JP5753536B2 - 水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取得する方法 - Google Patents

Description

本発明は、水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取得する方法に関する。この方法では、水波の作用下で膨張可能な電気活性ポリマーを備える装置を水中に配置する。電気活性ポリマーが拡張すると、電気負荷、電圧または電界強度が、所定時間に、所定期間にわたって印加される。このような電気負荷は、残留負荷は別として、ポリマーの緩和により除去される。また、この方法を実施するために必要な、目標電気負荷ならびに電気活性ポリマーへの負荷印加および無負荷の開始時間および終了時間のパラメータを求める。

電気活性ポリマー発電機（ＥＡＰジェネレーター）による水波からのエネルギー・ハーベスティングは、波のポテンシャルエネルギー（位置エネルギー）を第１段階でＥＡＰジェネレーターの膨張に変換し、最終的には、エネルギー・ハーベスティング・サイクル（ＥＨＣ）を用いて電気エネルギーに変換するという原理に基づくものである。

電気機械変換器の例が、WO2001/06575A1に記載されている。この特許出願は、変換器、その使用、およびその製造に関するものである。機械エネルギーを電気エネルギーに変換するこのような変換器は、少なくとも２つの電極とポリマーとを備える。ポリマーは、その第１部分の長さの変化に応じて電界が変化するように構成される。ポリマーの第２部分には弾性バイアスがかけられる。

WO2007/130252A2は、１つ以上の波に元来含まれる機械エネルギーを変換するためのＥＡＰ変換器を用いるシステムおよび方法を開示する。海用の装置は、機械エネルギー変換システムを用いて、ＥＡＰ変換器での作用に適した機械エネルギーを伝達する。このような海用装置の本体は、装置を水に浮かべた時に、水面上に本体の一部が配置されるように構成される。装置は、さらに、水位の変化による機械エネルギーを、システムが制御可能な機械エネルギーに伝達するシステムを備える。ＥＡＰ変換器が、機械エネルギーを伝達するシステムの一部に連結され、機械エネルギーを伝達するシステムにおいて調整された機械エネルギーから電気エネルギーを発生させるように構成される。ＥＡＰ変換器は、電気活性ポリマーと、電気活性ポリマーに連結される少なくとも２つの電極と、を備える。

機械的に適切な構成に加えて、エネルギー・ハーベスティング・サイクルを最適化することにより、ＥＡＰジェネレーターのエネルギー効率を増大することが可能となる。この場合、負荷／無負荷動作における制御または調整が、重要なファクターとなる。

理論的な観点から言えば、ＥＡＰジェネレーターの変換効率を最適化するためには、以下のサイクルが望ましい。このサイクルを理論的限界サイクルと称する。
第１段階：外部からの力の印加に伴い、ＥＡＰジェネレーターが膨張する。この力は、たとえば、波の動きにみられるようなポテンシャルエネルギーの変化により生成される。
第２段階：ＥＡＰジェネレーターの最大膨張時に、２つの可撓性電極間にポリマーを配置した構成に電気負荷を印加する。この構成は、電気的観点からは、可変容量のコンデンサとして作用し、電気的破壊強度に到達するまで負荷が印加される。
第３段階：外部から作用している力が減少すると、ポリマーで働く弾性回復力によりＥＡＰが緩和する。この工程の間に、ＥＡＰジェネレーターに電気エネルギーが蓄積されていく。この段階が、機械エネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換工程である。
第４段階：ポリマー内での弾性回復力の量が、負荷が印加されているコンデンサの静電圧により発生する逆方向の力の量と等しくなると、ＥＡＰはそれ以上収縮せず、構成は無負荷状態にされる。この工程の後、ＥＡＰは、静電圧の減少に伴い、再び、最初の長さに戻る。

実用的観点から言えば、上述の理論的サイクルは、おおよその段階を示したに過ぎない。理論的に望ましい電気的破壊強度における動作は、実際には、構成の損傷につながる可能性がある。このため、印加される電界強度は、エネルギー・ハーベスティング・サイクル全体にわたって、電気的破壊強度よりも小さくなければならない。ただし、選択可能な電界強度が強ければ強いほど、ＥＡＰジェネレーターのエネルギー・ハーベスト率も高くなる。

さらに、一定の負荷を印加する代わりに、一定の電圧または一定の電界をＥＡＰジェネレーターに供給するように、ＥＡＰジェネレーターのサイクルの第３段階を構成するようにしてもよい。

できるだけ多くの電気エネルギーを取得するためには、印加される負荷、電圧または電界強度を、できるだけ破壊強度に近くする必要がある。ただし、波の振幅が変化する場合には、印加される負荷を固定値にすることは望ましくない。波の高さが小さければ、電気活性ポリマーの膨張も小さくなり、ポリマーの負荷も最適な状態にはならない。実際の動作時には、ポリマーの負荷電流が無限に高くなるわけではなく、したがって、負荷時間も無限に小さくなるわけではない、ということを考慮する必要がある。実際、所定の期間にわたって、負荷がポリマーに伝達される。同じことが、ポリマーが無負荷状態にされる際にも言える。エネルギー・ハーベストを最適化する際には、これらの期間の開始、終了および持続時間を考慮しなければならない。

実際に実施可能なエネルギー・ハーベスティング・サイクルを最適なサイクルにできるだけ近づけることが望まれている。このためには、負荷／無負荷動作を実行するための制御または調整が必要になる。このような制御／調整構造の概要を、一定負荷に関しては図４に、一定電圧に関しては図５に、また、一定電界に関しては図６に示す。

本発明の一態様は、一定の負荷で、水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取得する方法であって、
装置の一部が水面上に配置されるように構成される装置を水中に設置する工程であって、前記装置は電極間に配置される電気活性ポリマーを備え、水位の変化による機械エネルギーが前記装置内で前記電気活性ポリマーに伝達される、工程と、
伝搬速度ｃと波長λとを有する水波の機械的作用の結果として、前記電気活性ポリマーを最小膨張量ε_minから最大膨張量ε_maxまで膨張させる工程であって、前記電気活性ポリマーの膨張時に、時間ｔ₁から時間ｔ_loadまでの期間Δｔ_loadにわたって、前記電気活性ポリマーの電気的破壊強度Ｅ_maxを超えない目標電気負荷Ｑ^* _loadが前記活性ポリマーに印加される、工程と、
前記水波の機械的作用の減少の結果として、前記膨張した電気活性ポリマーを最大膨張量ε_maxから最小膨張量ε_minまで緩和させる工程であって、前記電気活性ポリマーの緩和時に、時間ｔ₂から時間ｔ_unloadまでの期間Δｔ_unloadにわたって、残留負荷Ｑ₀まで、前記電気活性ポリマーが無負荷状態にされる、工程と、を備え、
前記目標電気負荷を算出するために必要な前記最大膨張量ε_maxの数値は、
水波の最大波高ｈ_maxを概算して、
割り当て規則に基づいて最大波高ｈ_maxを最大膨張量ε_maxに相関させることにより、
予め推定される。

本発明の別の態様は、一定の電圧で、水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取得する方法であって、
装置の一部が水面上に配置されるように構成される装置を水中に設置する工程であって、前記装置は電極間に配置される電気活性ポリマーを備え、水位の変化による機械エネルギーが前記装置内で前記電気活性ポリマーに伝達される、工程と、
伝搬速度ｃと波長λとを有する水波の機械的作用の結果として、前記電気活性ポリマーを最小膨張量ε_minから最大膨張量ε_maxまで膨張させる工程であって、前記電気活性ポリマーの膨張時に、時間ｔ₁から時間ｔ_loadまでの期間Δｔ_loadにわたって、前記電気活性ポリマーの電気的破壊強度Ｅ_maxを超えない電圧ν_EAPが前記活性ポリマーに印加される、工程と、
前記水波の機械的作用の減少の結果として、前記膨張した電気活性ポリマーを最大膨張量ε_maxから最小膨張量ε_minまで緩和させる工程であって、前記電気活性ポリマーの緩和時に、電圧ν_EAPは一定に保持され、時間ｔ₂から時間ｔ_unloadまでの期間Δｔ_unloadにわたって、残留負荷Ｑ₀まで、前記電気活性ポリマーが無負荷状態にされる、工程と、を備え、
前記目標電圧を算出するために必要な前記最大膨張量ε_maxの数値は、
水波の最大波高ｈ_maxを概算して、
割り当て規則に基づいて最大波高ｈ_maxを最大膨張量ε_maxに相関させることにより、
予め推定される。

本発明のまた別の態様は、一定の電界で、水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取得する方法であって、
装置の一部が水面上に配置されるように構成される装置を水中に設置する工程であって、前記装置は電極間に配置される電気活性ポリマーを備え、水位の変化による機械エネルギーが前記装置内で前記電気活性ポリマーに伝達される、工程と、
伝搬速度ｃと波長λとを有する水波の機械的作用の結果として、前記電気活性ポリマーを最小膨張量ε_minから最大膨張量ε_maxまで膨張させる工程であって、前記電気活性ポリマーの膨張時に、時間ｔ₁から時間ｔ_loadまでの期間Δｔ_loadにわたって、前記電気活性ポリマーの電気的破壊強度Ｅ_maxを超えない電圧ν_EAPが前記活性ポリマーに印加される、工程と、
前記水波の機械的作用の減少の結果として、前記膨張した電気活性ポリマーを最大膨張量ε_maxから最小膨張量ε_minまで緩和させる工程であって、前記電気活性ポリマーの緩和時に、電界強度Ｅ_max＝ν_EAP（ｔ）・ｚ（ｔ）が一定に保持され、時間ｔ₂から時間ｔ_unloadまでの期間Δｔ_unloadにわたって、残留負荷Ｑ₀まで、前記電気活性ポリマーが無負荷状態にされる、工程と、を備え、
前記電界強度を継続的に更新するために必要な数値をプレート間隔ｚ（ｔ）から推定する。

本発明の範囲内の電気活性ポリマー（ＥＡＰ）は、電圧の印加により形状を変化させるポリマー、特に誘電エラストマーである。特に好適な材料は、誘電ポリウレタンエラストマーである。電気活性ポリマーを、同様に膨張可能な２つ以上の電極に接続する。本発明の方法は海で実施することが望ましく、この場合には、装置を水中に設置する。この装置を、一般的に、電気機械変換器としてもよい。

本発明の方法において、たとえば、電源電子機器や負荷電子機器等の適当なユニットを介して、電気負荷、電圧または電界強度を膨張した電気活性ポリマーに印加する。電気活性ポリマーの緩和または解放時には、電気エネルギーが取得される結果として、無負荷状態にされる、または、電圧もしくは電界強度が一定に保持される。

最大可能な目標電気負荷Ｑ^* _loadまたは電圧ν_EAPもしくは電界強度Ｅを算出するためには、以下で詳述するように、最大膨張量ε_maxの値が必要となる。目標負荷の印加終了時間ｔ_loadは、最大膨張量ε_maxと一致し、従って、最大波高と一致するため、目標負荷の印加開始時間ｔ₁は、最大波高より前でなければならない。同じことが、ポリマーの無負荷時にも言える。したがって、最大波高がいつ電気機械変換器に到達するか、また、最大波高はどのくらいの高さになるか、を予測する必要がある。

本発明の方法において、次の波に対する最大波高の予測値を最初に推定する。これに関しても、以下で詳述する。最大波高ｈ_maxに相関させることによって、必要な最大膨張量ε_maxの数値が得られる。割り当て規則は、たとえば、膨張量を電気機械変換器の各偏差に割り当てるように構成される、経験的に求められた相関テーブルでもよい。また、規則は、特定の変換器構造の数学的記述、すなわち、モデル概念でもよい。さらに、電気活性ポリマーの測定データに基づくものでもよい。

本発明の方法において求められる電気活性ポリマーの負荷時間および無負荷時間を、内部時間測定と相関させて、絶対尺度でのポリマー制御を可能にするようにしてもよい。また、長波により送信される原子時計の信号等、外部時間信号を用いることもできる。

一般的に言えば、本発明の方法は、波高の経時変化に対応することができ、変化する条件下でも最適なエネルギー・ハーベスティングに近い状態で働くことができるという利点がある。

以下、添付の図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

波形とＥＡＰの負荷電流および無負荷電流とを重ねて示す図。 本発明の方法に従う演算を示すフロー図（一定負荷条件）。 本発明のシステムのブロック図（一定負荷条件）。

理解しやすいように、水波の理論を最初に説明する。水波に関しては、浅水波と深水波との間で根本的な違いがある。浅水波は、岸壁の近くで、または、浅い水深ｄで、生じ、その波長は水深と比べて著しく大きく、λ＞＞ｄである。一方、深水波は、外海で生じ、λ＜＜ｄであり、エネルギー・ハーベスティングに特に適している。

一般に、海では、深水波は、正弦波的に伝搬し、その周波数および伝搬速度は非常にゆっくりと変化する。波の高さは、レイリー分布に従い、大きな波高はほとんど生じない。もっと小さな振幅が生じる確率が最も高い。

ＥＡＰジェネレーターの負荷サイクルを制御する際には、深水波の基本波（横波）のみを考慮に入れる必要がある。これを、波長λ、水深ｄ、位置依存および時間依存波高ｈ（ｘ，ｔ）およびその最大波高ｈ_max、ならびに伝搬速度ｃを用いて記述する。波高は、以下の式（１）で表わされる。

全波長λに基づき、面積Ａにおける運動エネルギーは、以下の式（２）で表わされる。

また、全波長λに基づき、面積Ａにおけるポテンシャルエネルギー（位置エネルギー）は、以下の式（３）で表わされる。

ＥＡＰジェネレーターの膨張に用いられる面積Ａにおけるポテンシャルエネルギーは、最大波高ｈ_maxと、重力ｇによる加速度と、水の密度ρとに依存する。

式（２）の運動エネルギーと比べて、面積に関係するポテンシャルエネルギーは、波高のみに応じて変化するため、波の伝搬速度ｃは、最終的には平衡により求められる。

式（４）によれば、波の伝搬速度は、重力ｇによる加速度と水深ｄの関数に過ぎない。（ＥＡＰジェネレーターの定位置において）水深は潮汐によりわずかに変化するに過ぎないため、伝搬速度はほぼ一定である。

水波の理論に基づいて、深水波が正弦波的に伝搬すると仮定した場合のエネルギー・ハーベスティング・サイクルの最適化を以下に説明する。ここで、最適な負荷および無負荷サイクルを時間の観点から求め、各場合において境界条件を考慮して印加するべき最大負荷量または最大電圧を求めることを目的とする。

負荷電流は電子機器による制限を受け、また、ＥＡＰジェネレーターへの負荷時間は有限であるため、最適な負荷および無負荷サイクルを求めることは、最適な負荷／無負荷期間を検出することを意味する。サイクル内で生じるＥＡＰの最大膨張を考慮して、いかなる時点でもポリマーの電気的破壊強度Ｅ_maxを超えない一方で、最大エネルギー・ハーベスティングを達成するように、ＥＡＰの容量を用いて電圧に関連付けられる伝達負荷量を予め求める。

エネルギー・ハーベスティング・サイクルの最適化に際しては、極値計算の２つの基準、すなわち、機械エネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換の最大化および電気損失および機械損失の最小化、を考慮にいれる必要がある。

一定の負荷でエネルギー・ハーベスティングを最大にする最適化条件をまず一般的に推定する。

時間ｔ₁において、負荷期間Δｔ_load＝ｔ_load−ｔ₁にわたって、負荷電流ｉ_load（ｔ）で、予め決めた目標負荷Ｑ^* _loadまでＥＡＰに負荷を印加する場合、時間依存負荷量は、以下のように表わされる。

Ｑ^* _loadが規定され、Ｑ^* _loadが既知であれば、負荷期間Δｔ_load＝ｔ_load−ｔ₁を式（５）から求めることができる。無負荷期間も同様に求めることができる。

ＥＡＰジェネレーターの容量Ｃは膨張量εのみに依存し、膨張量εは、水波の位置と時間の関数であるが、ＥＡＰ電圧ｕ_EAPの関数ではない。

一般に、負荷サイクルの終了後にＥＡＰジェネレーターに印加されるエネルギーは以下の通りである。

また、無負荷サイクルの終了後にＥＡＰジェネレーターから除去されるエネルギーは以下の通りである。

結果としてエネルギー・ハーベストは以下のようになる。

このエネルギー・ハーベストの一般式から、極値問題を解くことにより、最適な開始点ｔ₁およびｔ₂を求めることができる。

エネルギー・ハーベストは２つの変数に依存するため、変数ｔ₁およびｔ₂の偏導関数が両方ともゼロの場合にのみ極値が生じる。

式（１０）を解くことにより、式（１０）の面積関数の極値である数値対が求められる。また、二次導関数を用いて、極値が最小値か、最大値か、または、鞍点かを決めることができる。

ｔ₁およびｔ₂の２つの混合導関数が同じ結果を与える場合、ｔ₁およびｔ₂の２つの二次導関数が負であれば最大値に、２つの二次導関数が正であれば最小値に、また、２つの二次導関数の符号が異なれば鞍点になる。

２つの混合導関数の結果に関わらず、いずれの極値が存在するかを一般的にヘッセ行列を用いて求めることができる。

行列Ｈが正定値行列の場合には極小値が存在し、行列Ｈが負定値行列の場合には極大値が存在し、また行列Ｈが不定値行列の場合には極値が存在しない。さらに、行列Ｈが非負／非正定値行列の場合には、数学の一般的な教科書に詳細に記載されているように、さらに検証する必要がある。

本発明の方法の一実施形態において、時間ｔ_１はｔ_１＝（λ／（４・ｃ））−Δｔ_ｌｏａｄに従って計算され、時間ｔ_２はｔ_２＝３・（λ／（４・ｃ））に従って計算される。さらに、時間ｔ_ｌｏａｄにおける電気活性ポリマーの膨張量を最大膨張量ε_ｍａｘであると仮定し、時間ｔ_{ｕｎｌｏａｄ}における電気活性ポリマーの膨張量を最小膨張量ε_ｍｉｎであると仮定する。

水波が正弦波的に伝搬すると仮定した場合、ポリマーの理想弾性比を用いて、ＥＡＰジェネレーターの膨張量εもほぼ正弦波的に変化すると予測される。ＥＡＰジェネレーターの容量は、膨張量の増大とともに、狭義単調増加し、緩和時に狭義単調減少し、第一近似として、正弦波パターンで近似できる。したがって、最大膨張量ε_maxで最大容量Ｃ_maxになり、最小膨張量ε_minで最小容量Ｃ_minになる。

以下の式で表わすように、ＥＡＰジェネレーターの容量がＥＡＰジェネレーターの膨張量εに比例して連続的に変化すると仮定し、

さらに、以下の式で表わすように、負荷電流および無負荷電流が、電流限界値Ｉ_maxのために段階的な形状となると仮定すると、

以下の式で示す開始時間に開始された負荷処理が最大振幅の膨張量で終了する場合であり、

かつ、以下の式で表わすように、無負荷処理が最小振幅の膨張量で開始される場合に、

式（９）〜（１２）に従って最大エネルギー・ハーベストを正確に求めることができる。
期間Ｔｐ＝λ／ｃ後に、負荷処理および無負荷処理を繰り返す。この関係を図１に示す。

図１に、水波１００の形状を、電気活性ポリマーの負荷電流および無負荷電流１１０と重ねて概略的に示す。ポリマーの負荷は、時間ｔ₁で開始され、最大波高に対応する時間ｔ_loadで終了する。この負荷期間を１２０で示す。最小波高に対応する時間ｔ２からｔ_unloadまでの期間、ポリマーが無負荷状態になる。これが無負荷期間１３０である。いずれの場合も、負荷が印加されているＥＡＰが緩和する期間１４０に、エネルギー変換が生じる。

ＥＡＰジェネレーターの負荷および無負荷の最適条件を、一定電圧条件や一定電界条件にも同様に適用する。ただし、この場合には、緩和時に一定に保持されるのは負荷量ではなく、電圧または電界強度である。

ＥＡＰジェネレーターによるエネルギー・ハーベストＥｈａｒｖｅｓｔは損失により減少する。機械的変換の損失ＥＥＡＰ，ｍｅｃｈおよびＥＡＰジェネレーターの電気的損失ＥＥＡＰ，ｅｌに加えて、ＥＡＰ電圧ｕ（ｔ）およびＥＡＰ容量Ｃ（ε（ｘ，ｔ），Ｑ）に基づいて、負荷サイクルおよび無負荷サイクル時に電子機器の負荷による付加的な損失Ｅｅｌｅｃが生じる。これらの要因は、最大エネルギー・ハーベストの最適化において考慮する必要があり、また、最適切り替え時間にも影響を与える。したがって、以下の式で示す関係を用いて、式（９）〜（１２）に従って、期間を最適化する。

適当なセンサーおよび観測装置の概念を用いて、最小振幅時間ｔ（ｈ_min）、最大振幅時間ｔ（ｈ_max）および波高ｈ_maxを予測する。たとえば、ＥＡＰジェネレーターと機械的変換器概念のモデルを用いて、対応するＥＡＰジェネレーターの最小膨張の時間と最大膨張の時間とを求めることができる。予測範囲（予定時間ｔ_estimate）は、０＜ｔ_estimate＜Ｔｐ＝λ／ｃの間、すなわち、期間でなければならない。センサーシステムとＥＡＰジェネレーターとの間の空間オフセット構成により、予測範囲を、これに応じて長くしたり（たとえば、ＥＡＰジェネレーターより後までセンサーシステムに波が到達しない場合）、短くしたり（たとえば、ＥＡＰジェネレーターより前にセンサーシステムに波が到達する場合）できる。

波長および伝搬速度に基づいて、定位置ｘにおける波の周期Ｔ_p＝λ／ｃを求める。波の伝搬方向に対して、第１のＥＡＰジェネレーターＥ１がセンサーシステムＳよりも前に配置される場合には、波の山は、センサーシステムより前に、ＥＡＰジェネレーターＥ１に以下の式で表される時間頃に到達する。

予測範囲ｔ_estimateを、この分だけ大きくする必要がある。第２のＥＡＰジェネレーターＥ２がセンサーシステムＳの後に配置される場合には、それに対応して、予測範囲ｔ_estimatを小さくすることができる。

波長λの推定を、追加のセンサーシステムを用いて行うようにしてもよいし、ＥＡＰジェネレーターの電気的パラメーターから求めるようにしてもよい。

追加のセンサーシステムを用いる場合には、水面の垂直化速度を測定する加速度センサーの使用が適している。たとえば、位相ロックループ（ＰＬＬ）を用いて、あるいは、フーリエ変換、特に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）やコサイン変換等の変換により、基本波を求めることができる。

波長がわずかな力で変化するという仮定と、基本波とに基づき、波動運動の極値の時間を推定することができる。

一連のステップの例を挙げるが、これ以外のステップを追加することもできる。
第１ステップ：モデルおよび／またはセンサーを用いて、ＥＡＰジェネレーターの膨張量εおよび最大膨張の時間ｔ（ε_max）を推定する。
第２ステップ：ＥＡＰジェネレーターの予測膨張量に基づいて、モデルを用いて、式（２０）に従い（あるいは許容可能な電圧に従い）、エネルギー・ハーベスティング・サイクルの間電気的破壊強度を超えない許容可能な目標負荷Ｑ^* _loadを求める。
第３ステップ：電流特性ｉ_load（ｔ）を考慮して、負荷期間Δｔ_loadを式（５）により求める。同様に、無負荷期間Δｔ_unloadも求める。
第４ステップ：目標負荷量Ｑ^* _loadと負荷期間Δｔ_loadおよび無負荷期間Δｔ_unloadとにより、損失Ｅ_lossを考慮して、負荷動作の最適な開始時間ｔ₁と無負荷動作の最適な開始時間ｔ₂とを式（１７）に従って求める。

図２に、この一連のステップのフロー図を示す。この図において、括弧内の数字を矢印で参照しているものは、本発明の説明において対応する参照番号で示した式によりそのパラメータが得られることを示す。各ステップを実際の順序に従ってステップ群２００として示す。ステップ２６０で、電気活性ポリマーの時間依存電圧ｕ_EAP（ｔ）および時間依存電流ｉ_EAP（ｔ）を求める。これらの値から、ステップ２５０で、膨張依存用量Ｃ（ε）および膨張依存電極距離ｄ（ε）を求めることができる。さらに、ステップ２１０で、これらの値を用いて、ＥＡＰの最大膨張の時間を予測する。

一定電圧または一定電界を用いる工程では、一連のステップの相違は、目標負荷量の計算が異なるという点にある。一定電圧を用いる工程では、最大膨張時に許容電界強度を超えないように、目標負荷量を予め求める。次に、電圧が一定に保持されるように、負荷量を適合させる。一方、一定電界を用いる工程では、変換の全過程にわたって許容電界強度を超えないように、同じように、目標負荷量を予め求める。このために、モデルに基づいて、箔の厚みを推定して、所定の許容電界強度を用いて、必要な電圧を計算する。これ以降のステップは前記と同様のものである。

予測したＥＡＰの最大膨張量を用いて、ステップ２２０で目標負荷Ｑ^* _loadを計算し、ステップ２３０で負荷期間Δｔ_loadおよび無負荷期間Δｔ_unloadを計算する。最後に、得られたパラメータを用いて、負荷動作の開始時間ｔ₁と無負荷動作の開始時間ｔ₂とを求める。

本発明の方法の一実施形態において、波長λは、加速度センサーにより水面の垂直加速度を測定することにより求められ、
加速度センサーの信号の振動は、位相ロックループを介して、波長依存電圧を与える、および／または、
加速度センサーの信号の振動を、フーリエ変換またはコサイン変換を介して周波数ｃ／λに変換する。
ここで、好適なフーリエ変換の例は高速フーリエ変換である。

本発明の方法の別の実施形態において、波長λは、電気活性ポリマー上で電極間に存在する電圧を測定することにより求められ、
電圧の振動は、位相ロックループを介して、波長依存電圧を与える、および／または、
電圧の振動を、フーリエ変換またはコサイン変換を介して周波数ｃ／λに変換する。

ここで、好適なフーリエ変換は高速フーリエ変換である。センサーシステムを用いないモデル支援推定では、ＥＡＰジェネレーターにおいて電圧ｕ_EAPを継続的に測定することにより、負荷Ｑ^* _load＋Ｑ₀または制御システムに既知のＥＡＰジェネレーターのＱ₀に基づき、数学的モデルを用いて、容量Ｃ（ε（ｘ，ｔ），Ｑ）に関する推断を行なうことが可能になる。膨張依存ＥＡＰ容量を検出できるように、無負荷動作の間、小さな残留付加Ｑ₀をＥＡＰ上に残しておいて、サイクルの間ずっと電圧測定を継続できるようにする必要がある。

上述の式に示すＥＡＰ容量とＥＡＰ膨張との間の関係を用いて、ＥＡＰジェネレーターの時間依存膨張を求めることができる。

一定電圧または一定電界を用いる工程では、緩和時に電圧を継続的に更新して、電流の変化によって生じる負荷量の変化から容量を推定することができる。膨張段階では、一定負荷の場合と同様に、ＥＡＰジェネレーター上に残留負荷量が残る、と考えることができる。
機械的変換器の概念を用いて波動運動によりＥＡＰジェネレーターの膨張が生じると考えられるため、波動運動に関するＥＡＰ電圧から結論を導くことができる。位相ロックループまたは波動運動の周波数レンジへの変換（加速度センサーを用いた測定と等価）を利用して、波長を求めることができる。最小膨張および最大膨張の時間ｔ（ε_min）およびｔ（ε_max）を波長と伝搬速度から得る。

最大限のエネルギー・ハーベストを生じる一方で、ＥＡＰに損傷を与えることのない最適な負荷量をＥＡＰジェネレーターに印加するためには、波高を知ることが重要になる。ＥＡＰジェネレーターの膨張量εが印加される負荷にほとんど関係なく（ε≠ｆ（Ｑ））、静電圧が無視できる場合には、ＥＡＰジェネレーターの最大許容電界強度Ｅ_maxと電極間隔ｄ（ポリマー厚さ）とを用いて、最大負荷量を計算する。ＥＡＰ容積が一定であると仮定すると、ＥＡＰジェネレーターの最大膨張量ε_maxで、最大容量Ｃ_maxと最小電極間隔ｄ_minとが、一方、ＥＡＰジェネレーターの最小膨張量ε_minで、最小用量Ｃ_minと最大電極間隔ｄ_maxとが得られる。容量と電極間隔の両方が非線形的挙動を示すため、膨張量の全範囲を考慮に入れる必要があり、一定の負荷を用いた工程に適用される許容負荷量Ｑ^* _loadは、以下の式で与えられる。

ＥＡＰジェネレータが膨張する際に、式（１８）に示すように容量を算出し、また同様に電圧測定値から電極間隔ｄを算出すれば、式（２０）に従う概算から目標負荷Ｑ^* _loadを求めることができる。ＥＨＣの最適な制御には必要ないが、ここから波高を推定することも可能である。

誘導した関係に基づいて、各サイクルにおけるＥＡＰジェネレータの最大膨張および最小膨張の時間ｔ（ε_max）、ｔ（ε_min）および振幅を予め求めておく必要がある。ただし、特に、波長λの変化は、狭い範囲内でのゆっくりとした変化であるため、各サイクルで、最大膨張量ε_maxのみを推定しなければならない。

本発明の方法の別の実施形態において、実際の波高が、印加された負荷で電気活性ポリマーの破壊強度を超える概算した波高よりももっと高い場合に、電気活性ポリマーから負荷を取り除く。この場合、｜Ｅ｜＞＝Ｅ_maxであれば、エネルギー・ハーベスティング・サイクルの間に負荷を取り除くことが望ましい。負荷を取り除くことにより、ＥＡＰジェネレーターへの損傷を防ぐことができる。

本発明の方法の別の実施形態において、装置は、
ブイ、
電気活性ポリマーを含有する材料から形成される流体充填体の軸方向セグメントチェーン、または、
スイベル型継ぎ手により互いに接続される浮遊体構造であって、電気活性ポリマーを含有する材料から形成される偏心配置されたバイアス部を有し、浮遊体構造が曲げ動作を行なう際に、バイアス部が互いに反対に膨張および緩和されるように構成される浮遊体構造、のいずれかである。

ブイは、その浮力のために、波の山にある場合には、水位上昇に追随して、加速度を受ける。ブイには付加おもりが取り付けられている。付加おもりの慣性により、ブイ筺体と付加おもりとの間の相対的な間隔がこの段階で増加し、結果として、ＥＡＰジェネレータが膨張する。

同様に、ブイが波の谷に移動すると、ブイ筺体と付加おもりとの間の相対的な間隔が減少する。ＥＡＰジェネレータをできるだけ効率よく用いるためには、ポリマーの最小膨張の時間が必要である。

準統計的観点から、波の山でＥＡＰ構成に負荷が印加され、波の谷でＥＡＰジェネレータが無負荷状態にされる。機械的振動構成のために、波面とＥＡＰ膨張との間に位相シフトが生じる。変換器モデルがセンサーシステムを用いる際には、このような位相シフトを考慮に入れるようにしてもよい。

流体充填体の軸方向セグメントチェーンは、「アナコンダ」構造とも呼ばれる。この構造は、電気活性ポリマーを含有する材料から形成される、相互の連通する流体充填体を備える。波の山にチェーンまたはホースが持ち上げられると、ホース内に存在する流体が波の谷に流れ込む。電気活性ポリマーは剛性が低いため、波の谷で断面が増大（膨張）し、波の山で断面が減少（緩和）する。

対応する変換器モデルによる最適化ＥＨＣ制御アルゴリズムにおいて、ＥＡＰ内の流体力学により生じる、波動運動とＥＡＰ膨張との間の位相シフトを考慮に入れるようにしてもよい。

スイベル型継ぎ手により互いに接続される浮遊体構造は、「ペラミス」構造とも呼ばれる。これは、２つの浮遊体がスイベル型継ぎ手により接続される構造である。ペラミス構造が曲がると互いに反対に膨張および緩和するＥＡＰバイアス部は、偏心して一体化されている。両方の浮遊体の継ぎ手近傍におもりを取り付けることにより、継ぎ手を回転させることができる。

この変換器の概念も、先の２つの概念に関して説明したように、最適化制御アルゴリズムにおいて考慮に入れるようにしてもよい。

本発明は、さらに、本発明の方法を実行するのに適した、水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取得するシステムであって、
水中に設置される際に装置の一部が水面上に配置されるように構成される装置であって、電極間に配置される電気活性ポリマーを備え、水位の変化による機械エネルギーを装置内で電気活性ポリマーに伝達するように構成される装置と、
水波および／または電気活性ポリマーに関するセンサーデータを取得するセンサーユニットと、
電気負荷を電気活性ポリマーに印加すると共に、電気活性ポリマーを無負荷状態にする電源ユニットと、
予め規定されたデータモデルに従う計算アルゴリズムでセンサーユニットから受け取ったデータを処理し、計算の結果に基づいて電源ユニットを制御するように構成される制御ユニットであって、計算アルゴリズムが装置に今後入射される水波の最大波高の推定を含む、制御ユニットと、を備えるシステムを提供する。

本発明のシステムの一部である装置は、本発明の方法における装置に対応する。したがって、重複を避けるために、関連する説明を参照する。装置の好適な実施形態に関しても同様である。

本発明のシステムを、図３を参照してさらに説明するが、本発明のシステムは何ら図３の例示に限定されるものではない。この図は、本発明のシステムのブロック図である。構成要素３００はセンサーユニットを表わし、水波および／または電気活性ポリマー３５０に関するデータを取得する。

センサーユニット３００からのデータは、電気機械変換器３１０の数学的モデルおよび／または力学的概念を用いて処理され、計算ユニット３３０に送られる。同時に、データは波のモデル３２０にも流入する。計算ユニット３３０は、対応アルゴリズムを用いて、電源電子機器または電源ユニット３４０用の規定値を計算する。このような規定値は、具体的には、装置内で電気活性ポリマーに伝達される負荷量ならびに負荷および無負荷の開始時間および終了時間である。本発明のシステムに含まれる制御ユニット３６０は、構成要素３１０、３２０および３３０を備える。

電源ユニット３４０により、電気活性ポリマー３５０に電気負荷が印加され、エネルギー変換段階の終了後、電気エネルギーが除去される。計算モデルのキャリブレーション（較正）を行なうために、電源ユニット３４０をモデルユニット３１０と連通させるようにしてもよい。

本発明のシステムの一実施形態において、センサーユニットは、装置から離れた加速度センサーを備える。加速度センサーは、水面に浮かんで、波動運動による水面の高さの変動を測定することが望ましい。この詳細に関しては、本発明の方法に関連して、既に説明した。

本発明のシステムのさらに別の実施形態において、センサーユニットは、電気活性ポリマー上で電極間に存在する電圧と、電気活性ポリマー上における電極間の間隔と、を測定する。この詳細に関しては、本発明の方法に関連して、既に説明した。

本発明は、さらに、本発明の方法に従って演算を実施するマイクロプロセッサーにより実行可能な命令を備えるコンピュータプログラム製品を提供する。
なお、本願は、さらに以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取り出す方法であって、
装置の一部が水面上に配置されるように構成される装置を水中に設置する工程であって、前記装置は電極間に配置される電気活性ポリマーを備え、水位の変化による機械エネルギーが前記装置内で前記電気活性ポリマーに伝達される、設置工程と、
伝搬速度ｃと波長λとを有する水波の機械的作用の結果として、前記電気活性ポリマーを最小膨張量ε _ｍｉｎ から最大膨張量ε _ｍａｘ まで膨張させる工程であって、前記電気活性ポリマーの膨張時に、時間ｔ _１ から時間ｔ _ｌｏａｄ までの期間Δｔ _ｌｏａｄ にわたって、前記電気活性ポリマーの電気的破壊強度Ｅ _ｍａｘ を超えない目標電気負荷Ｑ ^＊ _ｌｏａｄ が前記活性ポリマーに印加される、膨張工程と、
前記水波の機械的作用の減少の結果として、前記膨張した電気活性ポリマーを最大膨張量ε _ｍａｘ から最小膨張量ε _ｍｉｎ まで緩和させる工程であって、前記電気活性ポリマーの緩和時に、時間ｔ _２ から時間ｔ _{ｕｎｌｏａｄ} までの期間Δｔ _{ｕｎｌｏａｄ} にわたって、残留負荷Ｑ _０ まで、前記電気活性ポリマーが無負荷状態にされる、緩和工程と、を備え、
前記目標電気負荷を算出するために必要な前記最大膨張量ε _ｍａｘ の数値は、
水波の最大波高ｈ _ｍａｘ を概算して、
割り当て規則に基づいて最大波高ｈ _ｍａｘ を最大膨張量ε _ｍａｘ に相関させることにより、
予め推定される、
方法。
［形態２］
形態１に記載の方法であって、
前記時間ｔ _１ はｔ _１ ＝（λ／４・ｃ）−Δｔ _ｌｏａｄ に従って計算され、前記時間ｔ _２ はｔ _２ ＝３・（λ／４・ｃ）に従って計算され、さらに、前記時間ｔ _ｌｏａｄ における前記電気活性ポリマーの膨張量が前記最大膨張量ε _ｍａｘ であると仮定され、前記時間ｔ _{ｕｎｌｏａｄ} における前記電気活性ポリマーの膨張量が前記最小膨張量ε _ｍｉｎ であると仮定される、方法。
［形態３］
形態２に記載の方法であって、
前記波長λは、加速度センサーにより前記水面の垂直加速度を測定することにより求められ、
前記加速度センサーの信号の振動は、位相ロックループを介して、波長依存電圧を与える、および／または、
前記加速度センサーの信号の振動を、フーリエ変換またはコサイン変換を介して波長域ｃ／λに変換する、方法。
［形態４］
形態２に記載の方法であって、
前記波長λは、前記電気活性ポリマー上で前記電極間に存在する電圧を測定することにより求められ、
前記電圧の振動は、位相ロックループを介して、波長依存電圧を与える、および／または、
前記電圧の振動を、フーリエ変換またはコサイン変換を介して波長域ｃ／λに変換する、方法。
［形態５］
形態１に記載の方法であって、
実際の波高が、前記印加された負荷で前記電気活性ポリマーの前記破壊強度を超える前記概算した波高よりももっと高い場合に、前記電気活性ポリマーから負荷を取り除く、方法。
［形態６］
形態１に記載の方法であって、
前記装置は、
ブイ、
電気活性ポリマーを含有する材料から形成される流体充填体の軸方向セグメントチェーン、または、
スイベル型継ぎ手により互いに接続される浮遊体構造であって、電気活性ポリマーを含有する材料から形成される偏心配置された複数のバイアス部を有し、前記浮遊体構造が曲げ動作を行なう際に、前記複数のバイアス部が互いに反対に膨張および緩和されるように構成される浮遊体構造、のいずれかである、方法。
［形態７］
形態１に記載の方法を実行するのに適した、水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取り出すシステムであって、
水中に設置される際に装置の一部が水面上に配置されるように構成される装置であって、電極間に配置される電気活性ポリマーを備え、水位の変化による機械エネルギーを前記装置内で前記電気活性ポリマーに伝達するように構成される装置と、
前記水波および／または前記電気活性ポリマーに関するセンサーデータを取得するセンサーユニットと、
電気負荷を前記電気活性ポリマーに印加し、前記電気活性ポリマーを無負荷状態にする電源ユニットと、
予め規定されたデータモデルに従う計算アルゴリズムで前記センサーユニットから受け取ったデータを処理し、前記計算の結果に基づいて前記電源ユニットを制御するように構成される制御ユニットであって、前記計算アルゴリズムは、さらに、前記装置に今後入射される水波の最大波高の推定を含む、制御ユニットと、
を備えるシステム。
［形態８］
形態７請求項７に記載のシステムであって、
前記センサーユニットは、前記装置から離れた加速度センサーを備える、システム。
［形態９］
形態７に記載のシステムであって、
前記センサーユニットは、前記電気活性ポリマー上で前記電極間に存在する電圧と、前記電気活性ポリマー上における前記電極間の間隔と、を測定する、システム。
［形態１０］
コンピュータプログラム製品であって、
形態１に記載の方法に従って演算を実施するマイクロプロセッサーにより実行される命令を備える、コンピュータプログラム製品。

Claims (10)

1. 水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取り出す方法であって、
   装置の一部が水面上に配置されるように構成される装置を水中に設置する工程であって、前記装置は電極間に配置される電気活性ポリマーを備え、水位の変化による機械エネルギーが前記装置内で前記電気活性ポリマーに伝達される、設置工程と、
   伝搬速度ｃと波長λとを有する水波の機械的作用の結果として、前記電気活性ポリマーを最小膨張量ε_ｍｉｎから最大膨張量ε_ｍａｘまで膨張させる工程であって、前記電気活性ポリマーの膨張時に、時間ｔ_１から時間ｔ_ｌｏａｄまでの期間Δｔ_ｌｏａｄにわたって、前記電気活性ポリマーの電気的破壊強度Ｅ_ｍａｘを超えない目標電気負荷Ｑ^＊ _ｌｏａｄが前記活性ポリマーに印加される、膨張工程と、
   前記水波の機械的作用の減少の結果として、前記膨張した電気活性ポリマーを最大膨張量ε_ｍａｘから最小膨張量ε_ｍｉｎまで緩和させる工程であって、前記電気活性ポリマーの緩和時に、時間ｔ_２から時間ｔ_{ｕｎｌｏａｄ}までの期間Δｔ_{ｕｎｌｏａｄ}にわたって、残留負荷Ｑ_０まで、前記電気活性ポリマーが無負荷状態にされる、緩和工程と、を備え、
   前記目標電気負荷を算出するために必要な前記最大膨張量ε_ｍａｘの数値は、
   水波の最大波高ｈ_ｍａｘを概算して、
   割り当て規則に基づいて最大波高ｈ_ｍａｘを最大膨張量ε_ｍａｘに相関させることにより、
   予め推定される、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記時間ｔ_１はｔ_１＝（λ／（４・ｃ））−Δｔ_ｌｏａｄに従って計算され、前記時間ｔ_２はｔ_２＝３・（λ／（４・ｃ））に従って計算され、さらに、前記時間ｔ_ｌｏａｄにおける前記電気活性ポリマーの膨張量が前記最大膨張量ε_ｍａｘであると仮定され、前記時間ｔ_{ｕｎｌｏａｄ}における前記電気活性ポリマーの膨張量が前記最小膨張量ε_ｍｉｎであると仮定される、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   前記波長λは、加速度センサーにより前記水面の垂直加速度を測定することにより求められ、
   前記加速度センサーの信号の振動は、位相ロックループを介して、波長依存電圧を与える、および／または、
   前記加速度センサーの信号の振動を、フーリエ変換またはコサイン変換を介して周波数ｃ／λに変換する、方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、
   前記波長λは、前記電気活性ポリマー上で前記電極間に存在する電圧を測定することにより求められ、
   前記電圧の振動は、位相ロックループを介して、波長依存電圧を与える、および／または、
   前記電圧の振動を、フーリエ変換またはコサイン変換を介して周波数ｃ／λに変換する、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   実際の波高が、前記印加された負荷で前記電気活性ポリマーの前記破壊強度を超える前記概算した波高よりももっと高い場合に、前記電気活性ポリマーから負荷を取り除く、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   前記装置は、
   ブイ、
   電気活性ポリマーを含有する材料から形成される流体充填体の軸方向セグメントチェーン、または、
   スイベル型継ぎ手により互いに接続される浮遊体構造であって、電気活性ポリマーを含有する材料から形成される偏心配置された複数のバイアス部を有し、前記浮遊体構造が曲げ動作を行なう際に、前記複数のバイアス部が互いに反対に膨張および緩和されるように構成される浮遊体構造、のいずれかである、方法。
7. 請求項１に記載の方法を実行するのに適した、水波の運動エネルギーから電気エネルギーを取り出すシステムであって、
   水中に設置される際に装置の一部が水面上に配置されるように構成される装置であって、電極間に配置される電気活性ポリマーを備え、水位の変化による機械エネルギーを前記装置内で前記電気活性ポリマーに伝達するように構成される装置と、
   前記水波および／または前記電気活性ポリマーに関するセンサーデータを取得するセンサーユニットと、
   電気負荷を前記電気活性ポリマーに印加し、前記電気活性ポリマーを無負荷状態にする電源ユニットと、
   予め規定されたデータモデルに従う計算アルゴリズムで前記センサーユニットから受け取ったデータを処理し、前記計算の結果に基づいて前記電源ユニットを制御するように構成される制御ユニットであって、前記計算アルゴリズムは、さらに、前記装置に今後入射される水波の最大波高の推定を含む、制御ユニットと、
   を備えるシステム。
8. 請求項７に記載のシステムであって、
   前記センサーユニットは、前記装置から離れた加速度センサーを備える、システム。
9. 請求項７に記載のシステムであって、
   前記センサーユニットは、前記電気活性ポリマー上で前記電極間に存在する電圧と、前記電気活性ポリマー上における前記電極間の間隔と、を測定する、システム。
10. コンピュータプログラム製品であって、
    請求項１に記載の方法に従って演算を実施するマイクロプロセッサーにより実行される命令を備える、コンピュータプログラム製品。

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