DE102009059023A1 - Generator for converting mechanical energy into electrical energy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie. Dieser Generator weist eine erste Interdigitalelektrodenanordnung (10) mit zwei ineinander verschränkten Elektrodenkämmen (11, 12) auf. Eine zweite Interdigitalelektrodenanordnung (20) weist ebenfalls zwei ineinander verschränkte Elektrodenkämme (11, 12) auf. Ein elektroaktives Polymer (1) ist zwischen den Elektrodenkämmen der ersten Interdigitalelektrodenanordnung (10) und zwischen den Elektrodenkämmen (11, 12) der zweiten Interdigitalelektrodenanordnung (20) und zwischen der ersten Interdigitalelektrodenanordnung (10) und der zweiten Interdigitalelektrodenanordnung (20) vorgesehen. Eine erste Steuerschaltung ist vorgesehen zum wahlweisen Schalten der Elektrodenkämme (11, 12) der ersten Interdigitalelektrodenanordnung (10) auf unterschiedliche Potentiale oder auf das gleiche Potential.The invention relates to a generator for generating electrical energy. This generator has a first interdigital electrode arrangement (10) with two interlaced electrode combs (11, 12). A second interdigital electrode arrangement (20) likewise has two interlaced electrode combs (11, 12). An electroactive polymer (1) is provided between the electrode combs of the first interdigital electrode arrangement (10) and between the electrode combs (11, 12) of the second interdigital electrode arrangement (20) and between the first interdigital electrode arrangement (10) and the second interdigital electrode arrangement (20). A first control circuit is provided for the selective switching of the electrode combs (11, 12) of the first interdigital electrode arrangement (10) to different potentials or to the same potential.
Description
Die Erfindung betrifft einen Generator zum Wandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem elektroaktiven Polymer. Solche werden beispielsweise in Wellenenergiegeneratoren eingesetzt. Ein Wellenenergiegenerator weist zum Beispiel eine mehrschichtige elektroaktive Polymerfolie mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode eines mechanisch flexiblen Kondensators auf.The invention relates to a generator for converting mechanical energy into electrical energy with an electroactive polymer. Such are used for example in wave energy generators. A wave energy generator, for example, comprises a multilayer electroactive polymer film having an electrode and a counter electrode of a mechanically flexible capacitor.
Aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen Generator zu schaffen, der einen höheren Wirkungsgrad bereitstellt. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Generators bereitzustellen.The object of the invention is thus to provide a generator which provides a higher efficiency. It is also an object of the invention to provide a method for operating such a generator.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims.
Die Erfindung betrifft einen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie. Dieser Generator weist eine erste Interdigitalelektrodenanordnung mit zwei ineinander verschränkten Elektrodenkämmen und eine zweite Interdigitalelektrodenanordnung mit zwei ineinander verschränkten Elektrodenkämmen auf. Einer der Elektrodenkämme der ersten Interdigitalelektrodenanordnung wird als erster Elektrodenkamm und ein anderer der Elektrodenkämme der ersten Interdigitalelektrodenanordnung wird als zweiter Elektrodenkamm bezeichnet. Elektroaktives Polymer ist zwischen den Elektrodenkämmen der ersten Interdigitalelektrodenanordnung, zwischen den Elektrodenkämmen der zweiten Interdigitalelektrodenanordnung und zwischen der ersten Interdigitalelektrodenanordnung und der zweiten Interdigitalelektrodenanordnung vorgesehen. Eine erste Steuerschaltung ist vorgesehen zum wahlweisen Schalten der Elektrodenkämme der ersten Interdigitalelektrodenanordnung auf unterschiedliche Potentiale oder auf das gleiche Potential. Somit ist die erste Steuerschaltung zum wahlweisen Schalten des ersten Elektrodenkamms und des zweiten Elektrodenkamms auf unterschiedliche Potentiale oder auf das gleiche Potential vorgesehen.The invention relates to a generator for generating electrical energy. This generator has a first interdigital electrode arrangement with two intermeshed electrode combs and a second interdigital electrode arrangement with two intermeshed electrode combs. One of the electrode combs of the first interdigital electrode assembly is referred to as a first electrode comb, and another of the electrode combs of the first interdigital electrode assembly is referred to as a second electrode comb. Electroactive polymer is provided between the electrode combs of the first interdigital electrode assembly, between the electrode combs of the second interdigital electrode assembly and between the first interdigital electrode assembly and the second interdigital electrode assembly. A first control circuit is provided for selectively switching the electrode combs of the first interdigital electrode arrangement to different potentials or to the same potential. Thus, the first control circuit is provided for selectively switching the first electrode comb and the second electrode comb to different potentials or to the same potential.
Mit dem vorgestellten Generator kann während Bewegungen in unterschiedliche Richtungen jeweils Energie gewandelt werden. Dadurch, dass die Elektrodenkämme auf unterschiedliche oder auf gleiche Potentiale geladen werden können, können durch die Auswahl der Potentiale unterschiedliche Kondensatoren realisiert werden. Dadurch ist es nicht nur möglich, während des Auseinanderziehens in die eine Richtung, sondern auch während des Auseinanderziehens in die zweite Richtung, Energie zu gewinnen. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Generators erhöht.With the presented generator energy can be converted during movements in different directions. Because the electrode combs can be charged to different or equal potentials, different capacitors can be realized by selecting the potentials. As a result, it is not only possible to gain energy while being pulled apart in one direction, but also during the separation in the second direction. This increases the efficiency of the generator.
Vorzugsweise ist eine zweite Steuerschaltung zum wahlweisen Schalten der Elektrodenkämme der zweiten Interdigitalelektrodenanordnung auf unterschiedliche Potentiale oder auf das gleiche Potential vorgesehen. Die zweite Steuerschaltung schaltet somit einen ersten Elektrodenkamm der zweiten Interdigitalelektrodenanordnung und einen zweiten Elektrodenkamm der zweiten Interdigitalelektrodenanordnung wahlweise auf unterschiedliche Potentiale oder auf das gleiche Potential. Somit ergibt sich eine erhöhte Flexibilität in Bezug auf die Anordnung der Kondensatoren, die dadurch sowohl in die erste Richtung als auch in die zweite Richtung angeordnet werden können.Preferably, a second control circuit is provided for selectively switching the electrode combs of the second interdigital electrode arrangement to different potentials or to the same potential. The second control circuit thus selectively switches a first electrode comb of the second interdigital electrode arrangement and a second electrode comb of the second interdigital electrode arrangement to different potentials or to the same potential. This results in an increased flexibility with regard to the arrangement of the capacitors, which can be arranged in both the first direction and in the second direction.
Der einzelne elektroaktive Polymergenerator weist vorzugsweise ein dielektrisches Elastomer und Elektroden aus einem flexiblen elektrisch leitenden Material auf, welches den Dehnungen und Stauchungen des Elastomers folgt. Die Abführung von generierten Ladungen von dem Elastomer über entsprechend flexible Elektroden, die den Verformungen, Dehnungen und Stauchungen des elektroaktiven Polymergenerators folgen können, wird zuverlässig sichergestellt.The single electroactive polymer generator preferably comprises a dielectric elastomer and electrodes of a flexible electrically conductive material which follows the strains and compressions of the elastomer. The discharge of generated charges from the elastomer over Correspondingly flexible electrodes, which can follow the deformations, strains and compressions of the electroactive polymer generator, are reliably ensured.
In einer Ausführungsform weist jeder der Elektrodenkämme einer Interdigitalelektrodenanordnung jeweils Längserstreckungen auf, wobei jede der Längserstreckungen jeweils einer Längserstreckung des jeweils anderen Elektrodenkamms der gleichen Interdigitalelektrodenanordnung benachbart gegenüberliegt. Jede der Elektrodenkämme weist zusätzlich eine Sammelelektrode auf, die die Längserstreckungen dieses Elektrodenkamms miteinander verbindet. Mindestens jeweils eine der Steuerschaltungen ist zum Beaufschlagen der Sammelelektrode mit einem Potential eingerichtet. Mit dieser Anordnung ist es möglich, dass die Steuerschaltung an einem einzigen Punkt mit dem Elektrodenkamm verbunden ist und über diesen der gesamte Elektrodenkamm aufgeladen werden kann.In one embodiment, each of the electrode combs of an interdigital electrode arrangement has respective longitudinal extensions, wherein each of the longitudinal extensions in each case lies opposite a longitudinal extension of the respective other electrode comb of the same interdigital electrode arrangement. Each of the electrode combs additionally has a collecting electrode which connects the longitudinal extensions of this electrode comb. At least one of the control circuits is set up to apply a potential to the collecting electrode. With this arrangement, it is possible that the control circuit is connected at a single point to the electrode comb and can be charged via this the entire electrode comb.
Vorzugsweise sind die Längserstreckungen der Elektrodenkämme vollständig von dem Polymer umgeben. Dadurch wird sichergestellt, dass die Elektrodenkämme in alle Raumrichtungen Kondensatoren bilden können.Preferably, the longitudinal extents of the electrode combs are completely surrounded by the polymer. This ensures that the electrode combs can form capacitors in all spatial directions.
Vorzugsweise sind die erste Interdigitalelektrodenanordnung und die zweite Interdigitalelektrodenanordnung identisch geformt, so dass sich eine symmetrische Kapazitätsverteilung in dem Generator ergibt.Preferably, the first interdigital electrode arrangement and the second interdigital electrode arrangement are identically shaped such that a symmetrical capacitance distribution results in the generator.
Besonders geeignet ist der Generator als Wellenenergiegenerator. Von einer Welle wird mechanische Energie nicht nur in eine Raumrichtung, sondern auch in allen Raumrichtungen einer Ebene bereitgestellt. Das Fluid unterhalb der Fluidoberfläche bewegt sich auf einer Kreisbahn. Somit wird mechanische Arbeit nicht nur in einer Richtung, sondern in allen Richtungen verrichtet. Durch das Wandeln von mechanischer Arbeit, die in unterschiedliche Raumrichtung verrichtet wird, erhöht sich die Effizienz.The generator is particularly suitable as a wave energy generator. A shaft provides mechanical energy not only in one spatial direction but also in all spatial directions of a plane. The fluid below the fluid surface moves in a circular path. Thus, mechanical work is done not only in one direction, but in all directions. By converting mechanical work that is done in different spatial directions, the efficiency increases.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Generator eine Vielzahl von Interdigitalelektrodenanordnungen auf, die nebeneinander in Form eines Quaders angeordnet sind. Eine solche ermöglicht eine sehr kompakte Anordnung von Elektrodenanordnungen, so dass der Raum in dem Polymer gut ausgenutzt wird.In a further embodiment, the generator has a plurality of interdigital electrode arrangements, which are arranged side by side in the form of a cuboid. Such allows a very compact arrangement of electrode arrangements, so that the space in the polymer is well utilized.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Generators. Dabei werden Elektrodenkämme, die in Bezug auf eine erste Raumrichtung benachbart sind, auf unterschiedliche Potentiale geladen. Anschließend wird das Polymer in der ersten Raumrichtung derart auseinander gezogen, dass sich der Abstand zwischen den benachbarten Elektrodenkämmen erhöht. Anschließend werden die Elektrodenkämme entladen und anschließend derart geladen, dass diejenigen Elektrodenkämme, die in eine zweite Raumrichtung benachbart sind, auf unterschiedliche Potentiale geladen werden.The invention also relates to a method for operating a generator according to the invention. In this case, electrode combs, which are adjacent with respect to a first spatial direction, are charged to different potentials. Subsequently, the polymer is pulled apart in the first spatial direction such that the distance between the adjacent electrode combs increases. Subsequently, the electrode combs are discharged and subsequently charged such that those electrode combs which are adjacent in a second spatial direction are charged to different potentials.
Anschließend wird das Polymer in der zweiten Raumrichtung derart auseinander gezogen, dass sich der Abstand zwischen den benachbarten Elektrodenkämmen erhöht. Somit wird in vorteilhafter Weise beim Auseinanderziehen in die beiden Raumrichtungen jeweils Energie gewandelt.Subsequently, the polymer is pulled apart in the second spatial direction such that the distance between the adjacent electrode combs increases. Thus, in each case energy is converted when pulling in the two spatial directions in an advantageous manner.
Vorzugsweise sind die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung zueinander senkrecht. Dies ermöglicht einen senkrechten Aufbau der Elektrodenkammstruktur, was die Produktion eines solchen Generators vereinfacht.Preferably, the first spatial direction and the second spatial direction are perpendicular to each other. This allows a vertical structure of the electrode comb structure, which simplifies the production of such a generator.
In einer Ausführungsform unterscheiden sich die Potentialunterschiede bei den Schritten: Laden von Elektrodenkämmen, die in eine erste Raumrichtung benachbart sind und das Laden von Elektrodenkämmen, die in eine zweite Raumrichtung benachbart sind. Damit kann auf unterschiedliche Abstände der Elektrodenkämme innerhalb von Interelektrodenanordnungen und zwischen Interelektrodenanordnungen Rücksicht genommen werden. Zudem ist es möglich, auszugleichen, falls das Polymer in eine Raumrichtung eine andere Elastizität als in die andere Raumrichtung aufweist.In one embodiment, the potential differences in the steps differ: charging of electrode combs that are adjacent in a first spatial direction and charging of electrode combs that are adjacent in a second spatial direction. Thus, consideration can be given to different distances of the electrode combs within interelectrode arrangements and between interelectrode arrangements. In addition, it is possible to compensate if the polymer has a different elasticity in one spatial direction than in the other spatial direction.
In einer Ausführungsform wird lediglich in eine erste Raumrichtung aktiv durch eine von Außen zugefügte mechanische Kraft gezogen. Während des Zurückfederns dehnt sich der Generator aufgrund seiner Elastizität auch aufgrund der Inkompressibilität des Polymers in die zweite Raumrichtung aus. Dadurch kann allein durch das Rückfedern ohne zusätzlich von außen zugeführte Arbeit elektrische Energie gewonnen werden.In one embodiment, only in a first spatial direction is actively pulled by a mechanical force added externally. During springback, due to its elasticity, the generator also expands due to the incompressibility of the polymer in the second spatial direction. As a result, electrical energy can be obtained solely by spring-back without additional externally supplied work.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Dabei zeigtThe invention is illustrated in more detail in the drawings with reference to an embodiment. It shows
Die Elektrodenkämme
Es ist zu bemerken, dass die Anordnung
Die Richtung, die waagerecht verläuft, ist mit x und die Richtung, die senkrecht verläuft, ist mit y gekennzeichnet. Um die Anordnung
Es gibt auch alternative Ausführungen, in denen die Spannung gehalten wird oder das elektrische Feld konstant gehalten wird, anstatt die Ladung konstant zu halten.There are also alternative embodiments in which the voltage is maintained or the electric field is kept constant rather than keeping the charge constant.
In der Beschreibung der
In der in
Somit sind die Elektrodenkämme
Zusätzlich zu der Schaltung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Polymerpolymer
- 22
- Längserstreckunglongitudinal extension
- 33
- Längserstreckunglongitudinal extension
- 44
- Längserstreckunglongitudinal extension
- 5 5
- Längserstreckunglongitudinal extension
- 66
- Sammelelektrodecollecting electrode
- 77
- Sammelelektrodecollecting electrode
- 88th
- Längserstreckunglongitudinal extension
- 1010
- InterdigitalelektrodenanordnungInterdigitated electrode arrangement
- 1111
- Elektrodenkammelectrode comb
- 1212
- Elektrodenkammelectrode comb
- 2020
- InterdigitalelektrodenanordnungInterdigitated electrode arrangement
- 3030
- InterdigitalelektrodenanordnungInterdigitated electrode arrangement
- 500500
- Anordnungarrangement
- 600600
- Steuerschaltungcontrol circuit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |