JP2015516795A - Ｅａｐ系変形体を使用してエネルギーを収穫するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

ＥＡＰ系変形体は、伸縮性合成材料と、変形体が伸張および弛緩するにつれて変化するキャパシタンスを有する可変コンデンサとして構成される電極との配列を含む弾性変形体である。方法は、エネルギーハーベスティングサイクルを繰り返すステップを含み、サイクルは、ａ）変形体を最小弛緩サイズＬ１から最大伸張サイズＬ２まで伸張させるステップと、ｂ）最大伸張サイズで、上限電場レベル値を有する電場をコンデンサ上に形成するために可変コンデンサを充電するステップと、その後に、ｃ）最大伸張サイズから最小弛緩サイズへの弛緩ステップと、ｄ）変形体の最小弛緩サイズで、コンデンサを最小充電レベルおよび最小電場レベル値まで放電するステップとを伴う。【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＡＰ系変形体を使用してエネルギーを収穫するための方法に関する。また、本発明は、ＥＡＰ系変形体を使用してエネルギーを収穫するためのシステムに関する。

現在、ＥＡＰ（電気活性高分子）に基づくアクチュエータおよび発電機（すなわち、ＥＡＰ系エネルギーコンバータ）は、可変コンデンサとして作用するＥＡＰ系変形体の変形自体がエネルギーの流れを押し進める受動型ハーベスティングシステムによって、あるいは、電場、電圧、または、充電を直接に制御する能動型システムによって動作される。後者の手法は、一般に、より高い変換効率と、より高いエネルギー密度とをもたらすため、この手法は、特に大型システムまたは効率に敏感な（バッテリ電源式の）用途において好ましい。

能動型システムは、例えば、国際公開第２０１０／１４６４５７号パンフレットに開示される。

励起中に電場が形成されて制御される方法は、変換されるエネルギーの量を決定する。これはエネルギーハーベスティングサイクル（ＳＲＩ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）によって表わされる。現在、ＥＡＰを能動的に充電および放電するシステムでは、主に以下の３つの特徴的なサイクル、すなわち、定充電サイクル、定電圧サイクル、および、定電場サイクルが使用される。これらのサイクルの焦点は、伸張中または収縮（または弛緩）中にパワーエレクトロニクスユニット（ＰＥＵ）がＥＡＰデバイスと相互に作用する方法に合わされる。これらの周期では、正味電気機械変換が行なわれる。

ＥＡＰ系コンデンサにバイアスをかける（充電する）ためおよびコンデンサのバイアスを解放する（放電）ために、サイクルは特定の方策を表わさず、最大伸張および最小伸張のそれぞれで充電／放電が瞬時に起こると考えられる。多くの既存のシステムでは、これらの状態に対して注意が殆ど払われない。一部のシステムは、充電中または放電中に電流振幅の設定を可能にするが、材料損失要素を考えると高エネルギー出力のために充電（放電）時間が最適化されず、また、商品化にとって重要なコンバータ電力定格も最適化されない。

したがって、本発明の目的は、従来技術の不都合を克服する方法を提供することである。

目的は、ＥＡＰ系変形体を使用してエネルギーを収穫するための方法であって、ＥＡＰ系変形体が、伸縮性合成材料と、変形体が伸張および弛緩するにつれて変化するキャパシタンスを有する可変コンデンサとして構成される電極との配列を備える弾性変形体であり、前記方法が、
エネルギーハーベスティングサイクルを繰り返すステップを備え、エネルギーハーベスティングサイクルが、ａ）変形体を最小弛緩サイズから最大伸張サイズまで伸張させるステップと、ｂ）最大伸張サイズで、上側の電場レベル値を有する電場をコンデンサ上に形成するために可変コンデンサを充電するステップと、その後に、ｃ）最大伸張サイズから最小弛緩サイズへの弛緩ステップと、ｄ）変形体の最小弛緩サイズで、コンデンサを最小充電レベルおよび最小電場レベル値まで放電するステップとを伴い、充電は、変形体の伸張中に始まって、最大伸張サイズに達する前に第１の伸張サイズで開始されるとともに、最大に達した後の弛緩中に第３の伸張サイズのレベルに至るまで継続し、放電は、変形体の弛緩中に始まって、最小弛緩サイズに達する前に第２の伸張サイズで開始されるとともに、最小に達した後の伸張中に第４の伸張サイズのレベルに至るまで継続する、
方法によって達成される。

好適には、継続時間を増大して充電および放電することにより、コンバータは、サイクルのより大きな周期にわたって動作している。これは、動作を更に連続的にするとともに、コンバータ利用を増大させる。結果として、ＰＥＵおよびその構成要素は、パルス状の電力を伴う用途で通常受けられるような熱サイクルに殆ど晒されない。電力を平滑にすることにより、したがって熱疲労を減らすことにより、ＰＥＵの信頼性および寿命が向上される。特に、海上発電などのアクセス可能性が制限される用途では、これは大きな利点である。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、使用中に得ることができる最小電場レベル値よりも大きい電場レベル値で放電が停止される方法が提供される。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、最小電圧レベル値よりも大きい電圧レベル値で放電が停止されるか、または、使用中に得ることができる最小充電レベル値よりも大きい充電レベル値で放電が停止される方法が提供される。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、可変コンデンサが放電後の最小電圧レベルよりも大きい正味残留電圧レベルを有する方法が提供される。

好適には、完全に放電させないことによって、各サイクルにバイアスをかけるために必要とされるエネルギーの量が減少され、それにより、電流レベルおよび電力レベルが更に減少される。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、可変コンデンサが放電後の最小充電レベルよりも大きい正味残留充電レベルを有する方法が提供される。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、可変コンデンサへ供給される一定電力の状態下で充電が行なわれる方法が提供される。

好適には、定電力で、コンバータは、サイクルのより大きな周期にわたって動作している。これは、動作を更に連続的にするとともに、コンバータ利用を増大させる。また、ＰＥＵの定電力動作は、例えばスイッチング損失が実際の出力電力に密に関連付けられる多くのハード切り換え型ＰＥＵの場合のように、その効率の最適化を更に容易にする。より効率的なＰＥＵは、特に低変形用途において、ＥＡＰ変換効率をかなり高めることができる。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、可変コンデンサによって送出される一定電力の状態下で放電が行なわれる方法が提供される。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、充電がＤＣ電源を使用して行なわれる方法が提供される。

好適には、ＥＡＰ系コンデンサが定電圧源（ＤＣ）に接続される場合、ＥＡＰ系コンデンサおよびＰＥＵを一定の電力で動作させることは、ＤＣ側で電流の振幅が固定されることも示唆する。これにより、ＤＣバスに作用するストレスが低減し、その結果、システム構成要素の構造が簡略化されて、コストが低減される。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、最大伸張サイズから最小弛緩サイズへの弛緩ステップ中に上限電場レベル値をほぼ一定に維持するステップを備える方法が提供される。

好適には、方法は、定電場状態下での動作を可能にする。

本発明の一態様によれば、前述した方法であって、最大伸張サイズから最小弛緩サイズへの弛緩ステップ中に略一定の充電または略一定の電圧のいずれかを維持するステップを備える方法が提供される。

好適には、方法は、定充電状態下または定電圧状態下での動作を可能にする。

一実施形態において、本発明は、前述した方法であって、最大伸張サイズＬ２に達する前の第１の伸張サイズＬ３における第１の所定の伸張レベルＲ３が少なくとも８０％または少なくとも９０％の相対伸張に等しく、Ｒ３＝１００×（Ｌ３−Ｌ１）／（Ｌ２−Ｌ１）である方法を提供する。

一実施形態において、本発明は、前述した方法であって、最小伸張サイズＬ１に達する前の第２の伸張サイズＬ４における第２の所定の伸張レベルＲ４が少なくとも２０％未満または少なくとも１０％未満の相対伸張に等しく、Ｒ４＝１００×（Ｌ４−Ｌ１）／（Ｌ２−Ｌ１）である方法を提供する。

また、本発明は、ＥＡＰ系変形体を使用してエネルギーを収穫するためのシステムであって、ＥＡＰ系変形体と、パワーエレクトロニクスユニットと、監視デバイスと、エネルギー蓄積・供給デバイスと、コントローラとを備え、ＥＡＰ系変形体は、伸縮性合成材料と、変形体が伸張および弛緩するにつれて変化するキャパシタンスを有する可変コンデンサとして構成される電極との配列を備える弾性変形体であり、エネルギー蓄積・供給デバイスは、パワーエレクトロニクスユニットに接続されるとともに、パワーエレクトロニクスユニットからのエネルギーの蓄積およびパワーエレクトロニクスユニットへのエネルギーの供給をそれぞれ行なうようになっており、パワーエレクトロニクスユニットは、伸張中および弛緩中にそれぞれコンデンサを充電および放電するためにＥＡＰ系変形体の可変コンデンサに接続され、監視デバイスは、変形体の伸張および弛緩の状態を監視するためにＥＡＰ系変形体に接続されるとともに、伸張および弛緩の状態をコントローラへ通信するためにコントローラに接続され、コントローラがパワーエレクトロニクスユニットに接続され、コントローラは、変形体が最小弛緩サイズから最大伸張サイズまで伸張したときに上限電場レベル値を有する電場をコンデンサ上に形成するべく可変コンデンサを充電するように、および、変形体が弛緩中に最小弛緩サイズに達したときにコンデンサを最小充電レベルおよび最小電場レベル値まで放電するように、パワーエレクトロニクスユニットを制御するようになっており、伸張および弛緩の監視状態に基づき、コントローラは、
−変形体の伸張中に充電を始めて、最大伸張サイズに達する前に第１の伸張サイズで充電を開始するとともに、弛緩中に第３の伸張サイズのレベルに至るまで継続するように、および、−変形体の弛緩中に放電を始めて、最小弛緩サイズに達する前に第２の伸張サイズで放電を開始するとともに、伸張中に第４の伸張サイズのレベルに至るまで継続するように、パワーエレクトロニクスユニットを制御する、
システムも提供する。

以下、本発明の例示的な実施形態が示される図面を参照して、本発明を更に詳しく説明する。図面は、専ら例示目的のために意図されており、特許請求の範囲により規定される発明概念を限定しようとするものではない。

以下の図中、同じ参照数字は、それぞれの図において、同様のあるいは同一の構成要素を参照する。

従来技術の能動型ＥＡＰエネルギー変換システムを概略的に示す。 定電場（ＣＦ）サイクル、定電圧（ＣＶ）サイクル、および、定充電（ＣＱ）サイクルを示す、発電機モードのための従来技術のエネルギーハーベスティングサイクルを概略的に示す。 従来技術に係る定電場サイクル中の電力レベルを概略的に示す。 本発明の一実施形態に係るエネルギーハーベスティングサイクルを概略的に示す。 本発明の一実施形態に係るエネルギーハーベスティングサイクルの電力波形を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る能動型ＥＡＰエネルギー変換システムを概略的に示す。

本発明は、エネルギー変換効率が高められる一方でそのようなシステムのコストもかなり低減するようにＥＡＰ系アクチュエータおよび発電機のための新規なエネルギーハーベスティングサイクルを提案する。

電気活性材料は、それらが大きな機械的変形（最大で５００％）を扱うことができることで良く知られているが、多くの実用的用途では、用途の性質（波による励起など）に起因するだけでなく、疲労の影響を制限することにも起因して、変形が制限される。変形中、ＥＡＰ材料は、伸張して、通常は面積サイズおよび厚さを変える。そのような状態において、ＥＡＰデバイスにバイアスをかけるために必要とされるエネルギーの大きさは、ハーベスティングのために実際に利用できるエネルギーよりもかなり大きい場合がある。

従来技術のエネルギーハーベスティングサイクルがサイクルの伸張部分または収縮部分に重点を置くのに対して、本発明は、充電／放電部分（バイアス）部分に焦点を合わせる。この場合、小さい変形サイクルのために、エネルギーの大部分が集中され、最も多くの損失が生じる。そうする傍らで、従来のサイクルは依然として有効であり、したがって、本発明は、従来の定充電サイクル、定電圧サイクル、および、定電場サイクルに対する補強である。

電気活性高分子（ＥＡＰ）を使用する電気機械エネルギー変換は、ＥＡＰ材料中にもたらされる電場との機械的な相互作用に基づく。電場を印加して、ＥＡＰ材料が電場に沿って作動できるようにすることにより、材料が伸張されて、電気エネルギーが機械エネルギーに変換される（アクチュエータモード）。ＥＡＰ材料を収縮させて、電場に抗して作動させることにより、機械エネルギーが電気エネルギーに変換される（発電機モード）。したがって、エネルギー変換のため、ＥＡＰデバイスは、電場をもたらすべく電荷によってバイアスがかけられる必要がある。

一般に、パワーエレクトロニクスユニット（ＰＥＵ）は、初期バイアスをＥＡＰに対して与える。これは、従来のコンデンサ充電／放電用途に非常に類似している。実際のエネルギー変換プロセスのため、本発明は、通常はパワーエレクトロニクスユニットによってＥＡＰデバイスの動作中に電気エネルギーの流れが能動的に制御される能動的な手法に焦点を合わせる。

ＰＥＵは、ハーベスティングサイクル中に、電荷、電圧、または、電場などの電気量を能動的に制御する。図１は、典型的な従来技術の能動型エネルギーハーベスティングシステム１を示す。

エネルギーハーベスティングシステム１は、ＥＡＰ系変形体１０と、パワーエレクトロニクスユニット１２と、監視デバイス１４と、エネルギー蓄積・供給デバイス１６と、コントローラ１８とを備える。

ＥＡＰ系変形体１０は、ＥＡＰ伸縮性合成材料と可変コンデンサとして構成される電極との配列を備える弾性変形体である。コンデンサ構造のキャパシタンスは、変形体が伸張および弛緩するにつれて変化する。

ＥＡＰ系の変形体または弾性変形体１０は、地表水（の層）中に、例えばエネルギーを運ぶ波が生じる海面に配置されてもよい。弾性変形体は、これらの波に晒されることにより変形するように配置される。そのような変形は、一般に周期的であり、波との相互作用によって、伸張中−伸張した状態と、弛緩−ほぼ変形されないあるいは殆ど変形されない状態との両方を成す。

一実施形態において、弾性変形体は、内側電極と外側電極との間に誘電体材料として配置される伸縮性合成材料の層から成る長尺なチューブであってもよい。内側電極と外側電極との間の距離は、伸縮性合成材料の層の厚さによって決定される。

チューブ形状に起因して、水の波がチューブに入ってチューブを通じて伝搬し、その間に同時に、チューブ壁を変形させる膨出が生じる場合がある。結果として、伸縮性合成材料の層の厚さが変化して内側電極と外側電極との間の距離を変える場合があり、それにより、内側電極および外側電極が可変コンデンサとして機能できる。

エネルギーハーベスティングシステム１は、弾性変形体の変形サイクル中に生じるキャパシタンスの変化からエネルギーを収穫できるようにする。

エネルギー蓄積・供給デバイス１６は、パワーエレクトロニクスユニット１２に接続されるとともに、パワーエレクトロニクスユニットからのエネルギーの蓄積およびパワーエレクトロニクスユニットへのエネルギーの供給をそれぞれ行なうようになっている。

パワーエレクトロニクスユニット１２は、伸張中および弛緩中にそれぞれコンデンサを充電および放電することによって内側電極と外側電極との間に電場を形成するためにＥＡＰ系変形体１０の可変コンデンサの内側電極および外側電極に接続される。

監視デバイス１４は、弾性変形体の伸張および弛緩の状態を監視するためにＥＡＰ系変形体１０に接続される。また、監視デバイス１４は、伸張および弛緩の状態をコントローラへ通信するためにコントローラ１８に接続される。

コントローラ１８は、充電および放電がＥＡＰ系変形体１０の変形サイクルと同期されるように制御するべくパワーエレクトロニクスユニット１２に接続される。

所定の変形サイクルに関して、電場が存在する瞬間は、動作のモード、すなわち、アクチュエータモードまたは発電機モードを決定する。変形サイクル中に電場が形成されて制御される方法は、変換され得るエネルギーの量を決定する。これはエネルギーハーベスティングサイクルによって表わされる。現在、ＥＡＰを能動的に充電および放電する従来技術のシステムでは、主に以下の３つの特徴的なサイクルが使用される。
１．定充電（ＣＱ）：変形の両極端で充電／放電する；サイクル中に更なる相互作用はない；
２．定電圧（ＣＶ）：変形の両極端で充電／放電する；収縮中または伸張中に電圧を維持する；
３．定電場（ＣＦ）：変形の両極端で充電／放電する；収縮中または伸張中に電場を一定に維持する。

図２は、電場強度が歪みに対してプロットされるハーベスティングサイクルの図式的概要を与える。歪みは、ここでは、弾性変形体１０のＬ１で示される非変形状態または殆ど変形されない状態と弾性変形体のＬ２で示される最大伸張状態との間の差として規定される。変換されるエネルギーの量が二乗されて電場強度に関連付けられることを知れば、定電場（ＣＦ）方策は、最も多くのエネルギーを変換するサイクル、したがって、エネルギー変換密度に関して最も効率の良いサイクルであると容易に認められる。

変形サイクル中に定電場を維持することにより、歪みの関数としての電場が長方形ループとして表わされる。

ループ内では、低い方のほぼ一定のゼロ値の電場値Ｅｍｉｎが初期非変形状態Ｌ１と最大伸張状態Ｌ２との間に生じる。長方形ループはＥｍｉｎの能動的制御によって生じ得る。

状態Ｌ１から状態Ｌ２まで、コンデンサの内側電極と外側電極との間の距離が減少する。なお、一定の低い方の充電レベルまたは一定の最小電圧レベルを有するループも実現可能である。

最大伸張状態Ｌ２におけるコンデンサの充電に起因して、電場の値がＥｍｉｎからＥｍａｘに変化する。次に、最大伸張状態Ｌ２から最小伸張状態Ｌ１への弛緩中、ＰＥＵによって電場が一定に維持される。なお、状態Ｌ２から状態Ｌ１まで、コンデンサの内側電極と外側電極との間の距離が増大する。

あるいは、定充電（ＣＱ）状態を使用すると、概略曲線ＣＱにより示されるように弛緩中に電場が増大するのが分かる。

定電圧（ＣＶ）状態を使用すると、概略曲線ＣＶにより示されるように弛緩中に電場が減少する。

最後に、非変形状態または最小伸張状態Ｌ１に達すると、ＰＥＵがコンデンサを放電するように制御され、それにより、電場値が減少し、それに応じてコンデンサからエネルギーが解放される。

図２が示すように、従来技術のエネルギーハーベスティングサイクルは、伸張中または収縮中にＰＥＵ１２がＥＡＰデバイス１０と相互に作用する方法に焦点を合わせる。これらの周期中、正味電気機械変換が行なわれる。コンデンサにバイアスをかける（充電する）ためおよびコンデンサのバイアスを解放する（放電）ために、サイクルは特定の方策を表わさず、最大伸張および最小伸張のそれぞれで充電／放電が瞬時に起こると考えられる。

しかしながら、ＥＡＰデバイス１０にバイアスをかけるために必要とされるエネルギーの量は、デバイスから実際に収穫され得るエネルギーの量を容易に超える。したがって、特に低変形サイクルに関して効率的なエネルギーハーベスティングを可能にするためには、伸張／収縮周期に焦点を合わせることと同じ程度にバイアス方策に焦点を合わせることが重要である。この必要性を明らかにするように、機械的変形に応じた正味エネルギー出力が１よりもかなり小さいことが分かってきた。一般に、３０％変形において、正味エネルギー出力は、充電中および放電中に印加されたエネルギーの量のたった５０％にすぎない。

図２に示されるエネルギーハーベスティングサイクルは、以下のように現在のＥＡＰデバイスの経済的で効率的な動作を妨げる。
１．機械的変形が制限される疲れに敏感な用途は、大量のエネルギーがＰＳ１６、ＰＥＵ１２、および、ＥＡＰデバイス１０によって処理されることを要する一方で、僅かな部分だけが正味収穫エネルギーとして残る。これは、パワーエレクトロニクス変換プロセスにおける損失に関する許容範囲を厳しくし、その結果、ＰＥＵに関して非常に高い効率要件および対応するコストがもたらされる。
２．短期間の大きな充電／放電電流パルスに起因して、ＰＥＵの電力定格がＥＡＰデバイスの平均電力出力よりもかなり大きく、それにより、従来の（大規模）電気機械変換システムと張り合うことが経済的に非常に難しくなる。

図３は、従来技術の定電場サイクル中の電力レベルの典型例を示す。実線は瞬時電力を示し、一点鎖線は平均電力を示し、また、破線は所要コンバータ定格を示す。

１／８Ｈｚで４０％変形を受ける図示の定電場サイクルは、定電場周期中に大きい充電（放電）ピークＰ１，Ｐ２と小さい電力レベルＰ３とを示す。この特定のサイクルに関して、ＰＥＵが定格付けられるべき最大電力レベルＰＭとＥＡＰデバイスから収穫される正味電力との間の比率は４３である。

不都合なほどに、そのような従来技術の定電場での（または、定電圧あるいは定充電における）変形サイクルでは、パルス電力がＰＥＵ構成要素も熱的にサイクルさせ、それにより、それらの構成要素の寿命が減少する。１２．２ｋＷの理論電力から、有限の電流振幅を伴うこの特定のハーベスティングサイクルは、ＰＥＵの効率が１００％であると仮定して、１１．６ｋＷ（９５％）を収穫する。

変換効率を向上させるとともに、ＰＥＵの電力定格およびコストを減らすために、本発明は、より小さな充電／放電パルスによって充電時間および放電時間を増大させるエネルギーハーベスティングサイクルを提案する。好適には、これは、限られた電極導電率に起因して、電力定格の減少と、比較的僅かな材料損失とをもたらす。

更なる実施形態において、本発明は、これらの周期中にＰＥＵの瞬時電力が一定であるように制御される充電／放電電流を与える。好適には、これは、電力定格を更に一層減少させる。

更なる他の実施形態において、本発明は、残留充電レベルまたは最小電場強度が維持されるようにする。すなわち、完全に放電させないことによって、各サイクルにバイアスをかけるために必要とされるエネルギーの量を減少させ、それにより、好適には、電流レベルおよび電力レベルを更に減少させる。

また、コントローラは、充電時間、放電時間、充電／放電時間比率、電流形状、および、残留充電レベルを含むパラメータのうちの１つ以上を制御することによって任意の恣意的なあるいは受動的なハーベスティングサイクルを実質的にエミュレートするようになっていてもよい。

本発明の一実施形態に係るハーベスティングサイクルの一例が図４に示される。

図４は、電場強度が歪みに対してプロットされる、本発明の一実施形態に係るハーベスティングサイクルの図式的概要を与える。図４では、先行する図に示されるのと同じ参照数字を伴う実体が、対応する実体を示す。

従来技術の方法に係るハーベスティングサイクルが破線ループＣＦによって描かれる。このサイクルについては図２に関連して説明した。

実線ループは、本発明の一実施形態に係るハーベスティングサイクルを描く。

弾性変形体１０は、最小伸張状態Ｌ１と最大伸張状態Ｌ２との間の変形サイクルに晒される。最小伸張状態または非変形状態Ｌ１から始まって、本発明の方法は、弾性変形体が既に伸張しているが、最小弛緩サイズＬ１を上回る所定の伸張レベルＲ６の伸張サイズＬ６のレベルにほぼ至るまで伸張中に放電が続くようにする。

次に、充電が変形体の伸張中に既に始まり、この充電は、最大伸張サイズＬ２に達する前に第１の所定の伸張レベルＲ３の第１の伸張サイズＬ３で開始されて、最大伸張レベルＬ２に達した後、弛緩中に、最大伸張サイズＬ２を下回る第３の所定の伸張レベルＲ５の第３の伸張サイズＬ５のレベルに至るまで継続する。この第３の伸張サイズＬ５は、第１の伸張サイズＬ３に等しくてもよくあるいは等しくなくてもよい。充電パルスは、最大伸張レベルに対して非対称的に配置されてもよい。僅かに早い充電および僅かに遅い放電がより高いエネルギー出力をもたらす場合がある。

その後、変形体の弛緩中、最小伸張（または弛緩）サイズＬ１に達する前に、放電が既に始まり、この放電は、第２の所定の伸張レベルＲ４の第２の伸張サイズＬ４で開始されて、伸張中に、最小伸張状態Ｌ１を上回る（第４の）伸張サイズＬ６のレベルにほぼ至るまで継続する。

この第４の伸張サイズＬ６は、第２の伸張サイズＬ４に等しくてもよくあるいは等しくなくてもよい。放電パルスは、最小伸張レベルに対して非対称的に配置されてもよい。非対称な充電および放電がより高いエネルギー出力をもたらす場合がある。

このサイクルでは、伸張レベルＬ２＞第１の伸張レベルＬ３＞第２の伸張レベルＬ４＞最小伸張レベルＬ１である。

変換ループ上のＲ３（およびＲ５）およびＲ４（およびＲ６）の正確な値は、材料パラメータと励起特性とに依存する。確率的性質（海洋波など）を有する励起を伴う用途では、コントローラがＲ３およびＲ４をこれらの状態に適合させるようになっている。

一実施形態において、第１の伸張レベルＬ３は、Ｌ１からＬ２までのスケールで約８０％である。すなわち、Ｒ３＝（Ｌ３−Ｌ１）／（Ｌ２−Ｌ１）≒０．８である。別の実施形態では、Ｒ３が約９０％であるが、他のレベルも実現可能である。

更なる実施形態において、第２の伸張レベルＬ４は、Ｌ１からＬ２までのスケールで約２０％である。すなわち、Ｒ４＝（Ｌ４−Ｌ１）／（Ｌ２−Ｌ１）≒０．２である。別の実施形態では、Ｒ４が約１０％であるが、他のレベルも実現可能である。

また、この実施形態において、方法は、ゼロ電場に対応してもよい最小電場値に達する前に電場レベルＥｌｏｗで放電が停止されるようにする（ゼロよりも低い電場レベルは、エネルギーハーベスティング原理に悪影響を及ぼす正味のエネルギー入力を必要とする）。このサイクルでは、Ｅｍａｘ＞Ｅｌｏｗ＞Ｅｍｉｎ＞＝０である。

また、一実施形態において、方法は、変形サイクル中に一定の電力が維持されるようにする。すなわち、一定の電力で、コンバータ（ＰＥＵ１２）がサイクルのより大きな周期にわたって動作している。これは、動作を更に連続的にするとともに、コンバータ利用を増大させる。更に、ＰＥＵの定電力動作は、例えばスイッチング損失が実際の出力電力に密に関連付けられる多くのハード切り換え型ＰＥＵの場合のように、その効率の最適化を更に容易にする。より効率的なＰＥＵは、特に低変形用途において、ＥＡＰ変換効率をかなり高めることができる。

図５は、エネルギーハーベスティングサイクルの定電力波形を概略的に示す。

実線は瞬時電力を示し、一点鎖線は平均電力を示し、また、破線は所要コンバータ定格を示す。

図３に示される従来技術の方法の場合と同様に１／８Ｈｚで４０％変形を受ける図示の定電場サイクルは、従来技術と比べると、比較的長い継続時間にわたって延びる比較的低い充電（放電）ピークＰ４，Ｐ５を示す。定電場周期中の電力レベルＰ６は相対的に大きい。

図５に示されるエネルギーハーベスティングサイクルでは、充電および放電の両方が一定の比較的低い電力レベルで起こる。定電場周期に関連する電力は充電／放電電力により一層比例し、そのため、パワーエレクトロニクス構成要素のための要件が緩和されるとともに、コストが低減され得る。定格電力と正味の収穫された電力との間の比率は、従来技術のエネルギーハーベスティングサイクルと比べて６倍減少され、一方、変換効率は９５％から８３％に降下する。

図６は、本発明の一実施形態に係る能動型ＥＡＰエネルギー変換システム５０を概略的に示す。図６では、先行する図に示されるのと同じ参照数字を伴う実体が、対応する実体を示す。

ＥＡＰ系アクチュエータ／発電機システム５０は、ＥＡＰ系変形体１０と相互に作用するためにバック／ブーストコンバータ１２（ＰＥＵ１２）により使用されるＤＣバス１７を形成する、整流器またはインバータ１６によって接続される配電網１００である。リアルタイムコントローラ２２は、ＰＥＵ１２のための基準電流ＲＥＦを生成することによってＥＡＰ系変形体１０の動作状態を制御する。監視デバイス２０は、変形およびその周期と関連付けられるパラメータＳを決定するようになっている。また、監視デバイスは、伸縮性合成材料および／または電極として使用される電気活性材料と関連付けられる更なる材料パラメータを決定するようになっている。

本発明によれば、コントローラは、変形体が最小弛緩サイズから最大伸張サイズＬ２まで伸張したときに上限電場レベル値を有する電場をコンデンサ上に形成するべく可変コンデンサを充電するように、および、変形体が弛緩中に最小弛緩サイズＬ１に達したときにコンデンサを最小充電レベルおよび最小電場レベル値まで放電するように、基準信号ＲＥＦを使用してパワーエレクトロニクスユニットを制御するようになっている。伸張および弛緩の監視状態Ｓに基づき、コントローラは、変形体の伸張中に充電を始めて、最大伸張サイズＬ２に達する前に第１の伸張サイズＬ３で充電を開始するとともに、弛緩中に第３の伸張サイズＬ５のレベルに至るまで継続するように、および、変形体の弛緩中に放電を始めて、最小弛緩サイズＬ１に達する前に第２の伸張サイズＬ４で放電を開始するとともに、伸張中に第４の伸張サイズＬ６のレベルに至るまで継続するように、パワーエレクトロニクスユニットを制御する。

一実施形態において、コントローラ２２は、一定の供給／送出電力の状態下で可変コンデンサが充電／放電される定電力モードでパワーエレクトロニクスユニットを動作させるようになっている。

また、コントローラは、入力信号Ｍに基づいて定電場（ＣＦ）モード、定充電（ＣＱ）モード、または、定電圧（ＣＶ）モードのいずれかで動作するようにパワーエレクトロニクスユニット１２を制御するようになっている。

また、一実施形態において、コントローラは、パワーエレクトロニクスユニット１２の効率を含む動作パラメータおよびＥＡＰ系変形体の材料パラメータ（特に、可変コンデンサ１０の直列抵抗および並列抵抗）の検出に基づき、それぞれの第１、第３の伸張レベルＬ３，Ｌ５と第２、第４の伸張レベルＬ４，Ｌ６のそれぞれとにおける充電および放電のタイミングをリアルタイムモードで適合させるようになっている。

また、コントローラは、検出された動作パラメータに基づき、充電パルスの幅、放電パルスの幅、電流レベルおよび残留電荷、電場レベル、電圧レベル、または、充電レベルの設定を適合させてもよい。

更に、コントローラは、最適化スキームまたは最適化アルゴリズムを使用して、適合された設定を決定するようになっていてもよい。

好ましい実施形態に関連して本発明を説明してきた。先の詳細な説明を読んで理解すると、自明な変更および代替が想起される。そのような変更および代替が添付の特許請求の範囲内に入る限りにおいて、本発明がそのような変更および代替の全てを含むように解釈されることが意図される。

Claims (24)

1. ＥＡＰ系の変形体を使用してエネルギーを収穫するための方法であって、前記ＥＡＰ系の変形体が、伸縮性合成材料と、前記変形体が伸張および弛緩するにつれて変化するキャパシタンスを有する可変コンデンサとして構成される電極との配列を備える弾性変形体であり、前記方法が、
   エネルギーハーベスティングのサイクルを繰り返すステップを備え、前記サイクルが、
   ａ）前記変形体を最小弛緩サイズＬ１から最大伸張サイズＬ２まで伸張させるステップと、
   ｂ）前記最大伸張サイズで、上限電場レベル値を有する電場を前記可変コンデンサ上に形成するために前記可変コンデンサを充電するステップと、その後に、
   ｃ）前記最大伸張サイズから前記最小弛緩サイズへの弛緩ステップと、
   ｄ）前記変形体の前記最小弛緩サイズで、前記可変コンデンサを最小充電レベルおよび最小電場レベル値まで放電するステップと、
   を伴い、
   前記充電が、前記変形体の伸張中に始まって、前記最大伸張サイズＬ２に達する前に第１の伸張サイズＬ３で開始されるとともに、最大に達した後の弛緩中に第３の伸張サイズＬ５のレベルに至るまで継続し、前記放電が、前記変形体の弛緩中に始まって、前記最小弛緩サイズＬ１に達する前に第２の伸張サイズＬ４で開始されるとともに、最小に達した後の伸張中に第４の伸張サイズＬ６のレベルに至るまで継続する、方法。
2. 前記放電が、ゼロ電場レベル値よりも大きい電場レベル値で停止される、請求項１に記載の方法。
3. 前記可変コンデンサが、放電後の前記最小充電レベルよりも大きい正味残留電荷レベルを有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記放電が、最小電圧レベル値よりも大きい電圧レベル値で停止されるか、または、前記放電が、最小充電レベル値よりも大きい充電レベル値で停止される、請求項１に記載の方法。
5. 前記可変コンデンサが、放電後の最小電圧レベルよりも大きい正味残留電圧レベルを有する、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記充電が、前記可変コンデンサへ供給される一定電力の状態下で行なわれる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記放電が、前記可変コンデンサによって送出される一定電力の状態下で行なわれる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記充電がＤＣ電源を使用して行なわれる、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記方法が、前記最大伸張サイズから前記最小弛緩サイズへの前記弛緩ステップ中に前記上限電場レベル値をほぼ一定に維持するステップを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記方法が、前記最大伸張サイズから前記最小弛緩サイズへの前記弛緩ステップ中に略一定の充電または略一定の電圧のいずれかを維持するステップを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記最大伸張サイズＬ２に達する前の前記第１の伸張サイズＬ３における第１の所定の伸張レベルＲ３が少なくとも８０％または少なくとも９０％の相対伸張に等しく、Ｒ３＝１００×（Ｌ３−Ｌ１）／（Ｌ２−Ｌ１）である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記最小伸張サイズＬ１に達する前の前記第２の伸張サイズＬ４における第２の所定の伸張レベルＲ４が少なくとも２０％未満または少なくとも１０％未満の相対伸張に等しく、Ｒ４＝１００×（Ｌ４−Ｌ１）／（Ｌ２−Ｌ１）である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
13. ＥＡＰ系の変形体を使用してエネルギーを収穫するためのシステムであって、ＥＡＰ系の変形体と、パワーエレクトロニクスユニットと、監視デバイスと、エネルギー蓄積・供給デバイスと、コントローラとを備え、
    前記ＥＡＰ系の変形体が、伸縮性合成材料と、前記変形体が伸張および弛緩するにつれて変化するキャパシタンスを有する可変コンデンサとして構成される電極との配列を備える弾性変形体であり、前記エネルギー蓄積・供給デバイスが、前記パワーエレクトロニクスユニットに接続されるとともに、前記パワーエレクトロニクスユニットからのエネルギーの蓄積および前記パワーエレクトロニクスユニットへのエネルギーの供給をそれぞれ行なうようになっており、前記パワーエレクトロニクスユニットが、伸張中および弛緩中にそれぞれ前記可変コンデンサを充電および放電するために前記ＥＡＰ系の変形体の前記可変コンデンサに接続され、前記監視デバイスが、前記変形体の伸張および弛緩の状態を監視するために前記ＥＡＰ系の変形体に接続されるとともに、伸張および弛緩の状態を前記コントローラへ通信するために前記コントローラに接続され、前記コントローラが前記パワーエレクトロニクスユニットに接続され、
    前記コントローラが、
    前記変形体が最小弛緩サイズから最大伸張サイズＬ２まで伸張したときに上限電場レベル値を有する電場を前記可変コンデンサ上に形成するべく前記可変コンデンサを充電するように、および、前記変形体が弛緩中に最小弛緩サイズＬ１に達したときに前記可変コンデンサを最小充電レベルおよび最小電場レベル値まで放電するように、
    前記パワーエレクトロニクスユニットを制御するようになっており、
    伸張および弛緩の監視状態に基づき、前記コントローラが、
    前記変形体の伸張中に前記充電を始めて、前記最大伸張サイズＬ２に達する前に第１の伸張サイズＬ３で前記充電を開始するとともに、最大に達した後の弛緩中に第３の伸張サイズＬ５のレベルに至るまで継続するように、および、
    前記変形体の弛緩中に前記放電を始めて、前記最小弛緩サイズＬ１に達する前に第２の伸張サイズＬ４で前記放電を開始するとともに、伸張中に第４の伸張サイズＬ６のレベルに至るまで継続するように、
    前記パワーエレクトロニクスユニットを制御する、
    システム。
14. 伸張および弛緩の前記監視状態に基づき、前記コントローラが、前記最小電場レベル値よりも大きい電場レベル値で前記放電を停止するように前記パワーエレクトロニクスユニットを制御する、請求項１３に記載のシステム。
15. 伸張および弛緩の前記監視状態に基づき、前記コントローラが、最小電圧レベル値よりも大きい電圧レベル値でまたは最小充電レベル値よりも大きい充電レベル値で前記放電を停止するように前記パワーエレクトロニクスユニットを制御する、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記可変コンデンサが、放電後の前記最小充電レベルよりも大きい正味残留充電レベルを有する、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記可変コンデンサが、放電後の最小電圧レベルよりも大きい正味残留電圧レベルを有する、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記コントローラが、前記可変コンデンサへ供給される一定電力の状態下で前記充電を行なうように前記パワーエレクトロニクスユニットを制御する、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記コントローラが、前記可変コンデンサによって送出される一定電力の状態下で前記放電を行なうように前記パワーエレクトロニクスユニットを制御する、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載のシステム。
20. 前記エネルギー蓄積・供給デバイスがＤＣ電源である、請求項１３〜１９のいずれか一項に記載のシステム。
21. 前記コントローラが、前記最大伸張サイズから前記最小弛緩サイズへの前記弛緩ステップ中に前記上限電場レベル値をほぼ一定に維持するように前記パワーエレクトロニクスユニットを制御する、請求項１３〜２０のいずれか一項に記載のシステム。
22. 前記コントローラが、前記最大伸張サイズから前記最小弛緩サイズへの弛緩ステップ中に略一定の充電または略一定の電圧のいずれかを維持するように前記パワーエレクトロニクスユニットを制御する、請求項１３〜２０のいずれか一項に記載のシステム。
23. 前記監視デバイスが、前記第１および第２の所定の伸張レベルのうちのいずれか一方に達する時期を監視するようになっている、請求項１３〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
24. 前記システムが、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法を行なうようになっている、請求項１３〜２３のいずれか一項に記載のシステム。

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