DE102012019664A1

DE102012019664A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102012019664A1
Application number: DE201210019664
Authority: DE
Inventors: Matthias Grauer; Jannik Grätz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie weist eine Koppeleinrichtung (104) mit zumindest einem beweglichen Teil (122) und mit einer Schnittstelle auf, die geeignet ist, um das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung mit einem ersten Abschnitt (112) einer Kammer (102) zu koppeln. Die Kammer ist in dem ersten Abschnitt mit einem Gas und in einem zweiten Abschnitt (114) einer Flüssigkeit gefüllt und weist in dem zweiten Abschnitt eine Durchgangsöffnung (116) auf, die unter einem äußeren Flüssigkeitsspiegel sich außerhalb der Kammer befindlicher Flüssigkeit angeordnet ist. Das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung ist ausgebildet, um ansprechend auf eine Druckänderung in dem ersten Abschnitt der Kammer eine Bewegung (132) auszuführen. Die Vorrichtung weist eine Generatoreinrichtung (106) auf, die zumindest ein mit dem beweglichen Teil der Koppeleinrichtung gekoppeltes elektroaktives Polymer (134) aufweist und ausgebildet ist, um ansprechend auf eine durch die Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung hervorgerufenen mechanischen Verformung des elektroaktiven Polymers elektrische Energie bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie sowie auf eine Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung als ein Wellenkraftwerk.
Die in einer bewegten Flüssigkeit vorhandene Energie kann zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2009 053 393 A1 einen Wellenenergietransformer mit elektroaktiver Polymerfolie.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie und eine Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie und durch eine Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung als ein Wellenkraftwerk gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
Die Bewegung einer Flüssigkeitssäule kann genutzt werden, um eine mechanische Verformung eines elektroaktiven Polymers hervorzurufen. Die mechanische Verformung des elektroaktiven Polymers kann zur Bereitstellung elektrischer Energie genutzt werden. Die Bewegung der Wassersäule kann dabei über eine Koppeleinrichtung auf das elektroaktive Polymer übertragen werden. Unter Verwendung der Koppeleinrichtung kann eine zur mechanischen Verformung des elektroaktiven Polymers führende Kraft gezielt in das elektroaktive Polymer eingekoppelt werden. Zudem kann das elektroaktive Polymer räumlich abgetrennt von der Flüssigkeit angeordnet werden und somit vor unter Umständen schädlichen Einflüssen der Flüssigkeit geschützt werden. Ferner kann durch die Koppeleinrichtung eine geeignete Kraftübersetzung eingestellt werden.
Der beschriebene Ansatz kann beispielsweise zur Einkoppelung von Wellenergie in einen oder mehrere elektroaktive Polymergeneratoren genutzt werden. Die Verwendung eines elektroaktiven Polymers ist im Gegensatz zu anderen Konstruktionen, die auf den Einsatz von Turbinen statt elektroaktiver Polymergeneratoren setzen von Vorteil. Die bei anderen Konstruktionen zum Einsatz kommenden Turbinen werden in beide Richtungen durchströmt und haben daher einen symmetrischen Aufbau, der mit einem schlechten Wirkungsgrad einhergehen kann. Durch den Einsatz eines elektroaktiven Polymers anstelle einer Turbine kann eine Verbesserung des Wirkungsgrads erzielt werden. Zudem lassen sich Reibkontakte vermeiden.
Eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie weist die folgenden Merkmale auf:
eine Koppeleinrichtung mit zumindest einem beweglichen Teil und mit einer Schnittstelle, die geeignet ist, um das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung mit einem ersten Abschnitt einer Kammer zu koppeln, wobei die Kammer im betriebsbereiten Zustand in dem ersten Abschnitt mit einem Gas und in einem zweiten Abschnitt mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und in dem zweiten Abschnitt eine Durchgangsöffnung aufweist, die im betriebsbereiten Zustand unter einem äußeren Flüssigkeitsspiegel sich außerhalb der Kammer befindlicher Flüssigkeit angeordnet ist, und wobei das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Druckänderung in dem ersten Abschnitt der Kammer eine Bewegung auszuführen wenn das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung mit dem ersten Abschnitt der Kammer gekoppelt ist; und
eine Generatoreinrichtung, die zumindest ein mit dem beweglichen Teil der Koppeleinrichtung gekoppeltes elektroaktives Polymer aufweist und ausgebildet ist, um ansprechend auf eine durch die Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung hervorgerufene mechanische Verformung des elektroaktiven Polymers elektrische Energie bereitzustellen.
Die Generatoreinrichtung kann ausgebildet sein, um die elektrische Energie zur Einspeisung in einen Energiespeicher, beispielsweise eine galvanische Zelle, oder zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz bereitzustellen. Das elektroaktive Polymer kann ein Element darstellen, das aus einer Schicht elektroaktiven Polymermaterials oder aus einem Stapel mehrerer Schichten elektroaktiven Polymermaterials besteht. Beispielsweise kann das elektroaktive Polymer aus einem Stapel von elektroaktiven Polymerfolien gebildet sein. Das elektroaktive Polymer kann Teil eines elektroaktiven Polymertransformers sein, wie er bereits zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie eingesetzt wird.
Ein derartiger elektroaktiver Polymertransformer kann das elektroaktive Polymer aufweisen, auf dessen gegenüberliegenden Oberseiten eine Elektrode und eine Gegenelektrode eines Kondensators angeordnet sind. Bei einer Dehnung, einer Stauchung, einer Krümmung oder einer anderen Verformung des elektroaktiven Polymermaterials variiert die Kapazität des Kondensators aus Elektrode, Gegenelektrode und dazwischen angeordnetem elektroaktiven Polymer. Wird das elektroaktive Polymer beispielsweise gedehnt, sodass sich der Abstand zwischen den Elektroden verringert, so erhöht sich die elektrische Feldstärke der Kondensatoranordnung. Durch eine Einbindung des elektroaktiven Polymers oder des Kondensators in eine geeignete Generatorschaltung kann aus der mechanischen Verformung des Polymers in einer geeigneten Generatorschaltung elektrische Energie gewonnen werden.
Das elektroaktive Polymer kann je nach Ausführungsform der Vorrichtung unterschiedliche Formen aufweisen und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Durch eine geeignete Wahl der Form des elektroaktiven Polymers kann die mechanische Verformung des elektroaktiven Polymers beeinflusst werden, wenn aufgrund der Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung eine Kraft auf das elektroaktive Polymer einwirkt. Beispielsweise kann das elektroaktive Polymer folienförmig, stabförmig oder plattenförmig ausgeführt sein. Durch die Bewegung des beweglichen Teils kann das elektroaktive Polymer alternierend mit einer Druckkraft und einer Zugkraft beaufschlagt werden. Das elektroaktive Polymer kann so ausgeführt sein, dass es bei einer Beaufschlagung einer Druckkraft gestaucht wird, gebogen wird oder aufknickt. Um die mechanische Verformung des elektroaktiven Polymers zu steuern, kann das elektroaktive Polymer in eine Führung eingebettet sein.
Die Koppeleinrichtung kann als ein Bindeglied zwischen der Kammer und der Generatoreinrichtung aufgefasst werden. Über die Koppeleinrichtung kann die Generatoreinrichtung fest mit der Kammer verbunden werden oder verbunden sein. Über die Koppeleinrichtung kann zumindest ein Teil der Bewegungsenergie der sich in der Kammer bewegenden, beispielsweise oszillierenden Flüssigkeit an das elektroaktive Polymer übertragen werden. Durch eine geeignete Ausführung der Koppeleinrichtung kann eine gewünschte Kraftübersetzung realisiert werden. Das bewegliche Teil kann in einer geeigneten Führung beweglich angeordnet sein. Die Schnittstelle der Koppeleinrichtung kann durch eine Öffnung realisiert sein, durch die das Gas strömen kann, um das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung zu bewegen. Wenn sich die Flüssigkeit in der Kammer von dem zweiten Abschnitt in Richtung des ersten Abschnitts bewegt, so wird das Gas in dem ersten Abschnitt der Kammer komprimiert und übt eine Druckkraft auf das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung aus. Dadurch kann das bewegliche Teil in Richtung des elektroaktiven Polymers gedrückt werden und die Druckkraft auf das elektroaktive Polymer ausüben. Wenn sich die Flüssigkeit in der Kammer von dem ersten Abschnitt wegbewegt, so wird das Gas in dem ersten Abschnitt der Kammer dekomprimiert und übt eine Sogkraft auf das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung aus. Dadurch kann das bewegliche Teil von dem elektroaktiven Polymer weggezogen werden und die Zugkraft auf das elektroaktive Polymer ausüben. Das bewegliche Teil kann direkt, oder über eine Verbindungseinrichtung mechanisch mit dem elektroaktiven Polymer verbunden sein, sodass die Bewegung des beweglichen Teils direkt auf das elektroaktive Polymer übertragen werden kann.
Die Kammer kann als ein Bauwerk, ein Behälter oder beispielsweise eine Bohrung in einen felsigen Untergrund ausgeführt sein. Unter dem betriebsbereiten Zustand kann verstanden werden, dass die Kammer so in einer Flüssigkeit angeordnet ist, dass die Flüssigkeit von außerhalb der Kammer durch die Durchgangsöffnung in die Kammer einströmen kann. Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise in einer Seitenwand der Kammer oder in einem Boden der Kammer angeordnet sein. Auch kann die Kammer eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweisen. Die Durchgangsöffnung kann so ausgeführt sein, dass eine Bewegung der sich außerhalb der Kammer befindlichen Flüssigkeit zu einer Bewegung der sich innerhalb der Kammer befindlichen Flüssigkeitsmenge führt. Beispielsweise kann die Durchgangsöffnung so ausgeführt sein, dass ein Wellengang der sich außerhalb der Kammer befindlichen Flüssigkeit zu einer Oszillationsbewegung der sich innerhalb der Kammer befindlichen Flüssigkeit führen kann. Auf diese Weise kann die Bewegung der sich außerhalb der Kammer befindlichen Flüssigkeit zu einer fortlaufenden Veränderung einer Höhe des Flüssigkeitsspiegels der sich innerhalb der Kammer befindlichen Flüssigkeit führen. Der zweite Abschnitt der Kammer kann einen unteren Abschnitt eines Innenraums der Kammer kennzeichnen. Der erste Abschnitt der Kammer kann einen oberhalb des zweiten Abschnitts liegenden oberen Abschnitt des Innenraums der Kammer kennzeichnen. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt können fließend ineinander übergehen. Eine Trennlinie zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt kann durch die Höhe des Flüssigkeitsspiegels der sich innerhalb der Kammer befindlichen Flüssigkeit definiert seien und somit veränderlich sein.
Bei der Flüssigkeit kann es sich um Wasser, beispielsweise um Meerwasser handeln. Bei dem Gas kann es sich um Luft handeln.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Koppeleinrichtung eine Röhre auf, in der das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung beweglich angeordnet ist. Die Röhre kann eine an das bewegiche Teil angepasste Form aufweisen und beispielsweise als ein Zylinder ausgeführt sein. Ein Ende der Röhre kann mit dem ersten Abschnitt der Kammer gasdurchlässig verbunden sein. Eine gegenüberliegendes weiteres Ende der Röhre kann offen sein oder fluiddicht abgeschlossen sein. Ein äußerer Querschnitt des beweglichen Teils kann an einem inneren Querschnitt der Röhre angepasst sein, sodass eine Außenwand des beweglichen Teils vollumfänglich an einer Innenwand der Röhre anliegen kann, sodass ein Gasstrom durch einen Spalt zwischen der Röhre und dem beweglichen Teil vermieden oder zumindest stark eingedämmt werden kann. Eine Querschnittsfläche der Röhre kann kleiner als eine Querschnittsfläche der Kammer sein. Auf diese Weise kann die Koppeleinrichtung sehr kompakt ausgeführt werden. Die Röhre kann außerhalb der Kammer angeordnet sein und sich beispielsweise seitlich von einer Außenwand der Kammer weg erstrecken. Auch kann die Röhre beabstandet zu der Kammer angeordnet sein und über eine Leitung oder einen Schlauch zur Führung des Gases zwischen der Kammer und der Röhre mit der Kammer verbunden sein.
Beispielsweise kann das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung als ein verschiebbarer Kolben ausgeführt sein. Ein solcher Kolben ist ein bekanntes Bauteil und zeichnet sich durch geringe Reibungsverluste und eine lange Lebensdauer aus.
Ein erstes Ende des elektroaktiven Polymers kann an dem beweglichen Teil der Koppeleinrichtung befestigt sein. Ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende des elektroaktiven Polymers kann an einem Fixpunkt befestigt sein. Ein Fixpunkt kann ein Punkt an einem Gehäuse der Vorrichtung oder der Koppeleinrichtung oder in der Umgebung der Vorrichtung sein. Der Fixpunkt kann von einer Bewegung des beweglichen Teils entkoppelt sein. Auf diese Weise kann das elektroaktive Polymer durch die Bewegung des beweglichen Teils sowohl gedehnt als auch gestaucht werden.
Das bewegliche Teil kann so angeordnet sein, dass eine Richtung der Bewegung des beweglichen Teils quer zu einer Richtung einer die Druckänderung bewirkenden Bewegung der Flüssigkeit in dem zweiten Abschnitt der Kammer ausgerichtet ist, wenn das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung mit dem ersten Abschnitt der Kammer gekoppelt ist. Beispielsweise kann die Kammer senkrecht stehen und das bewegliche Teil kann eine horizontale oder annähernd horizontale Bewegung ausführen. Ist die Kammer beispielsweise wasserseitig an einer Küste aufgestellt, so kann die Generator Einrichtung benachbart zu der Kammer landseitig angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Generatoreinrichtung einen mit dem beweglichen Teil der Koppeleinrichtung gekoppelten Stapel aus einander gegenüberliegenden Elektroden und zumindest einer zwischen den Elektroden angeordneten elektroaktiven Polymerschicht aufweisen. Durch den Stapel kann eine Kondensatoranordnung gebildet werden. Die Generatoreinrichtung kann ausgebildet sein, um bei einer durch die Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung hervorgerufenen mechanischen Verformung des Stapels elektrische Energie bereitzustellen. Die Elektroden können dabei so an dem Material der elektroaktiven Polymerschicht angeordnet sein, dass sie sich zusammen mit der elektroaktiven Polymerschicht verformen. Alternativ können die Elektroden von der Verformung der elektroaktiven Polymerschicht entkoppelt sein. Es kann auch eine Mehrzahl von Elektroden verwendet werden. Die Elektroden können über elektrische Leitungen mit einer elektrischen Schaltung der Generatoreinrichtung elektrisch leitfähig verbunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung die genannte Kammer umfassen. Wie bereits ausgeführt, kann die Kammer im betriebsbereiten Zustand der Vorrichtung in dem ersten Abschnitt mit dem Gas und in dem zweiten Abschnitt mit der Flüssigkeit gefüllt sein. Die Kammer kann in dem zweiten Abschnitt die Durchgangsöffnung aufweisen, die im betriebsbereiten Zustand der Vorrichtung unter dem äußeren Flüssigkeitsspiegel sich außerhalb der Kammer befindlicher Flüssigkeit angeordnet ist. Das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung kann über die Schnittstelle der Koppeleinrichtung mit dem ersten Abschnitt der Kammer gekoppelt sein.
Die Kammer kann eine weitere Durchgangsöffnung in dem ersten Abschnitt aufweisen. Die Schnittstelle der Koppeleinrichtung kann ausgeformt sein, um das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung über die weitere Durchgangsöffnung mit dem ersten Abschnitt der Kammer zu koppeln. Die weitere Durchgangsöffnung kann ausgeformt sein, um das Gas zwischen dem ersten Abschnitt und der Koppeleinrichtung hin und her strömen zu lassen. Eine Führung für das bewegliche Teil, beispielsweise eine Röhre, kann fluiddicht mit einem Rand der weiteren Durchgangsöffnung verbunden sein. Auf diese Weise kann ein Austreten von Gas in die Umgebung vermieden werden.
Eine Verwendung einer beschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie kann als ein Wellenkraftwerk erfolgen. Beispielsweise kann dadurch eine Energiegewinnung nahe einer Küste mit nutzbarem Wellengang realisiert werden. Dabei kann eine Auskopplung von Energie unter Verwendung einer Turbine durchgeführt werden. Dieser Ansatz zur Nutzung von Wellenenergie mittels elektroaktiven Polymeren zeichnet sich durch seine Geräuscharmut aus.
Ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie umfasst die folgenden Schritte:
Koppeln eines beweglichen Teils einer Koppeleinrichtung mit einem ersten Abschnitt einer Kammer, die in dem ersten Abschnitt mit einem Gas und in einem zweiten Abschnitt mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und in dem zweiten Abschnitt eine Durchgangsöffnung aufweist, die unter einem äußeren Flüssigkeitsspiegel sich außerhalb der Kammer befindlicher Flüssigkeit angeordnet ist;
Ausführen einer Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung ansprechend auf eine Druckänderung in dem ersten Abschnitt der Kammer;
Koppeln des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung mit einem elektroaktiven Polymer einer Generatoreinrichtung; und
Bereitstellen elektrischer Energie bei einer durch die Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung hervorgerufenen mechanischen Verformung des elektroaktiven Polymers.
Durch Ausführung der Schritte des Verfahrens kann die Bewegung einer Flüssigkeit zur Energiegewinnung genutzt werden. Die Schritte des Verfahrens können unter Verwendung von Einrichtungen einer genannten Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie umgesetzt werden. Beispielsweise können die Schritte des Verfahrens im Zusammenhang mit einem Kraftwerk eingesetzt werden, dass eine oszillierende Wassersäule mit einem elektroaktiven Polymerstapel als Leistungsabnehmer kombiniert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung weist eine Kammer 102, eine Koppeleinrichtung 104 und eine Generatoreinrichtung 106 auf. Die Koppeleinrichtung 104 ist als ein Bindeglied zwischen der Kammer 102 und der Generatoreinrichtung 106 angeordnet.
Die Kammer 102 weist eine umlaufende Wand 110 auf. Die umlaufende Wand 110 kann als eine starre Wand ausgeführt sein. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Kammer 102 als ein Betonbauwerk ausgeführt. Die Kammer kann beispielsweise zylinderförmig oder rechteckförmig ausgeführt werden. Eine Fläche entlang eines Längsschnitts durch den Innenraum der Kammer 102 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel rechteckförmig. Die Höhe der Kammer 102 ist hier größer als die Breite der Kammer 102. Der Innenraum der Kammer 102 kann funktional in einen ersten Abschnitt 112 und in einen zweiten Abschnitt 114 unterteilt werden. Im Bereich des zweiten Abschnitts 114 weist die Kammer 102 eine Durchgangsöffnung 116 auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Durchgangsöffnung 116 in einem Seitenwandteil der umlaufenden Wand 110 angeordnet. Der erste Abschnitt 112 der Kammer 102 ist mit Luft gefüllt und ist im oberen Bereich des Innenraums der Kammer 102 angeordnet. Der zweite Abschnitt 114 der Kammer 102 ist mit Wasser gefüllt und ist im unteren Bereich des Innenraums der Kammer 102 angeordnet. Die Kammer 102 steht gemäß diesem Ausführungsbeispiel teilweise im Wasser. Aufgrund der Durchgangsöffnung 116 kann Wasser von außerhalb der Kammer 102 in den Innenraum der Kammer 102 einströmen und wieder herausströmen. Wenn das außerhalb an die Kammer 102 angrenzende Wasser bewegt ist, wie es beispielsweise in 1 durch die Darstellung von Meereswellen 118 gezeigt ist, strömt Wasser durch die Durchgangsöffnung 116 und führt zu einer Veränderung eines Wasserspiegels 120 im Innenraum der Kammer 102. Durch die Veränderung des Wasserspiegels 120 wird die sich oberhalb des Wasserspiegels 120 befindliche Luftsäule im ersten Abschnitt 112 des Innenraums der Kammer 102 komprimiert beziehungsweise dekomprimiert.
Die Koppeleinrichtung 104 ist an einem oberen Rand der Kammer 102 angeordnet. Die Koppeleinrichtung 104 weist ein bewegliches Teil 122 auf, das in einer Röhre 124 beweglich angeordnet ist. Die Röhre 124 weist eine Längserstreckung auf, die orthogonal zu einer Längsterstreckung der Kammer 102 ausgerichtet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Röhre 124 waagerecht angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Teil 122 als ein Kolben und die Röhre 124 als ein Zylinder ausgeführt. Ein erstes Ende der Röhre 124 grenzt an die umlaufende Wand 110 der Kammer 102 an und ist fluiddicht mit dieser verbunden. In dem Bereich, an dem die Röhre 124 an die umlaufende Wand 110 angrenzt, weist die umlaufende Wand 110 eine Durchgangsöffnung auf. Durch die Durchgangsöffnung wird ein Luftaustausch zwischen dem Innenraum der Kammer 102 und einem zwischen dem ersten Ende der Röhre 124 und dem beweglichen Teil 122 gelegenen Innenraum der Röhre 124 ermöglicht. Mögliche Bewegungen des Wasserspiegels 120 nach oben, beziehungsweise nach unten, sind durch einen Pfeil 130 angedeutet. Steigt der Wasserspiegel 120, so strömt Luft aus dem ersten Abschnitt 112 der Kammer 102 in die Röhre 124 und drückt das bewegliche Teil 122 von der Kammer 102 weg. Mögliche, einander gegenläufige Bewegungen des beweglichen Teils 122 sind durch einen Pfeil 132 angedeutet. Fällt der Wasserspiegel 120 dagegen, so strömt Luft aus der Röhre 124 in den ersten Abschnitt 112 der Kammer 102, wodurch das bewegliche Teil 122 in die Gegenrichtung bewegt wird, gemäß diesem Ausführungsbeispiel somit zu der Kammer 102 hingezogen wird. Somit führt das bewegliche Teil 122 durch ein Oszillieren der Flüssigkeit in der Kammer 102 und somit durch ein Oszillieren der sich über der Flüssigkeit in der Kammer 102 befindlichen Luftsäule in der Kammer 102 alternierend einander gegenläufige Bewegungen aus.
Von der Generatoreinrichtung 106 ist in 1 lediglich ein elektroaktiver Polymerstapel 134 gezeigt. Ein erstes Ende des Polymerstapels 134 ist mit dem beweglichen Teil 122 der Koppeleinrichtung 104 verbunden. Dazu ist beispielhaft eine Stange durch das, dem ersten Ende der Röhre 124 gegenüberliegende zweite Ende der Röhre 124 geführt und auf der einen Seite mit dem beweglichen Teil 122 und auf der anderen Seite mit dem ersten Ende des Polymerstapels 134 verbunden. Auf diese Weise wird bei einer Bewegung des beweglichen Teils 122 entweder eine Druckkraft oder eine Zugkraft auf das erste Ende des Polymerstapels 134 ausgeübt. Durch die auf das erste Ende des Polymerstapels 134 ausgeübten Kräfte wird der Polymerstapel 134 entweder gedehnt oder gestaucht. Dies führt zu einer Veränderung der Dicke des Polymerstapels 134 und damit zu einer Spannungsänderung oder Ladungsverschiebung zwischen an dem Polymerstapel 134 angeordneten Elektroden einer den Polymerstapel 134 umfassenden Kondensatoranordnung. Der Polymerstapel 134 kann aus einer Mehrzahl von Schichten elektroaktiven Plymermaterials aufgebaut sein. Alternativ kann anstelle eines Polymerstapel 134 auch ein einschichtig ausgeführtes Element aus elektroaktivem Polymer verwendet werden. Beispielsweise kann der Polymerstapel 134 als eine Stange mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt sein.
Die Bewegung des beweglichen Teils 122 erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel parallel zu einer Längserstreckungsachse des Polymerstapels 134. Die aufgrund der Bewegung des beweglichen Teils 122 auf das erste Ende des Polymerstapels 134 einwirkende Kraft wirkt vollständig oder nahezu vollständig in Richtung der Längserstreckungsachse des Polymerstapels 134. Die Längserstreckungsachse kann sich auf eine Situation beziehen, in der sich der Polymerstapel 134 in einem entspannten oder gedehnten Zustand befindet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die in 1 gezeigte Vorrichtung als ein Oszillierende-Wassersäule-Kraftwerk ausgeführt, bei dem statt einer Turbine die Koppeleinrichtung 104 in Form einer Kolben-Zylindereinheit angebaut ist. Das bewegliche Teil 122, in diesem Fall der Kolben dieser Kolben-Zylindereinheit wird durch die Wellen 118 zum Schwingen angeregt. Der Stapel 134 aus elektroaktiven Polymeren wandelt die mechanischen Schwingungen in elektrische Energie um.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden je beweglichen Teil 122 mehrere elektroaktive Polymerstapel-Generatoren 106 betrieben. In diesem Fall sind entsprechend zu dem gezeigten elektroaktiven Polymerstapel 134 ein oder mehrere weitere elektroaktive Polymerstapel 134 mit dem beweglichen Teil 122 gekoppelt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden zwei oder mehr bewegliche Teile 122 von der Luft bewegt, die sich in der Kammer 102 über der oszillierenden und von Meereswellen 118 angeregten Wassersäule befindet. Dazu können beispielsweise zwei oder mehr Koppeleinrichtungen 104 mit dem ersten Abschnitt 112 der Kammer 102 verbunden sein. Jede der Koppeleinrichtungen 104 kann wiederum mit einer oder mehreren Generatoreinrichtungen 106 oder einem oder mehreren elektroaktiven Polymerstapeln 134 gekoppelt sein.
Eine Erzeugung der Bewegung des elektroaktiven Polymerstapels 134 erfolgt, wie bereits beschrieben, durch die oszillierende Wassersäule in der Kammer 102. Der elektroaktive Polymerstapel 134 kann eine hohe Dauerfestigkeit aufweisen und robust gegenüber Wechselbeanspruchung und Seewasser ausgeführt sein. Auch kann der Polymerstapel 134 geschützt vor der sich in der Kammer 102 und der sich außerhalb der Kammer 102 befindlichen Flüssigkeit angeordnet sein, beispielsweise indem der Polymerstapel 134 durch ein Gehäuse vor der Flüssigkeit geschützt ist oder räumlich weit genug entfernt von der Flüssigkeit angeordnet ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung nur die Koppeleinrichtung 104 und die Generatoreinrichtung 106 auf. Die Koppeleinrichtung 104 kann an einer Kammer befestigt werden, wie es in 1 gezeigt ist.
An dem elektroaktiven Polymer 134 sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten Elektroden 240, 242 angeordnet. Das elektroaktive Polymer 134 ist an einem ersten Ende mit dem beweglichen Teil 122 der Koppeleinrichtung 124 verbunden und ist an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende an einem Begrenzungselement 244 fixiert. Das Begrenzungselement 244 stellt ein Fixpunkt dar und kann beispielsweise starr mit einem Gehäuse der Generatoreinrichtung 106 verbunden sein. Die Elektroden 240, 242 erstrecken sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des elektroaktiven Polymers 134. Das elektroaktive Polymer 134 ist elastisch. Durch die Bewegung des beweglichen Teils 122 wird das elektroaktive Polymer 134 gestaucht oder gedehnt, wodurch sich die Dicke des elektroaktiven Polymers 134 verändert. Dadurch ändert sich ein Abstand der Elektroden 240, 242. Die Generatoreinrichtung weist eine elektrische Schaltung 246 auf, die über elektrische Leitungen mit den Elektroden 240, 242 verbunden ist. Die elektrische Schaltung 246 ist ausgebildet, um eine durch eine Veränderung des Abstands der Elektroden 240, 242 hervorgerufene Spannungsänderung oder Ladungsverschiebung zwischen den Elektroden 240, 242 zur Bereitstellung elektrischer Energie zu verwenden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Generatoreinrichtung 106 mit einer Batterie 248 gekoppelt und die elektrische Schaltung 246 ist ausgebildet, um die Batterie 248 zu laden. Alternativ kann die elektrische Schaltung 246 ausgebildet sein, um die elektrische Energie an ein elektrisches Versorgungsnetzwerk bereitzustellen.
Die Röhre 124, in der das bewegliche Teil geführt ist, weist an einem der Generatoreinrichtung 106 abgewanten Ende eine Öffnung auf, die als Schnittstelle zu der Kammer dienen kann, wie es anhand von 1 beschrieben ist.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren kann im Zusammenhang mit einer Vorrichtung ausgeführt werden, wie sie in 1 gezeigt ist.
In einem Schritt 351 wird ein bewegliches Teil einer Koppeleinrichtung mit einem ersten Abschnitt einer Kammer gekoppelt, wie es anhand von 1 beschrieben ist. In einem Schritt 353 wird das bewegliche Teil als Folge einer durch eine Wasserstandsänderung in der Kammer hervorgerufene Druckänderung in dem ersten Abschnitt der Kammer bewegt. In einem Schritt 355 wird das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung mit einem elektroaktiven Polymer einer Generatoreinrichtung gekoppelt. In einem Schritt 357 wird durch die Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung eine mechanische Verformung des elektroaktiven Polymers bewirkt, wodurch elektrische Energie bereitgestellt wird.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

102: Kammer
104: Koppeleinrichtung
106: Generatoreinrichtung
110: Wand
112: erster Abschnitt
114: zweiter Abschnitt
116: Durchgangsöffnung
118: Wellen
120: Wasserspiegel
122: bewegliches Teil
124: Röhre
130: Bewegung des Wasserspiegels
132: Bewegung des beweglichen Teils
134: elektroaktives Polymer
240: Elektrode
242: Gegenelektrode
246: elektrische Schaltung
248: Batterie
351: Schritt des Koppelns
353: Schritt des Ausführens
355: Schritt des Koppelns
357: Schritt des Bereitstellens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009053393 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie, mit folgenden Merkmalen: einer Koppeleinrichtung (104) mit zumindest einem beweglichen Teil (122) und mit einer Schnittstelle, die geeignet ist, um das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung mit einem ersten Abschnitt (112) einer Kammer (102) zu koppeln, wobei die Kammer im betriebsbereiten Zustand in dem ersten Abschnitt mit einem Gas und in einem zweiten Abschnitt (114) mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und in dem zweiten Abschnitt eine Durchgangsöffnung (116) aufweist, die im betriebsbereiten Zustand unter einem äußeren Flüssigkeitsspiegel sich außerhalb der Kammer befindlicher Flüssigkeit angeordnet ist, und wobei das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Druckänderung in dem ersten Abschnitt der Kammer eine Bewegung (132) auszuführen wenn das bewegliche Teil der Koppeleinrichtung mit dem ersten Abschnitt der Kammer gekoppelt ist; und einer Generatoreinrichtung (106), die zumindest ein mit dem beweglichen Teil der Koppeleinrichtung gekoppeltes elektroaktives Polymer (134) aufweist und ausgebildet ist, um ansprechend auf eine durch die Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung hervorgerufene mechanische Verformung des elektroaktiven Polymers elektrische Energie bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem die Koppeleinrichtung (104) eine Röhre (124) aufweist, in der das bewegliche Teil (122) der Koppeleinrichtung beweglich angeordnet ist, wobei eine Querschnittsfläche der Röhre kleiner als eine Querschnittsfläche der Kammer (102) ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das bewegliche Teil (122) der Koppeleinrichtung (104) als ein verschiebbarer Kolben ausgeführt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein erstes Ende des elektroaktiven Polymers (134) an dem beweglichen Teil (122) der Koppeleinrichtung (104) und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende des elektroaktiven Polymers an einem Fixpunkt (244) befestigt sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das bewegliche Teil (122) der Koppeleinrichtung (104) so angeordnet ist, dass eine Richtung der Bewegung (132) des beweglichen Teils quer zu einer Richtung einer die Druckänderung bewirkenden Bewegung (130) der Flüssigkeit in dem zweiten Abschnitt (114) der Kammer (102) ausgerichtet ist, wenn das bewegliche Teil mit dem ersten Abschnitt (112) der Kammer gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Generatoreinrichtung (106) einen mit dem beweglichen Teil (122) der Koppeleinrichtung (104) gekoppelten Stapel aus einander gegenüberliegenden Elektroden (240, 242) und zumindest einer zwischen den Elektroden angeordneten elektroaktiven Polymerschicht (106) aufweist und ausgebildet ist, um bei einer durch die Bewegung (132) des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung hervorgerufenen mechanischen Verformung des Stapels elektrische Energie bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit der Kammer (102), die im betriebsbereiten Zustand der Vorrichtung in dem ersten Abschnitt (112) mit dem Gas und in dem zweiten Abschnitt (114) mit der Flüssigkeit gefüllt ist, wobei die Kammer in dem zweiten Abschnitt die Durchgangsöffnung (116) aufweist, die im betriebsbereiten Zustand der Vorrichtung unter dem äußeren Flüssigkeitsspiegel sich außerhalb der Kammer befindlicher Flüssigkeit angeordnet ist, wobei das bewegliche Teil (122) der Koppeleinrichtung (104) über die Schnittstelle der Koppeleinrichtung mit dem ersten Abschnitt der Kammer gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Kammer (102) eine weitere Durchgangsöffnung in dem ersten Abschnitt (112) aufweist, und die Schnittstelle der Koppeleinrichtung (104) ausgeformt ist, um das bewegliche Teil (122) der Koppeleinrichtung über die weitere Durchgangsöffnung mit dem ersten Abschnitt der Kammer zu koppeln.
Verwendung einer Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß einem der vorstehenden Ansprüche als ein Wellenkraftwerk.
Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie, das die folgenden Schritte umfasst: Koppeln (351) eines beweglichen Teils (122) einer Koppeleinrichtung (104) mit einem ersten Abschnitt (112) einer Kammer (102), die in dem ersten Abschnitt mit einem Gas und in einem zweiten Abschnitt (114) mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und in dem zweiten Abschnitt eine Durchgangsöffnung (116) aufweist, die unter einem äußeren Flüssigkeitsspiegel sich außerhalb der Kammer befindlicher Flüssigkeit angeordnet ist; Ausführen (353) einer Bewegung (132) des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung ansprechend auf eine Druckänderung in dem ersten Abschnitt der Kammer; Koppeln (355) des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung mit einem elektroaktiven Polymer (134) einer Generatoreinrichtung (106); und Bereitstellen (357) elektrischer Energie bei einer durch die Bewegung des beweglichen Teils der Koppeleinrichtung hervorgerufenen mechanischen Verformung des elektroaktiven Polymers.