荷（或允许的电压），其中在能量获得循环期间避免超过电击穿场强。
第三步骤：在考虑电流特性
Figure 326962DEST_PATH_IMAGE072
的情况下可以利用方程（5）确定充电时间的长度
Figure 32750DEST_PATH_IMAGE073
。类似地确定放电时间的长度
Figure 367917DEST_PATH_IMAGE074
。
第四步骤：借助于目标电荷量
Figure 162085DEST_PATH_IMAGE075
以及充电和放电时间
Figure 240899DEST_PATH_IMAGE076
和
Figure 801194DEST_PATH_IMAGE077
现在在考虑损耗Eloss的情况下可以按照方程（17）确定充电过程的开始的最佳时间点t1和放电过程的开始的最佳时间点t2。
图2示出这样的步骤序列的流程图。在此情况下，通过箭头指向置于括号中的数字意味着，在对本发明的描述中可以借助用相应的编号所涉及的方程来获得参量。本来的步骤序列概括在组200中。步骤260涉及确定电活性聚合物的与时间有关的电压和与时间有关的电流
Figure 585796DEST_PATH_IMAGE079
。在步骤250中可以从所述值中确定与膨胀有关的电容C(ε)和与膨胀有关的电极间距d(ε)。所述值也用于在步骤210中预测EAP的最大膨胀的时间点。
用于以恒定电压或以恒定电场运行的步骤序列区别在于，不同地进行目标电荷量的计算。在以恒定的电压运行的情况下，如此事先确定目标电荷量，使得在最大膨胀时允许的场强不被超过。
接着必须调整电荷量，使得电压保持恒定。在以恒定的电场运行时，同样如此事先确定目标电荷量，使得在整个转换过程上允许的场强不被超过。为此基于模型地估计膜厚度，其中从所述膜厚度中在预先给定允许场强的情况下于是可以计算需要的电压。所有其他步骤不变。
在使用EAP的预测的最大膨胀的情况下，在步骤220中计算目标电荷
Figure 530618DEST_PATH_IMAGE080
并且在步骤230中计算充电和放电间隔的时间持续时间
Figure 883102DEST_PATH_IMAGE081
和
Figure 887967DEST_PATH_IMAGE082
。最后可以从确定的参数中确定充电过程的开始的时间点t1和放电过程的开始的时间点t2。
在本发明方法的一种实施形式中，确定波长λ，其方式是借助于加速度传感器测量水表面的垂直加速度，并且：
所获得的加速度传感器信号的振荡经由锁相环得出与波长有关的电压；和/或
所获得的加速度传感器信号的振荡经由傅里叶或余弦变换被转化到域c/λ中。
优选的傅里叶变换在此情况下是快速傅里叶变换。
在本发明方法的另一实施形式中，确定波长λ，其方式是在电活性聚合物处的电极之间施加的电压被测量，并且：
电压的振荡经由锁相环得出与波长有关的电压；和/或
电压的振荡经由傅里叶或余弦变换被转变到域c/λ中。
优选的傅里叶变换在此情况下是快速傅里叶变换。无传感器系统的模型支持的估计在于，在EAP发电机处连续地测量电压uEAP，由此基于EAP发电机的在控制装置侧已知的电荷
Figure 325902DEST_PATH_IMAGE083
或
Figure 808836DEST_PATH_IMAGE084
经由数学模型可以推断出电容
Figure 281405DEST_PATH_IMAGE085
。为了能够检测与膨胀有关的EAP电容，在放电过程中在EAP上必须保留少量的剩余电荷
Figure 191593DEST_PATH_IMAGE086
，以便如此能够在循环期间实施连续的电压测量。
Figure 116823DEST_PATH_IMAGE087
          （19）
通过在EAP电容和EAP膨胀之间的公式关系可以确定EAP发电机的与时间有关的膨胀。
在以恒定的电压或恒定的场运行时，在松弛期间连续地跟踪电压并且可以从由电流变化引起的电荷量变化中估计电容。在膨胀阶段期间，遵循与在恒定的电荷时相同的概念，其方式是在EAP发电机上保留电荷剩余量。
EAP发电机的膨胀经由机械转换器概念通过波运动引起，经由所述EAP发电机因此从EAP电压中推断出波运动。通过使用锁相环或波运动到频域中的变换（类似于利用加速度传感器测量），可以确定波长。从波长和传播速度中推导出最小和最大膨胀的时间点t()、t(
Figure 730524DEST_PATH_IMAGE089
)。
关于波高的知识就此而言是重要的，以便能够将优化的电荷量施加到EAP发电机上，所述优化的电荷量产生最大能量获得，但是不导致EAP破坏。如果EAP发电机的膨胀ε在很大程度上与所施加的电荷无关
Figure 749296DEST_PATH_IMAGE090
，也即如果静电压力可以被忽略，则通过EAP发电机的最大允许场强Emax和电极间距d（聚合物厚度）来计算最大电荷量。在此，在EAP发电机的最大膨胀
Figure 549106DEST_PATH_IMAGE049
时在假设EAP体积恒定的情况下产生最大电容Cmax和最小电极间距dmin，而在EAP发电机的最小膨胀
Figure 311526DEST_PATH_IMAGE091
时出现最小电容Cmin和最大电极间距dmax。因为不仅电容而且电极间距具有非线性特性，所以整个膨胀区域必须被考虑并且利用
Figure 555425DEST_PATH_IMAGE092
                                （20）
得出用于以恒定的电荷运行可允许施加的电荷量。
如果在EAP发电机膨胀期间通过电压测量来计算电容（如利用方程（18）所建议的）并且以类似的方式也计算电极间距d，则可以从其估计的曲线中按照方程（20）确定目标电荷。由此虽然波高的估计同样是可能的，但是对于EHC的最佳控制是不需要的。
基于推导的关系，对于每个循环应该已经预先确定EAP发电机的最大和最小膨胀的幅度和时间点t(
Figure 538928DEST_PATH_IMAGE095
)、t(
Figure 637334DEST_PATH_IMAGE089
)。但是因为尤其是波长λ仅缓慢地并且在狭窄的极限内变化，所以在每个循环中仅必须预先估计最大膨胀
Figure 263487DEST_PATH_IMAGE096
。
在本发明方法的另一实施形式中，对于实际波高比所估计的波高高出如此多使得电活性聚合物的击穿场强以所施加的电荷被超过的情况，从电活性聚合物中取出电荷。优选地对于的该情况，在能量获得循环期间取出电荷。通过取出电荷可以防止EAP发电机破坏。
在本发明方法的另一实施形式中，所述设备是：
浮标；
由包括电活性聚合物的材料组成的充有液体的主体的轴向分段的链；或者
具有由包括电活性聚合物的材料组成的偏心布置的偏置段的通过转动关节相互连接的漂浮体的装置，其中这些偏置段在漂浮体弯曲运动时彼此相反地膨胀和松弛。
在浮标的情况下，所述浮标通过其浮力在波峰时跟随上升的水平面并且获得加速度。在浮标处安置附着重量。由于附着重量的惯性，在该阶段将出现在浮标外壳和附着重量之间的相对间距的增大，由此使EAP发电机膨胀。
同样在浮标向波谷运动时出现浮标外壳和附着重量之间的相对间距的减小。为了尽可能有效地充分利用EAP发电机，需要聚合物的最小膨胀的时间点。
在准静态地观察时，在该应用情况下在波峰时发生对装置的充电。与此相应地，在波谷进行对EAP发电机的放电。通过机械振动装置可以得出在波表面和EAP膨胀之间的相移，所述相移在使用传感器系统时可以通过转换器模型来考虑。
充有液体的主体的轴向分段的链也称为“蟒蛇（Anaconda）”装置。所述蟒蛇装置具有由包括电活性聚合物的材料组成的相互通信的充有液体的主体。通过抬高波峰上的链或管，位于管中的液体流到波谷中。由于电活性聚合物的小的刚性，横截面在波谷中被扩展（膨胀）并且在波峰上（松弛）逐渐变细。
在波运动和EAP膨胀之间的、由于处于EAP中的液体的动态性得出的相移，这里也可以通过相应的转换器模型在用于优化的EHC控制的算法中被考虑。
通过转动关节相互连接的漂浮体的装置也称为“海蛇（Pelamis）装置”。所述装置如此被构建，使得两个漂浮体利用转动关节连接。偏置的EAP以偏心的方式集成，所述EAP在海蛇装置的弯曲运动时彼此相反地膨胀和松弛。在关节中的转动通过以下方式来实现，即在两个漂浮体中在关节的空间附近安置重量。
根据对两个前述方式的阐明在优化的控制算法中也考虑该转换器概念。
本发明的另一主题是用于从水波的运动能中获得电能并且适用于执行本发明方法的系统，包括：
设备，其如此被设立，使得在将设备放置在水中时，所述设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在电极之间，并且在所述设备中来自水平面的改变的机械能被转移到电活性聚合物上；
传感器单元，用于获得关于水波和/或电活性聚合物的传感器数据；
功率单元，用于给电活性聚合物施加电荷并且用于对电活性聚合物放电；和
控制单元，其被设立，用于在计算算法中根据先前定义的数据模型处理来自传感器单元的所接收的数据并且作为计算结果控制功率电子装置，其中此外计算算法包括估计将来的到达所述设备的水波的最大波高。
是本发明系统的一部分的设备对应于在本发明方法中的设备。因此，为了避免重复参照对此的阐述。这在设备的优选实施形式方面同样适用。
本发明系统在参照图3的情况下来进一步阐明，但是不局限于此。该图示出本发明系统的框图。元件300是传感器单元，所述传感器单元获得关于水波和/或电活性聚合物350的数据。
来自传感器单元300的数据可以经由电机械转换器310的数学模型和/或机械概念处理并且然后转交给计算单元330。同样，数据可以流入波的建模装置320。计算单元330利用相应的算法计算用于功率电子装置或功率单元340的规定值。这样的规定值尤其是在设备中要转移到电活性聚合物的电荷量以及充电和放电的开始和结束的时间点。本发明系统中的控制单元360包括元件310、320和330。
通过功率单元340给电活性聚合物350施加电荷，并且在能量转换阶段结束之后，再次取出电能。为了平衡计算模型，功率单元340可以与模型单元310连接。
在本发明系统的一种实施形式中，传感器单元包括与所述设备相间隔的加速度传感器。该加速度传感器优选地漂浮在水表面上，并且测量由于波运动而引起的其高度的波动。对此的细节已经针对本发明方法予以阐明。
在本发明系统的另一实施形式中，传感器单元测量在电活性聚合物处的电极之间施加的电压和电活性聚合物处的电极的间距。对此的细节已经针对本发明方法予以阐明。
本发明的另一主题是计算机程序产品，包括由微处理器可实施的用于在根据本发明的方法中执行计算的指令。

Claims (10)

1.用于从水波的运动能中获得电能的方法，包括步骤：
在水中提供设备，其中所述设备被设立为：使得所述设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在电极之间，并且其中在所述设备中来自水平面的变化的机械能被转移到电活性聚合物上；
由于具有传播速度c和波长λ的水波的机械作用使电活性聚合物从最小膨胀                                                
Figure 2010800296937100001DEST_PATH_IMAGE001
膨胀直至最大膨胀
Figure 240765DEST_PATH_IMAGE002
，其中在电活性聚合物膨胀期间在从时间点t1直至时间点tload的时段
Figure 2010800296937100001DEST_PATH_IMAGE003
期间给所述电活性聚合物施加目标电荷
Figure 282539DEST_PATH_IMAGE004
，其中电活性聚合物的电击穿场强Emax不被超过；
由于水波的削减的机械作用而使膨胀的电活性聚合物从最大膨胀
Figure DEST_PATH_IMAGE005
松弛直至最小膨胀
Figure 121663DEST_PATH_IMAGE006
，其中在电活性聚合物松弛期间在从时间点t2直至时间点tunload的时段
Figure DEST_PATH_IMAGE007
期间所述电活性聚合物除了剩余电荷之外被放电；以及
其中为了计算目标电荷通过以下方式预先估计最大膨胀
Figure 393562DEST_PATH_IMAGE009
的所需要的数值：
估计水波的最大波高hmax和
通过分配规则将最大波高hmax与最大膨胀相关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据
Figure 607691DEST_PATH_IMAGE010
计算时间点t1，根据
Figure DEST_PATH_IMAGE011
计算时间点t2，其中此外在时间点，电活性聚合物采取了最大膨胀
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，并且在时间点
Figure 600104DEST_PATH_IMAGE014
，电活性聚合物采取了最小膨胀。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定波长λ，其方式是借助于加速度传感器测量水表面的垂直加速度，并且：
所获得的加速度传感器信号的振荡经由锁相环得出与波长有关的电压；和/或
所获得的加速度传感器信号的振荡经由傅里叶或余弦变换被转化到域c/λ中。
4.根据权利要求2所述的方法，其中确定波长λ，其方式是在电活性聚合物处的电极之间施加的电压被测量，并且：
电压的振荡经由锁相环得出与波长有关的电压；和/或
电压的振荡经由傅里叶或余弦变换被转变到域c/λ中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中对于实际波高比所估计的波高高出如此多使得电活性聚合物的击穿场强以所施加的电荷而被超过的情况，从电活性聚合物中取出电荷。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述设备是：
浮标；
由包括电活性聚合物的材料组成的充有液体的主体的轴向分段的链；或者
具有由包括电活性聚合物的材料组成的偏心布置的偏置段的、通过转动关节相互连接的漂浮体的装置，其中这些偏置段在漂浮体弯曲运动时彼此相反地膨胀和松弛。
7.用于从水波的运动能中获得电能并且适用于执行根据权利要求1的方法的系统，包括：
设备，其被设立为：使得在将设备放置在水中时，所述设备的一部分布置在水表面上方，其中所述设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物布置在电极之间，并且在所述设备中来自水平面的改变的机械能被转移到电活性聚合物上；
传感器单元，用于获得关于水波和/或电活性聚合物的传感器数据；
功率单元，用于给电活性聚合物施加电荷并且用于对电活性聚合物放电；和
控制单元，其被设立用于在计算算法中根据先前定义的数据模型处理来自传感器单元的所接收的数据并且作为计算结果控制功率电子装置，其中此外所述计算算法包括估计将来的到达所述设备的水波的最大波高。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述传感器单元包括与所述设备相间隔的加速度传感器。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述传感器单元测量在电活性聚合物处的电极之间施加的电压以及电活性聚合物处的电极的间距。
10.计算机程序产品，包括通过微处理器可实施的用于在根据权利要求1的方法中执行计算的指令。
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