TW201338395A - 電活性聚合物能量轉換器 - Google Patents
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Abstract
揭露一種平衡多相能量轉換設備，用以將來自機械能源的能量轉換為電能。該能量轉換設備可包含複數傳感器。每一該複數傳感器皆包含一介電彈性體模組，該介電彈性體模組包含介於至少第一與第二電極間的至少一介電彈性體薄層。傳動耦合機構耦合至該機械能源並以可操作的方式連接至該複數傳感器。傳動耦合機構週期性地應變與鬆弛該複數傳感器而回應作用於該傳動耦合機構上的該機械能。該傳動耦合機構包含一個工作循環。該複數傳感器於該工作循環中平均分佈俾使總被動應變能為常數。
Description
本發明係關於能量轉換裝置，更具體而言，本發明係關於以有效率的方式將機械能轉換為電能之以多相配置的電活性聚合物陣列。
一般而言，電活性聚合物能量轉換裝置如能量生成裝置例如輪轉發電機需要高位準的反應性機械能來產生電能。單一的電活性聚合物能量生成裝置僅可將15%的機械能轉換為電能。根據報導，SRI已經發展出能將轉換效率提升至約30%的雙相系統。然而，此類系統無法充分地獲得大於80%的總系統效率。
又，電活性聚合物通常需要高壓電子元件來產生電。對於某些應用而言，簡單是很重要的但卻不能以可靠度為代價。通常需要簡單、高壓的電路來提供功能與保護。基本的電活性聚合物能量生成裝置電路係由下列者所組成：低壓起動源、連接二極體、電活性聚合物能量生成裝置、第二連接二極體及高壓集極源。然而，此類電路無法有效地在每一循環中捕捉到足夠根據本發明之電活性聚合物能量生成裝置所需的能量，且其需要相對較高的電壓起動源。
波浪能與風能為可恢復的能量源，每年能夠輸出數千的百萬瓦-小時的電力。即便只是擷取此能量的小部分便可提供極可觀的能源。新的概念如使用基於電活性聚合物的能量生成裝置可幫助解決許多此類的挑戰。
本發明提供使用電活性聚合物的較佳能量轉換裝置。本發明提供較佳之基於電活性聚合物的能量轉換裝置的各種實施例，其相較於傳統技術在效率、可靠度及整體效能上都有較佳的表現。
本發明提供一種基於電活性聚合物的能量轉換裝置。在一實施例中，能量轉換設備係用以將來自機械能源的能量轉換為電能。該能量轉換設備可包含複數傳感器。該複數傳感器中的每一者皆包含具有至少一介電彈性體薄層的一介電彈性體模組，該介電彈性體薄層係置於至少第一與第二電極間。一傳動耦合機構係耦合至該機械能源並以可操作的方式連接至該複數傳感器。該傳動耦合週期性地應變與鬆弛該複數傳感器以回應作用於該傳動耦合機構上的機械能。該傳動耦合機構包含一個工作循環。該複數傳感器係位於該工作循環中的等間距位置處俾使總被動應變能為常數。
自下面本發明的詳細敘述當能明白本發明的此些與其他優點。
100‧‧‧能量轉換裝置
102‧‧‧機械能源
104‧‧‧傳動耦合機構
106‧‧‧電活性聚合物傳感器
108‧‧‧調節電子元件
110‧‧‧電能
200‧‧‧循環
202‧‧‧步驟
204‧‧‧步驟
206‧‧‧步驟
208‧‧‧步驟
300‧‧‧傳感器部
302‧‧‧電活性聚合物
304‧‧‧上電極
306‧‧‧下電極
308‧‧‧平面方向
310‧‧‧平面方向
400‧‧‧電活性聚合物能量生成裝置
402‧‧‧電活性聚合物薄膜
404‧‧‧上電極
406‧‧‧下電極
408‧‧‧電荷
410‧‧‧第一方向
412‧‧‧能量源
414‧‧‧方向
416‧‧‧負載
800‧‧‧能量生成電路
802‧‧‧電活性能量生成裝置
804‧‧‧齊納二極體
806‧‧‧電壓
1000‧‧‧圖示
1800‧‧‧控制系統
1801‧‧‧放電控制器
1802‧‧‧微控制器電子元件
1804‧‧‧電活性聚合物能量生成裝置
1806‧‧‧充電控制器
1808‧‧‧能量儲存元件
1810‧‧‧放電控制器
1812‧‧‧電壓監控器
1814‧‧‧應變監控器
1900‧‧‧能量轉換電路
1902‧‧‧控制電子元件
1904‧‧‧電活性聚合物能量生成裝置
1906‧‧‧充電轉換器電子元件
1908‧‧‧放電轉換器電子元件
1910‧‧‧應變量測電子元件
1912‧‧‧電流控制訊號
2500‧‧‧平衡多相能量生成裝置
2508a‧‧‧第一支架
2508b‧‧‧第二支架
2510‧‧‧桿軸
2511‧‧‧機械界面
2514‧‧‧第一旋轉盤
2514a‧‧‧第一軸承
2514b‧‧‧第二軸承
2516‧‧‧第二旋轉盤
2520‧‧‧介電彈性體能量生成裝置模組
2520a‧‧‧介電彈性體能量生成裝置模組
2520b‧‧‧介電彈性體能量生成裝置模組
2538‧‧‧第一對吊掛板
2539‧‧‧第二對吊掛板
2613‧‧‧彎曲力矩
2615‧‧‧彎曲力矩
2700‧‧‧平衡多相能量生成裝置
2710‧‧‧桿軸
2714‧‧‧第一旋轉盤
2716‧‧‧第二旋轉盤
2720a‧‧‧第一傳感器元件
2720b‧‧‧第二傳感器元件
2738a-f‧‧‧第一組吊掛板
2739a-f‧‧‧第二組吊掛板
2800‧‧‧平衡多相能量生成裝置
2804‧‧‧基座
2810‧‧‧桿軸
2811‧‧‧機械界面
2814‧‧‧正弦凸輪
2816‧‧‧凸輪桿軸
2820‧‧‧介電彈性體能量生成裝置模組
2824‧‧‧槽口塊
2824a‧‧‧槽口塊
2824b‧‧‧槽口塊
2838a‧‧‧第一凸輪板
2838b‧‧‧第二凸輪板
2841‧‧‧安裝板
為了說明但非限制的目的，現在將參考附圖說明本發明，其中：圖1為能量轉換裝置的方塊圖，其可用來從機械能源擷取電能。
圖2顯示利用包含了某些類型之電活性聚合物薄膜之能量轉換裝置來轉換能量的循環。
圖3A顯示根據一實施例之傳感器部的上視圖。
圖3B顯示包含偏斜以回應電場變化之傳感器部的上視圖。
圖4A-4F顯示電活性聚合物能量生成裝置的一循環，其係利用包含電活性聚合物薄膜如介電彈性體薄膜的能量轉換裝置來轉換機械能。
圖5顯示簡單能量生成電路的實施例。
圖6為電活性聚合物能量生成裝置中固定電荷循環之能量對伸展比例的圖示表示。
圖7為使用微控制器電子元件之電活性聚合物能量生成裝置能量擷取控制系統之一實施例的方塊圖。
圖8為電活性聚合物能量生成裝置用之高效率能量轉換電路之一實施例的方塊圖。
圖9顯示包含第一與第二旋轉盤之平衡多相能量生成裝置的一實施例。
圖10A-10B顯示包含第一傳感器與第二傳感器之平衡多相能量生成裝置的一實施例。
圖11為平衡多相能量生成裝置之傳動耦合機構的自由體圖。
圖12為具有偏離旋轉盤之平衡多相能量生成裝置之傳動耦合機構的自由體圖。
圖13顯示包含六個傳感器元件之平衡多相能量生成裝置的一實施例。
圖14顯示包含正弦凸輪之平衡多相能量生成裝置的一實施例。
在解釋用以將機械能轉換為電能之基於電活性聚合物的能量轉換裝置以及基於電活性聚合物之陣列的實施例之前，應注意，本文所揭露的實施例並未限制於特定的應用或隨附圖示及說明中所示的結構細節與元件配置。所揭露的實施例可在其他實施、變化與修改例中實施或與其結合，以可以各種方式施行之。又，除非另外指出，否則本文中所用的詞語及表達方式係針對以說明方式敘述實施例並方便讀者瞭解的目的所選擇，其意不在將任何實施例限制至本文中所揭露的特定實施例。又，應瞭解，任何一或多個所揭露的實施例、實施例的表達方式及實例皆可與其他實施例、實施例的表達方式、實例中的一或多者任意結合。因此，在一實施例中所揭露的元件與另一實施例中所揭露的元件的組合可被視為是落在本發明以及隨附之申請專利範圍的範疇中。
在不同的實施例中，本發明提供基於電活性聚合物的能量轉換裝置，其可被用來以雙向方式轉換電能與機械能。應瞭解，「電活性聚合物」、「介電彈性體」及/或「彈性體介電元件」等詞語可在本發明中互換使用。在一實施例中，本發明提供具有一或多個傳感器的能量生成裝置，此傳感器使用電活性聚合物薄膜將機械能轉換為電能。在另一實施例中，本發明提供傳感器的陣列，此傳感器使用多相配置的電活性聚合物薄膜以
有效率的方式將機械能轉換為電能。更在其他實施例中，本發明提供功率轉換與功率擷取電路以及使用電活性聚合物薄膜陣列將機械能轉換為電能的傳感器的技術。下面將說明及敘述此些與其他特定的實施例。
本申請案係關於2012年3月9日申請、案號為PCT/US12/28406且案名為“ELECTROACTIVE POLYMER ENERGY CONVERTER”的PCT專利申請案的標的，將其所有內容包含於此作為參考，本申請案提供利用電活性聚合物薄膜將機械能轉換為電能之具有一或多個傳感器之能量生成裝置的各種實施例以及用以更有效率地將機械能轉換為電能的電路技術。在一實施例中，能量生成裝置模組具有包含了整合式介電彈性體元件的電活性聚合物傳感器，其可由Artificial Muscle,Inc.(AMI)of Sunnyvale,CA所購得。此類能量生成裝置在本文中可被稱為電活性聚合物能量生成裝置模組。此類電活性聚合物能量生成裝置模組具有適合用來進行能量轉換技術如機械能轉電能的特性。此類電活性聚合物能量生成裝置模組包含可伸展的彈性材料，其具有夾置於兩電極層間的介電彈性體薄膜。施加機械力以應變(伸展)電活性聚合物能量生成裝置模組會改變介於電極間之介電彈性體薄膜的電容。施加至已應變薄膜的種子電荷會上升至較高的薄膜電壓，當電活性聚合物能量生成裝置模組鬆弛時便可對其進行擷取。電活性聚合物能量生成裝置模組適合用於直接驅動的應用、規模可靈活調整、可靠且有效率。
除了提供電活性聚合物能量生成裝置的各種實施例外，本發明亦提供可與電活性聚合物能量生成裝置模組一起使用而增加能量生成裝置之效率之調節電子邏輯與電路及技術。下面會分別說明此些技術的每一者。
能量生成裝置可包含一或多個傳動機構，傳動機構耦合至機械能源並轉換一部分之機械能以驅動能量生成裝置的一或多個傳感器部。傳感器與電耦合至能量生成裝置的調節電子元件一起將機械能轉換為電能。常見的機械能源尤其包含例如靜水或動水、潮汐、波浪、風、太陽、地熱。
利用電活性聚合物來從機械能產生電能的基本機制是：當週期性地伸展與收縮介電彈性體以回應機械能時介電彈性體所經歷的電容變
化。為了成為良好的電能能量生成裝置，從鬆弛收縮態至伸展態電活性聚合物能量生成裝置應該要經歷至少3x至4x的電容變化。會影響到適合之電活性聚合物能量生成裝置之效能、效率與可靠度的因素包含：介電材料、電極、機械配置、電子元件及能量密度與效率。
圖1為可用來從機械能源102擷取電能之能量轉換裝置100(發電機100)的方塊圖。可藉由一或多個傳動耦合機構104以某些方式將機械能源102輸入至能量生成裝置100。接著，藉著使用電活性聚合物106之一或多個傳感器及調節電子元件108，可將機械能轉換為電能。又，一部分之機械能可被用來做額外的機械功。調節電子元件108可將已擷取之電能110轉換成電能輸出。在某些實施例中，能量生成裝置100可反向操作，以在電活性聚合物傳感器106被施加電能時去做機械功。
可自許多能源提供用以產生電能的機械能。例如，機械能源102可擷取自環境源尤其如靜水或動水、潮汐、波浪、風、太陽、地熱。藉由產生機械功或能量的工作流體如水或空氣，可將環境能源傳遞至傳感器106。利用本發明的一或多個電活性聚合物傳感器106可擷取機械能並將其轉換為電能110。能量生成裝置100之工作流體及其他元件的選擇可取決於能量生成裝置100的一或多個操作與設計參數如能量生成裝置的操作環境(例如商用、住宅用、地上用、海洋用、可攜式、固定式等)、能量生成裝置的尺寸、成本需求、耐久性需求、效率需求、能量源的溫度及功率輸出需求。
在一實施例中，驅動能量生成裝置100的機械能可來自靜水或動水，例如在水力發電廠中閥門與機械能相接並將其轉換為電能。此類機械能源102的主要元件會包含水壩、蓄水庫、水門、傳動耦合機構104、一或多個電活性聚合物傳感器106、調節電子元件108、變壓器及管線。水壩是一個能有效率地駕馭水的機械能(勢能與動能)的系統。其可利用自然的高度建構在一水體如河流之上。機械能亦可來自動水如用以研磨穀物的動水。
在另一實施例中，驅動能量生成裝置100的機械能可來自潮汐。海洋的潮汐會產生兩種類型的能量，包含熱能(或來自太陽的熱)及藉由
波浪與潮汐之運動的機械能。機械能係利用潮汐的運動。潮汐機械能源102的元件會包含擷取機械能的機構、傳動耦合機構104、一或多個電活性聚合物傳感器106及調節電子元件108以將機械能轉換為電能。這可以利用例如浮標、能量堰及水車來達成。
風車及風力渦輪使用可再生的風力以產生機械能。風車的主要原理是將其葉片轉動所產生的動能轉換成轉動機械能。傳動耦合機構104將轉動機械能耦合至一或多個電活性聚合物傳感器106與調節電子元件108以將機械能轉換為電能。風車一般被安裝在風速範圍介於每小時5至15.5哩的山中、海岸邊。根據本發明之能量生成裝置100駕馭風的能量並利用一或多個電活性聚合物傳感器106與調節電子元件108來產生電能。有兩種風力渦輪，包含垂直軸風力渦輪與水平軸風力渦輪。
應瞭解，上面機械能源的實例敘述並非是詳盡無遺漏的，可利用其他能源如熱能來驅動一或多個電活性聚合物傳感器106與調節電子元件108以產生電能。可自各種熱源如太陽能、地熱能、內燃燒、外部燃燒或廢熱產生熱能。熱能可被轉換為機械能，故其可被用來驅動位於能量生成裝置100中的一或多個傳感器106。
圖2顯示使用包含某些類型之電活性聚合物薄膜之能量轉換裝置來轉換能量的循環200。垂直軸代表電場(和E2成比例)而水平軸代表應變。當能量轉換裝置是在機械能轉換成能量的模式下操作時，機械能會被轉換為電能。一般而言，機械能源被用來以某些方式偏斜或伸展電活性聚合物薄膜。本發明的能量轉換裝置亦可被用來做機械功。在此情況下，電能可被用來偏斜電活性聚合物薄膜。在偏斜過程中電活性聚合物薄膜所做的機械功可被用來施加機械程序。為了在較長的時間中產生電能或者做熱功，可在許多循環中伸展與鬆弛電活性聚合物薄膜。
在圖2中顯示電活性聚合物薄膜伸展與鬆弛以將機械能轉換為電能的循環200。一個循環只是用來說明。許多不同類型的循環皆可為本發明的能量轉換裝置所使用，能量轉換裝置並不限於圖2中所示的循環。在202中，電活性聚合物薄膜在零電場壓力作用於聚合物的情況下伸展。此伸展係由於外部能量源輸入至能量轉換裝置而產生作用於薄膜上的機械力。例如，可使用機械程序來偏斜電活性薄膜。在204中，聚合物薄膜上
的電場壓力增加至某個最大值。進行此功能所需的調節電子元件將會在後續參考圖5、7與8說明之。在此實例中，電場壓力的最大值係剛好低於電活性聚合物的電崩潰強度。崩潰強度可能會隨著時間以一速率改變，此速率可取於下列因素但不受其限制：1)能量轉換裝置的使用環境；2)能量轉換裝置的操作經歷；及3)能量轉換裝置中所使用之聚合物的類型。
在206中，當電場壓力維持在其最大值附近時，電活性聚合物鬆弛。鬆弛過程係與允許電活性薄膜鬆弛之電活性聚合物的彈性回復特性相關。當電活性聚合物鬆弛時，電活性聚合物薄膜上的電荷的電壓增加。如較高的電壓所示，在電活性聚合物薄膜上之電荷的電力增加會被擷取而產生電能。在208中，當電場壓力減少至零時，電活性聚合物薄膜完全鬆弛，然後可重複該循環。例如，當使用轉動機械力與凸輪機構來伸展與鬆弛電活性聚合物薄膜時可啟動該循環。
在本發明之裝置中電能與機械能之間的轉換係基於電活性聚合物如電活性聚合物介電彈性體之一或多個活性區域所造成的能量轉換。當電活性聚合物受到電能致動時，電活性聚合物會產生偏斜。為了協助說明將電能轉換為機械能時電活性聚合物的效能，圖3A顯示根據一實施例之傳感器部300的上視圖。傳感器部300包含用以轉換電能與機械能的電活性聚合物302。在一實施例中，電活性聚合物代表能作為介於兩電極間之絕緣介電層且在受到兩電極間之電壓差作用時會產生偏斜的聚合物。上與下電極304與306係分別自電活性聚合物302的上與下表面與其連接，以在聚合物302的一部分處提供電壓差。聚合物302隨著上與下電極304與306所提供的電場變化而偏斜。傳感器部300偏斜以回應電極304與306所提供之電場的變化被稱為致動。當聚合物302的大小改變時，可利用偏斜來產生機械功。
圖3B顯示包含偏斜以回應電場變化之傳感器部300的上視圖。一般而言，偏移代表聚合物302之一部分的任何位移、擴張、收縮、扭轉、線性或區域應變、或任何其他變形。對應至施加至電極304與306或由電極304與306所施加之電壓差的電場變化會在聚合物302內產生機械壓力。在此情況下，電極304與306所產生的不相同電荷會彼此吸引並在電極304與306間提供壓縮力並在平面方向308、310上對聚合物302提
供擴張力，使得電極304、306間的聚合物302壓縮並在平面方向308、310上伸展。
在某些情況下，相對於聚合物的總面積，電極304與306覆蓋聚合物302的部分面積。這可用來避免聚合物302邊緣附近的電崩潰或在聚合物之一或多個部分中達到客製化的偏移。在本發明的文義下，活性區域被界定為包含聚合物材料302與至少兩電極的傳感器部分。當使用活性區域將電能轉換為機械能時，活性區域包含具有充分靜電力致使此部分能夠偏移的聚合物302部分。當使用活性區域將機械能轉換為電能時，活性區域包含具有充分偏移致使靜電能改變的聚合物302部分。如下所將討論，本發明的聚合物可具有複數活性區域。在某些情況下，在偏移期間可使活性區域外的聚合物302材料以外部彈簧力的方式作用於活性區域上。更具體而言，活性區域外的聚合物材料可藉由其收縮或擴張而阻抗或增強活性區域的偏移。移除電壓差及感應電荷會產生相反的效應。
電極304與306為順應性的且會隨著聚合物302改變形狀。聚合物302及電極304與306的配置增加了聚合物302對偏移的反應。更具體而言，當傳感器部300偏移時，聚合物302的壓縮會拉近電極304與306的相反電荷而聚合物302的伸展會分離每一電極中的類似電荷。在一實施例中，電極304與306中的一者接地。
一般而言，傳感器部300會持續偏移直到機械力與驅動偏移的靜電力達到平衡。機械力包含聚合物302材料的彈性恢復力、電極304與306的順應及裝置所提供的外部阻抗及/或耦合至傳感器部300的負載。因施加電壓所得之傳感器300的偏移結果亦可取決於許多其他因素例如聚合物302的介電常數及聚合物302的厚度。
根據本發明的電活性聚合物可在任何方向上偏移。在電極304與306間施加電壓後，聚合物302在平面方向308與310兩個方向上同時擴張(伸展)。在某些情況下，聚合物302無法被壓縮，例如在應力下具有實質上恆定的體積。對於無法被壓縮的聚合物302而言，聚合物302會因為其在平面方向308與310上的擴張而厚度降低。應注意，本發明並不限於無法被壓縮的聚合物且聚合物302的偏移毋需符合此類簡單的關係。
在圖3A所示之傳感器部300上的電極304與306間施加相
對大的電壓差將會使傳感器部300如圖3B中所示變得更薄、面積更大。在此方式下，傳感器部300將電能轉換為機械能。亦可以雙向方式利用傳感器部300將機械能轉換為電能。
圖3A與3B可被用來顯示傳感器部300將機械能轉換為電能的一種方式。例如，若傳感器部300因外力而機械伸展變得更薄、面積形狀變得更大如圖3B中所示且將相對較小的電壓差(小於將薄膜致動至圖3B中的配置的必要值)施加至電極304、306之間，則當移除外力時傳感器部300在電極間的面積會收縮至如圖3A中所示的形狀。伸展傳感器代表使傳感器300自其原始休止的位置偏移，這通常會導致電極間(沿著例如電極間由方向308、310所界定的平面)淨面積變大。休止位置代表傳感器部300在未受電或機械輸入之外力下的位置，其可包含聚合物的任何預應變。一旦傳感器部300伸展後，提供相對小的電壓差使得所得的靜電力不足以平衡伸展的彈性恢復力。因此傳感器部300收縮、其變得更厚且在沿著方向308、310所界定的平面(垂直電極間的厚度方向312)上有較小的平面面積。當聚合物302變得更厚，其分開電極304、306及其對應的不相同電荷，藉此升高電能及電荷的電壓。又，當電極304、306收縮成更小的面積時，每一電極內的類似電荷的密度增加，升高電能及電荷的電壓。藉此，利用電極304、306上的不同電荷，從例如圖3B中所示的形狀收縮至例如圖3A中所示的形狀會升高電荷的電能。即，機械偏移會轉變為電能而傳感器部300係用作為能量生成裝置。
在某些情況下，可將傳感器部300的電特性描述為可變電容。當形狀自圖3B中所示而變化為圖3A中所示時，電容會減少。通常，電極304、306間的電壓差可藉由收縮來增加。這是尋常的情況，例如，若在收縮過程中未添加額外的電荷至電極304、306或自電極304、306移走額外的電荷。電能的增加U可用等式U=0.5 Q2/C來加以表示，其中Q為正電極上之正電荷的量而C為與聚合物302之本質介電特性及其幾何特徵相關的可變電容。若Q是固定的而C減少，則電能U增加。電能與電壓的增加可被適合的裝置或與電極304、306作電交流的電子電路所回收或使用。又，傳感器部300可機械地耦合至機械輸入，偏移聚合物並提供機械能。
傳感器部300收縮時會將機械能轉換為電能。當傳感器部
300在方向308、310所界定的平面上完全收縮時，可移除部分或全部的電荷與能量。或者，在收縮期間移除部分或全部的電荷與能量。若在收縮期間聚合物302中的電場壓力增加並與機械彈性恢復力與外部負載達到平衡，則會在達到完全收縮前便停止收縮，故沒有更進一步的彈性機械能會被轉換為電能。移除部分電荷與已儲存的電能會減少電場壓力，藉此讓收縮繼續進行。藉此，移除部分電荷可更進一步地將機械能轉換為電能。當傳感器部300被用作為能量生成裝置時，其確切的電行為會取決於任何電與機械負載以及聚合物302與電極304、306的本質特性。
在一實施例中，電活性聚合物302是已經預應變的。聚合物的預應變可被描述為，不論是在一或多個方向上：相對於預應變前於一方向上的尺寸，其在預應變後於該方向上的尺寸有所改變。預應變可包含聚合物302的彈性變形且可例如藉由聚合物在張力下伸展並在其伸展時固定一或多邊所形成。對於許多的聚合物而言，預應變可改善電能與機械能間的轉換。對一電活性聚合物而言，較佳的機械回應致使較大的機械功，例如較大的偏移及致動壓力。在一實施例中，預應變會改善聚合物302的介電強度。在另一實施例中，預應變是彈性的。在致動後，理論上經彈性預應變的聚合物可以是不固定的且回復至其原始狀態。可利用硬框架將預應變強加至邊界，亦可將預應變局部地加諸至聚合物的一部分。
在一實施例中，可在聚合物302的一部分上均勻地施加預應變，以產生經等向預應變的聚合物。例如，丙烯酸彈性聚合物可在兩個平面方向上伸展200至400百分比。在另一實施例中，將不同方向上不等的預應變施加至聚合物302之一部分，以產生經不等向預應變的聚合物。例如，矽膠薄膜可在一平面方向上伸展0至10%並在另一平面方向上伸展10至100%。在此情況下，聚合物302受到致動時在一方向上的偏移可大於另一方向上的偏移。雖然不願被理論所限制，本發明之發明人猜測，在一方向上預應變聚合物可增加聚合物在該預應變方向上的韌性。因此，聚合物在高預應變方向上較有韌性但在低預應變方向上較為順應，故受到致動時在低預應變方向上產生較多的偏移。在一實施例中，藉著在垂直方向310上施加大預應變可增加傳感器部300在方向308上的偏移。例如，使用丙烯酸彈性聚合物的傳感器部300可在方向308上伸展300百分比並在垂直
方向310上伸展500百分比。聚合物的預應變量可取決於聚合物材料及應用中期望的聚合物效能。
不等向預應變亦可改善傳感器300在能量生成裝置模式下將機械能轉換為電能的效能。除了增加聚合物的介電崩潰強度並允許更多電荷被置於聚合物上外，高預應變可改善低預應變方向上的機械能轉換為電能的轉換。即，更多輸入至低預應變方向上的機械輸入可被轉換為電輸出，藉此提升能量生成裝置的效率。
圖4A-4F顯示利用包含電活性聚合物薄膜402如介電彈性體薄膜之能量轉換裝置以轉換機械能之電活性聚合物能量生成裝置400的一循環。圖示伴隨著說明性的循環以顯示機械能轉換為電能的轉換循環，其中垂直軸代表電場(電壓)而水平軸代表應變比例(λ)。可伸展的電極404、406係形成在電活性聚合物薄膜402上。可伸展的電極404、406係形成於電活性聚合物薄膜402上。當介電彈性體薄膜402鬆弛時，電活性聚合物薄膜402所儲存的電荷408係位於第一位準。接著電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406因適當的機械功而在第一方向410上伸展。電荷408仍然位於第一位準。如圖4B中所示，電活性聚合物能量生成裝置400係處於伸展態。電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406在伸展時會有電容變化。在一態樣中，可伸展的電極404、406於伸展態時更接近彼此而提升電容。當電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406係如圖4C中所示處於伸展態時，電極404、406係耦合至能量源412例如直流(DC)電池且偏壓被施加至電活性聚合物薄膜402而將電荷408舉升至較高的電壓。如圖4D中所示，移除能量源但電活性聚合物薄膜402仍維持在較高電壓的充電狀態。如圖4E中所示，當電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406沿著方向414鬆弛時，電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406會收縮並分開。因此降低了電活性聚合物薄膜402的電容，電壓被舉升至更高的位準。如圖4F中所示，當電活性聚合物薄膜402及可伸展的電極404、406回復至鬆弛態時，電極404、406係耦合至負載416且將儲存的電壓(或電荷)輸送至負載416，藉此對電活性聚合物薄膜402進行放電。隨著施加至電活性聚合物能量生成裝置400之輸入處的機械功而循環重覆。
現參考圖4A-4F，無論電活性聚合物薄膜402是被用作為致
動器或電活性聚合物能量生成裝置400，電活性聚合物薄膜402的基本結構為：在可伸展的電極404、406的每一側上具有圖案化的高介電係數彈性體薄膜。在致動器模式下，當電壓施加至電活性聚合物402時，藉由兩電極404、406上的不相同電荷所產生的靜電力效應，聚合物在厚度方向上壓縮且面積擴張。能量生成裝置模式基本上係與致動器模式相反。施加機械能410至電活性聚合物薄膜402而使其伸展會造成厚度壓縮且面積擴張。此時將電壓412施加至電活性聚合物薄膜402。被施加的電能412會以電荷408的方式被儲存在聚合物402上。當機械能414下降時，電活性聚合物薄膜402的彈性恢復力會作用以恢復原始厚度並減少面積。這個機械變化增加了兩電極404、406層間的電壓電位，導致靜電能增加。
具有丙烯酸系電活性聚合物薄膜402材料的電活性聚合物能量生成裝置400表現出(每致動循環)0.4焦耳/克的能量密度。為了達到0.4焦耳/克的能量密度，必須要使用調節電子元件來最佳化電活性聚合物能量生成裝置400的整個能量生成循環。在一實施例中，可採用微控制器系的電子元件及邏輯。在能量位準大於100瓦時，調節電子元件的電路能夠發揮電活性聚合物能量生成裝置400的優點。
不若電磁發電機，電活性聚合物能量生成裝置400的規模會隨著能量線性改變。例如，為了產生強十倍的能量生成裝置便需要至少十倍的材料。電磁發電機並非如此。當電磁發電機的功率規模增加時其具有兩個重要的優點。第一，其重量及體積不會呈線性增加。10千瓦發電機的質量可能只是1千瓦發電機的質量的約三倍。如所示，當電活性聚合物能量生成裝置400到達100千瓦的規模時，能量密度會有一個次方的改善，這使其在較高功率時極有競爭力。第二，電磁發電機的功率增加時，其效率也改善。許多高功率發電機具有超過97%的效率。
當符合下列準則時，電活性聚合物能量生成裝置400提供優於電磁發電機的優點：當力量高但速度慢時，電活性聚合物能量生成裝置400可提供優點。機械功等於力乘上速度。電磁發電機非常適合用於高速機械能(尤其是轉動機械能)。1800 RPM的轉動速度(每秒30轉)通常被用於標準的公
共用電(美國為60赫茲、歐洲與其他地方為50赫茲)。對於典型的3匹馬力(2238瓦)電磁發電機而言，轉子的表面速度約為每秒15-20公尺。對比之下，在0.3赫茲下的一公尺高海浪只能達到每秒0.9公尺的最大速度但其能產生極大的力量。風力也通常很慢。許多風力渦輪在約30 RPM的速度下轉動且需要齒輪箱來將其增加至50倍(達到1500 rpm)的速度以連接至電磁發電機。適當的電活性聚合物能量生成裝置400可直接耦合至風力渦輪的主桿軸以產生電能。
又，當電活性聚合物能量生成裝置400連接至2-10 kV直流範圍下的經調節高電壓直流電力網時，電活性聚合物能量生成裝置400能提供優點。由於電活性聚合物能量生成裝置400產生電能的方式，故其極適合用於高電壓直流系統。轉動電磁發電機通常在低於600伏的電壓下產生能量並產生交流電波形。為了將其轉換為高電壓直流，必須要使用變壓器/整流器組或某種其他類型的高功率反相器電子元件。電活性聚合物能量生成裝置400可以最少的電子元件而直接連接至高電壓直流電力網。此作法的配套措施是，電活性聚合物能量生成裝置400需要轉換電子裝置以將高電壓直流能量轉換為適合大部分低能量電子裝置型應用的低電壓能量。
又，當未能取得標準的公共用電時，自我啟動的電活性聚合物能量生成裝置400能為偏遠地區提供優點。也符合此準則的競爭技術是太陽能發電、利用電磁發電機的風力發電及利用電磁發電機的水力發電。上述的兩者(風力與太陽能)具有共同尤其複雜的難處：此些能源不具可預測性。因此，要不系統必須能自我啟動，要不系統必須包含充分的電儲存量(通常以電池的型式)以渡過無法產生能量的期間。
在一般的能量生成情況下，可靠度是最重要的面向之一。電磁發電已經被使用了超過100年。在這段期間，電磁發電機表現出超過30年使用壽命的可靠度。此外，電磁發電機具有到自千分之一瓦至百萬瓦的功率範圍。
對於風力發電應用而言，電活性聚合物能量生成裝置400必須要能夠應付與應用相關的環境條件。溫度與濕度的要求會隨著位置而改變(例如：在加州中部Altamont Pass處的風力發電機會比丹麥處的風力發電機經歷較少的溫度變異)。雖然會採用基本保護且會採取防雨外罩的形
式，但電活性聚合物能量生成裝置400及相關的電子元件因為高電壓直流的本質將會需要額外的預防措施。許多的高壓電子元件系統需要定期維修以移除附著在高電壓部件上的累積灰塵。要不需要密封的外罩，要不就需要某種其他措施，以避免有害粒子的堆積(高壓直流導體基本上像是靜電集塵器且收集灰塵與其他空中的粒子)。
應瞭解，可利用多種複合材料來體現電活性聚合物傳感器。對於欲被用作為機械能轉電能之傳感器的複合材料而言，複合材料必須要會移動，為了要能移動，軟且無法壓縮的介電材料層必須要有地方讓其移動。因此此類複合材料應該要至少包含下面三種材料：(1)硬一韌性的結構層，其支撐負載且和傳感器接觸的電與機械元件的韌性匹配；(2)軟-低模數且無法壓縮的介電彈性體層，其可藉由來自複合材料外部的機械負載以及施加用以控制複合材料的內部電場而變形；及(3)可壓縮-例如介電彈性體可腫脹進入的氣體、液體或擴張多孔材料(例如泡沫或氣膠)的區域。此些或其他複合材料可見2011年10月10日申請之美國專利臨時申請案61/545,295，案名為“COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED,RIGID,INSULATOR COVERED WITH THIN,SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS,AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS INCORPORATING SUCH ELECTRODES,”，將其所有內容包含於此作為參考。
應瞭解，本文中所述的實施例說明了實施的實例，在不違背所述之實施例的情況下可以各種其他方式來實施功能元件、邏輯方塊、程式模組及電路元件。又，可組合及/或分離此類功能元件、邏輯方塊、程式模組及電路元件所進行的操作以用於特定的實施例，且可以較多數目或較少數目的元件或程式模組來施行上述的操作。熟知此項技藝者在研讀本發明時應明白，文中所述與說明的單獨實施例的每一者具有離散的元件與特徵，在不脫離本發明之範疇的情況下可將此些元件與特徵自任何其他實施例的特徵分離或與之組合。本文中所提及的方法可依所述的順序施行，或依邏輯上可行的任何其他順序施行。
電活性聚合物能量生成裝置用的電子元件從相當簡單到相當複雜都有。為了使電活性聚合物能量生成裝置達到最佳的效能，其需要複雜的電子元件；然而，使用極簡單的電路拓樸仍可達到適度的效能。此外，應用特殊的細節可驅動電子元件的選擇及其複雜度。應用範圍可自某些情況下的固定行程與固定頻率到其他情況下的可變行程與可變頻率。此些參數與其他的考量因素將決定何種電子元件會最適合特定的應用。
電活性聚合物能量生成裝置用的電子元件可被分成兩個群組，即控制層級的電子元件與能量層級的電子元件。控制層級的電子元件在技術上是可行的且只需從成本與能量消耗的觀點來對其評估。能量層級的電子元件在技術上是可行的，但維持低成本與高效率是不可兼得的，達到最佳化設計時需權衡兩者。
圖5顯示簡單能量生成電路800的一實施例。電路800的優點在於其簡單。只需小的起始電壓806(約9伏)便能使能量生成裝置開始運作(假設機械能正在被輸入的情況下)。毋需控制層級的電子元件來控制分別藉由高壓二極體D1(808)與D2(810)輸入與輸出電活性能量生成裝置802的高電壓的轉換。在電路800的輸出上藉由齊納二極體804來達到被動電壓調節。電路800能夠產生高電壓DC能量且使電活性聚合物能量生成裝置802操作在約0.04-0.06焦耳/克的能量密度位準。電路800適合用來產生適度的能量並展示出電活性聚合物能量生成裝置802的技術可行性。
在一實施例中，電路800使用電荷轉移技術來最大化電活性聚合物能量生成裝置802之每一機械循環的能量轉換但仍保持簡單。電路800亦能夠利用極低電壓806(例如9伏)自我驅動(self-priming)。電路800亦能夠進行可變頻率與可變行程操作。在不同的實施例中，電路800利用簡化的電子元件(即，毋需控制程序的電子裝置)來最大化每循環的能量轉換、在可變頻率與可變行程應用中操作並對能量生成裝置的元件提供簡單的過電壓保護。
為了在電活性聚合物能量生成裝置中達到更高的能量位準及更高的能量密度，控制層級的電子元件及能量電子元件皆需要遠遠更高的複雜度。此些電子元件亦會隨著能量生成裝置的應用類型而有所不同。固定行程、窄頻的應用(也許是水車)需要最低複雜度的電子元件，但可變行
程、可變頻率的應用需要最高的複雜度。為了解決最複雜的情況，控制層級的電子裝置具有感應每一電活性聚合物能量生成裝置之瞬時電容並判斷其為增加或降低的能力。電子元件會決定是否將電荷置於電活性聚合物薄膜上、自電活性聚合物薄膜移除電荷或簡單地不作為。
例如這即是波浪能量生成的情況。當波浪極小或根本無波浪活動時，能量生成裝置應處於低能量、無生成模式(在電子元件中通常被稱為休眠模式)。一旦偵測到閾值大小的波浪活動，系統應使能量生成裝置上線(覺醒)並開始生成能量。若波浪活動低於特定的位準，則電活性能量生成裝置應再次休眠並等待下一週期的波浪活動。特定的決策標準會取決於每一應用，但這樣複雜的控制層級的電子元件實際上可用於所有的能量生成裝置應用(即，只需少量的控制層級設計便能包涵大範圍的能量生成裝置應用)。
能量層級的電子裝置將會由電活性能量生成裝置的最大輸出功率所驅動。類似的電路拓樸可用於廣大範圍的能量位準但元件的尺寸與額定值必須改變。電活性聚合物能量生成裝置的能量範圍可自10瓦上至100千瓦(或更大)。當能量位準增加時，熱管理的複雜度變成一個問題並需要嚴正地看待與解決(對所有能量生成方法皆為真)。
如前面參考圖3A-3B及4A-4F所討論，有三個機械能轉換電能的轉換程序是有利於瞭解電活性聚合物(介電彈性體)能量生成裝置的基本原理。這三種情況皆涉及簡單的四步過程。第一步始於鬆弛的介電彈性體及利用機械能讓彈性體伸展至某個伸展態。第二步是增加電荷至電活性聚合物電極。第三步是以機械方式鬆弛彈性體，藉此將機械彈性能轉換為靜電能；第四步是自電活性能量生成裝置移除電能，因此從機械能到電能的轉換中「擷取」電能。
在第二與第三步驟期間，設計者可在固定電荷、固定電場或固定電壓間進行選擇。此些方法的每一者都需要不同的控制電路拓樸。較容易施行的拓樸之一為固定電荷法，下面將會詳細說明其週期。
為了此分析將考慮固定行程與固定頻率的系統。雖然未說明可變行程與可變頻率的系統，但此類系統仍落在本發明的範疇中。此外，
將使用某些典型的參數值來展示電活性聚合物能量生成裝置的實際循環。例如，在分析中將會考慮一公尺平方且厚一百微米處於鬆弛態的電活性聚合物能量生成裝置，且假設電極是完全順應及導電的。利用下面的參數組(ε0=8.854 pF/m、εr=5.0、μ1=0.3 MPa、α1=2、λmax=2.0且Vmax=5 kV)，可建立一個典型的循環。分析將會以能量對伸展平面的圖的方式來呈現。這個圖解的方式讓人能夠以視覺化的方式來瞭解能量平衡的概念。
在循環的第一部分，電活性能量生成裝置從1伸展至λmax，將彈性能儲存在電活性聚合物薄膜中。接著，電荷(Vseed)被施加至電活性能量生成裝置。其電壓值係取決於最大的伸展，如下所示：Vseed=Vmax/(λmax)2(註：此值僅適用於剪切模式分析)。當施加電能時，其被添加至彈性能而儲存於電活性聚合物薄膜。此時，斷開電荷來源與能量生成裝置，於是沒有任何電荷能進入或離開能量生成裝置的電極(因此為固定電荷循環)。然後讓電活性能量生成裝置鬆弛回到平衡狀態，將彈性能轉換為電能。最後，從能量生成裝置移走電能，然後再次重覆循環。
圖6為電活性聚合物能量生成裝置在固定電荷循環中能量對伸展率的圖示1000。垂直軸代表能量(焦耳)而水平軸代表伸展率。圖6中所示的曲線有助於過程的詳細說明。在方程式(17)中已呈現了彈性能(這是步驟1，從點A移動到點B)。使用外部的機械源來伸展彈性能量生成裝置，將彈性能儲存在介電彈性體薄膜中。基於前面段落中所界定的源電壓來添加電荷(這是步驟2，從點B移動到點C)。此時，外部機械源將開始鬆弛介電彈性體而使其返回至鬆弛位置。若無電荷被施加至能量生成裝置，則所有外部機械源置入能量生成裝置的能量皆會返回外部機械源。當電荷位於能量生成裝置上時，部分的彈性能被轉換為電能而部分的彈性能則返回外部機械源。在步驟3期間，電活性聚合物能量生成裝置將會返回平衡位置D(系統能量達到最小值的位置)。為了在系統中達到總電能增益，現在可以移走電能(步驟4，點D到點A)。
這個基本的固定電荷循環能量轉換器是能量密度計算的基礎。此分析並未包含系統損失，只是判斷在理想情況下每一循環的能量。又，應注意，應仔細考慮在增加任何電源能量前必須施加至介電彈性體的大彈性能。在此實例中，機械彈性能與電能的比率約為10：1且具有極大的
系統效率。若將介電材料的模數選定為大十倍，則彈性能與電能的比率會變成100倍。這會產生一個極不平衡的系統，所以應該避免。由於必須要建造能夠處理此機械能的機械結構(繫鏈、框架等)，這樣的大比率代表極高的成本。
參考回圖6中所述的固定電荷循環，其假設沒有任何電荷會進入或離開電活性聚合物能量生成裝置。若電荷能經由介電材料自一電極移動至其他電極，則固定電荷循環不成立且電荷的轉移會產生極大的能量損失。若此損失太高，電活性聚合物能量生成裝置便不會產生電能而只是加熱介電材料。在生成循環間電荷從一個電極不利地轉移至其他電極通常被稱為漏電流。整個系統對漏電流的敏感度係取決於許多不同的參數。較重要的參數之一為循環時間，在較高的機械頻率下可忍受較高的漏電流。
電活性聚合物能量生成裝置(如EAP能量生成裝置或介電彈性體[DP]能量生成裝置)可具有許多不同的操作配置。在一實施例中，控制電子元件造就了此些不同的配置。從機械輸入能量的觀點來看，輸入可以有從固定行程、固定頻率(例如河水流動)到可變行程、可變頻率(波浪能)的範圍。也有不同的轉換循環：固定電荷、固定電場及固定電壓(以及未操作在每循環最大能量下之此些者的子集)。每個應用將會有控制需求的最佳組合。某些實例應用如下：
此處的目標是持續產生最多能量且讓公用事業公司針對所產生的能量支付你金錢。可用Pelton輪或其他類似的有效轉換器(假設河源是充足的；低河源需要不同種類的轉換器)將流動轉換為機械能。在一實施例中，將電活性聚合物能量生成裝置設計成能持續地處理源頭能量並恆定地將能量輸送至電網(在此情況中考慮無限大的負載)。在此處，系統設計會是固定頻率與固定行程以得到最簡單的所需控制。控制系統會在最大能量下操作並且只在故障發生時(內部能量生成裝置故障或外部系統故障，即水源受碎片阻塞、公用電網因雷擊而無法運作等)才停止運轉。
連接至能量儲存裝置的波浪源(可能結合太陽與風力與備用的柴油能量生成裝置)，例如用以對偏遠的釣魚渡假村供給能量。
此處，輸入的機械能的頻率與行程皆不固定。負載會從最小變化至最大。在此情況下，控制系統必須要適應源頭與負載需求的複雜組合並據以最佳化。此外，必須要考慮及控制故障情況與過度的情況，例如若暴風雨產生超過設計最大值的波浪，系統需要以最安全的方式停止運轉。
圖7為電活性聚合物能量生成裝置中使用微控制器電子元件1802之能量擷取控制系統1800之一實施例的方塊圖。在一實施例中，控制系統1800針對廣泛的不同操作條件將電活性聚合物能量生成裝置1804的效能最佳化及最大化。控制系統1800亦可用來控制例如電活性聚合物型的阻尼系統。在一實施例中，控制系統1800將電活性聚合物能量生成裝置1804的能量密度最大化。複雜的控制可將電活性聚合物能量生成裝置1804的能量密度改善一個次方。高效率能量轉換電路能控制輸入輸出控制變數的複雜程序，以最大化電活性聚合物能量生成裝置1804的效能。
在一實施例中，電活性聚合物能量生成裝置1804使用機械輸入能並將其轉換為電輸出能。在一通用實施例中，基本的電活性聚合物能量生成裝置的循環包含：應變能量生成裝置1804的電活性聚合物元件，藉此將機械輸入轉換為彈性應變能；添加少量的電荷以為能量裝置「播種」；鬆弛彈性應變以將機械能轉換為電能；及最後藉由移走電能而完成循環。機械輸入至電活性聚合物能量生成裝置1804的能量範圍可自固定行程、固定頻率(例如水力渦輪)至可變行程、可變頻率(例如波浪能)。每一情況下的最佳循環可以是固定的(如在水力渦輪的情況)或持續改變的(如在波浪能的情況)。為了適應此些變化，電活性聚合物能量生成裝置的控制系統要評估輸入變數並調整輸出控制以將效能最佳化。控制系統的最少輸入變數為能量生成裝置的應變與能量生成裝置的電壓。最少輸出控制變數為能量生成裝置的充電速率與能量生成裝置的放電速率。控制系統使用此些控制變數與預定的規則組來最佳化電活性聚合物能量生成裝置的效能。
在圖7所示的實施例中，控制系統1800包含：控制器1802，其可包含微處理器或微控制器電路。控制器1802係耦合至充電控制器1806、放電控制器1801與能量儲存元件1808，以控制能量生成裝置1804的充電速率與放電速率。來自電壓監控器1812與應變監控器1814之能量生成裝置反饋變數被提供至控制器1802。
在一實施例中，充電控制器1806為高電壓、電功率的電路，適合用來以已界定之量的電荷(因此能量)對電容充電。兩個適合的拓樸為能量調節充電電路(如美國專利6,359,420中所述，將其包含於此作為參考)或固定電流轉換器(返馳式、前饋式等)。由於大部分的電活性聚合物能量生成裝置將會針對成本與效能來權衡電極電阻，一般預期電活性聚合物能量生成裝置1804的等效串聯電阻會相對地高。為了最小化充電(與放電)期間的歐姆加熱損失，(針對特定量的電荷而言)應使用最少量的電流最長時間。充電控制器1806自能量儲存元件1808移走能量，並在循環的最大應變時將其傳輸至電活性聚合物能量生成裝置1804的介電彈性體薄膜。取決於整體系統的類型，控制電荷、能量或電壓(在複雜系統中可能是其組合)。
在一實施例中，能量儲存元件1808的配置將會取決於控制系統1800的需求。它可以是一個電容器組(例如在連接至公用事業電網的情況)或電池組(與電網分開的偏遠處)或某種組合。能量儲存元件1808的主要目的是提供初始的源電能以在每個機械循環的初期對電活性聚合物能量生成裝置1804充電。
類似於充電控制器1806，在一實施例中，放電控制器1810是負責在機械週期達到最小應變時自電活性聚合物能量生成裝置1804移走電能。在一實施例中，返馳式轉換器的用途最廣，因為可針對三種轉換循環(固定電荷、固定電壓及固定電場)而對其進行控制。亦可使用其他轉換器拓樸。在許多情況下，期望在機械循環的伸展相時電活性聚合物能量生成裝置1804上有零電壓(與零電荷)，以最大化輸入至彈性體中的機械能的量。控制系統1800的電子元件能判斷放電控制器1810何時應該自電活性聚合物能量生成裝置1804移走能量。
在一實施例中，電壓監控裝置1812是極高阻抗的分壓器，用以判斷電活性聚合物能量生成裝置1804上的電壓。頻寬應該至少是DC至1 kHz而阻抗應該要高，以使典型轉換循環的損失維持在少於1%最佳地維持在少於0.1%。
在一實施例中，應變監控裝置1814(無論是固定行程或可變行程)將電活性聚合物能量生成裝置1804的應變狀態提供予控制器1802。對於固定行程而言這可以是簡單的桿軸型編碼器，但是對於可變行程系統
而言，這可能需要在電活性聚合物能量生成裝置1804有一個小區域用來監測電容並假設這個小區域能代表整個電活性聚合物能量生成裝置1804的應變。在簡單的系統中，最大的應變會啟動系統的充電循環而最小的應變會啟動系統的放電循環。對於可變行程系統而言，應變監控裝置1814可以用來判斷何時應開始轉換循環而何時不該。例如，若波浪不夠大且電活性聚合物能量生成裝置1804可能只是應變10-20%，則控制系統1800會決定不作為，之後一旦可能發生50%的應變，則控制器1802會開始轉換程序。
如前面所討論，基於電活性聚合物之能量擷取能量生成裝置可具有高電極電阻，不若傳統的能量生成裝置使用高度導電的電極(或導體)來最小化損失。例如，轉動電磁發電機使用銅或鋁線的導體，因為其不需要順應導體。電活性聚合物能量生成裝置的高電極電阻通常是因為機械順應性的額外電極要求。電極必須要導電並同時具有順應性，因此電極的設計必須要權衡導電率與機械順應性。高度導電的電極(例如銀)極韌且不允許太多的機械移動。另一方面，較差的導電電極(例如經印刷的導電墨水)卻具有順應性、允許機械移動但阻值較高，導致嘗試對電活性聚合物能量生成裝置充電或放電時的電損失。
參考圖8所述的簡化電子元件電路可藉由在低電極電流下操作而最小化電極損失。此類簡化之電活性聚合物能量生成裝置的電子裝置雖然是針對高電極電阻所配置，但無法最佳化整個機械能轉換為電能的轉換能力，因此相較於最佳化的轉換器電子裝置會得到遠遠較低的比能量密度(簡單電子元件通常可得到0.04-0.06焦耳/克，而複雜的電子元件可得到0.4-0.6焦耳/克)。
圖8為電活性聚合物能量生成裝置1904用之高效率能量轉換電路1900之一實施例的方塊圖。在圖8中，效率能量轉換電路1900包含：藉由充電轉換器電子元件1906與放電轉換器電子元件1908而耦合至電活性聚合物能量生成裝置1904的控制電子元件1902。電流控制訊號1912被用來控制充電轉換器電子元件1906與放電轉換器電子元件1908。應變量測電子元件1910係耦合至電活性聚合物能量生成裝置1904並提供訊號至控制電子元件1902。此類配置的一個優點在於，電活性聚合物能量生成裝置1904中的電損失是受到控制的，因此能最大化整體的效率與效能。
在一實施例中，本文中所述的電活性聚合物能量生成裝置1904利用受到控制的電荷轉換來最小化對能量生成裝置1904充電或放電時的電極損失。在不同的實施例中，可使用到幾個控制電荷轉換的方法。例如，針對充電轉換器電子元件1906中的充電可使用同步的平行轉換器來，針對放電轉換器電子元件1908中的放電可使用連續式的降壓轉換器。在一實施例中，利用充電轉換器電子元件1906與放電轉換器電子元件1908中的電子元件與邏輯將充電或放電電流限制在一個能將電極損失降低至可接受程度的位準。此方法提供了電極電阻的不預期變化且限制了其對於電系統之操作條件的衝擊。能量生成裝置1904的電容及能量生成裝置1904的等效電極電阻皆會隨著機械應變變化。為了控制電活性聚合物能量生成裝置1904之充電與放電期間的電損失，根據下列標準來限制電流：
根據一實施例，對於具有高電極電阻之電活性聚合物能量生成裝置而言，依據電極電阻或過度損失來控制充電與放電電流會導致極差的整體能量生成裝置效率。
已大致上說明了幾個電活性聚合物能量生成裝置的實施例及其元件，現在本發明會回到電活性聚合物能量生成裝置的一實施例，其具有大於約30%的機械能轉換電能的轉換效率。在某些實施例中，利用根據不同實施例的技術可達到大於約80%的效率。例如在一實施例中，藉著將電活性能量生成裝置中的單一元件以複數陣列方式配置，機械能轉換電能的活性能量效率可超過80%。電活性聚合物能量生成裝置的此類配置可被稱為例如多相能量生成裝置。雖然多相功率轉換的基本概念是現代三相電能分配系統的基礎，但此概念尚未被應用至下列所將述的電活性聚合物能量生成裝置。即便已經說明了電活性聚合物能量生成裝置，但尚未揭露多相電活性聚合物能量生成裝置。尤其，電活性聚合物能量生成裝置具有六相的最小要求，因為其只在二分之一的循環上產生電能而不是像電磁發電機是在雙向中產生電能。因此，電磁能量生成裝置的最小最佳相數為三
相但電活性聚合物能量生成裝置的最小最佳相數為六相。然而，實施例並不受此處文義的限制，具有兩或更多相的能量生成裝置皆落在本發明的範疇中。
在本文所述之介電彈性體能量生成裝置中，彈性體薄膜交替地伸展與鬆弛為將機械能轉換為電能之工作循環的一部分。相較於轉換為電能的能量，伸展與鬆弛彈性體薄膜所需的機械能較大。在一實施例中，儲存在薄膜中的機械能的峰值通常比被轉換為電能之能量大十倍。在一實施例中，經由平衡多相能量生成裝置能增加機械至電的轉換效率，在此裝置中活性機械能被分配至處於工作循環中之不同點位處的彈性元件，俾使儲存在系統中的總被動應變能為常數。在一平衡多相能量生成裝置中，系統沒有一個較佳的靜止位置，因此順暢的操作不需要一個沈重的飛輪或質量塊。
在一實施例中，平衡多相能量生成裝置可包含一傳動耦合機構，此傳動耦合機構將轉動動作轉換為使複數傳感器交替伸展與鬆弛的往復動作，而每一傳感器包含介電彈性體元件。複數傳感器可沿著傳動耦合機構的工作循環平均分佈。在一實施例中，該複數傳感器可包含位於該工作循環之相反點的第一傳感器與第二傳感器。在另一實施例中，該複數傳感器可包含六個介電元件，每一元件係位於工作循環中的等間距位置處。熟知此項技藝者應瞭解，可使用任何數目之等距分佈元件。雖然可使用任何數目之等距分佈，但最佳化的電活性聚合物能量生成裝置具有六相的最小要求，因為電能只由半個循環所產生，不若電磁發電機的雙向發電。因此，電活性聚合物能量生成裝置的最小、最佳化相數為六。然而實施例並不限於此文義，在本發明的範疇內可考慮使用兩或更多相的能量生成裝置。
在一實施例中，傳動耦合機構係用以將機械能源耦合至複數傳感器並以可操作的方式連接至複數傳感器。傳動耦合機構可週期性地應變與鬆弛複數傳感器以回應作用於傳動耦合機構上的機械能源。傳動耦合機可包含一個工作循環，複數傳感器係沿著傳動耦合機構的工作循環平均分佈。例如，若複數傳感器包含第一傳感器與第二傳感器，第一與第二傳感器可位於工作循環的相反點處。在另一實例中，若複數傳感器包含六個
傳感器，六個傳感器可沿著工作循環以60度為增量平均分佈。熟知此項技藝者應瞭解，可使用任何數目之平均分佈的傳感器。
圖9-11顯示平衡多相能量生成裝置2500的一實施例。平衡多相能量生成裝置2500包含第一與第二支架2508a、2508b。第一與第二支架界定第一與第二軸承2514a、2514b。桿軸2510縱向延伸通過第一與第二軸承且在第一端處包含機械界面2511。第一旋轉盤2514與第二旋轉盤2516係以可操作的方式安裝至桿軸2510。第一對吊掛板2538a與第二對吊掛板2539b係以可操作的方式耦合至形成在第一與第二旋轉盤2514、2516上的接合件以將複數能量生成裝置元件(未顯示)支撐於其間。複數能量生成裝置元件的每一者包含至少一線電活性聚合物傳感器如介電彈性體能量生成裝置模組2520a。模組係由可伸展的電活性聚合物材料所製成尤其是由介電彈性體所製成，當其如上述受到伸展、受到基座電壓之供給、鬆弛及放電時，會將機械功轉換為電荷。第一與第二旋轉盤2514、2516包含斜接至桿軸2510的碟。第一與第二旋轉盤2514、2516係以相反的角度安裝，俾使第一與第二旋轉盤2514、2516形成反向轉動對。當桿軸2510轉動時，第一與第二旋轉盤2514、2516的邊緣界定出沿著桿軸2510之長度擺動的路徑，將桿軸2510的轉動動作轉換為第一與第二對吊掛板2538、2539的往復動作。
當機械功源將相反轉動動作施加至第一與第二旋轉盤2514、2516，能量生成裝置元件2520a藉由對應吊掛板2538、2539所施加之力在每一循環中伸展與鬆弛。由於每一吊掛板係位於第一與第二旋轉盤2514、2516中的不同點位處，因此能量生成裝置元件2520在工作循環中的交替點處伸展與鬆弛。
圖10A與10B顯示具有第一介電彈性體能量生成裝置模組2520a與第二介電彈性體能量生成裝置模組2520b位於工作循環之相對點的平衡多相能量生成裝置2500。旋轉盤以相對的角度反向轉動以交替地伸展與鬆弛第一與第二介電彈性體元件2520a、2520b使其反相即相差半個循環。圖10A顯示第一與第二介電彈性體元件2520a、2520b處於工作循環的第一點處。第一介電彈性體能量生成裝置模組2520a係處於工作循環中的最小應變或鬆弛態。第二介電彈性體能量生成裝置模組2520b係處於工作循環中的最大應變態。桿軸2510經由機械界面2511所施加的機械能而轉
動，使得第一與第二旋轉盤2514、2516轉動且第一與第二介電彈性體元件2520a、2520b週期地在工作循環中鬆弛與伸展。
圖10B顯示在工作循環中第二點處的平衡多相能量生成裝置2500。第一與第二旋轉盤2514、2516已轉動了180度。第一介電彈性體能量生成裝置模組2520a係處於工作循環中的最大應變態。第二介電彈性體能量生成裝置模組2520b已鬆弛至工作循環中的最小應變態。熟知此項技藝者當瞭解，雖然第一與第二介電彈性體元件2520a、2520b的應變態已經反轉，但系統中的總被動應變仍維持常數。
圖11與12顯示平衡多相能量生成裝置2500之兩個實施例的自由體圖。圖11顯示桿軸2510與旋轉盤2516之基本配置的一實施例。在基本配置中，第二介電彈性體能量生成裝置模組2520b係處於最大應變態且其施加在桿軸2510上的較大彎曲力矩2613係大於處於工作循環之鬆弛態下之第一介電彈性體能量生成裝置模組2520a施加在桿軸2510上的彎曲力矩2615。第一介電彈性體能量生成裝置模組2520a的彎曲力矩2613及第二介電彈性體能量生成裝置模組2520b的彎曲力矩2615係以相同的力矩臂d而作用，力矩臂d係取決於旋轉盤的角度與半徑。因此，最大應變態下的介電彈性體元件(在此情況下為第二介電彈性體能量生成裝置模組2520b作用在桿軸上的較大轉動力會大於鬆弛態下之介電彈性體元件作用在桿軸上的轉動力。
圖12顯示桿軸2510與偏離旋轉盤2616的一實施例。偏離旋轉盤2616與桿軸2510間具有偏離h。第一介電彈性體能量生成裝置模組2520a具有彎曲力矩等於d+h。第二介電彈性體能量生成裝置模組2520b具有彎曲力矩等於d-h。偏離h平衡了力矩，因為在最大應變態下的介電彈性體元件產生較大的力Fmax而此處第二介電彈性體能量生成裝置模組2520b具有較小的力矩。當桿軸2510轉動時，偏離旋轉盤2616繞著桿軸2510偏心轉動，使得偏離h能在Fmax的方向上維持偏離。藉著使旋轉盤2616偏離，可減少作用於桿軸2510上的總轉動力。
圖13顯示包含六個傳感器元件之平衡多相能量生成裝置2700的一實施例。平衡多相能量生成裝置2700包含第一組吊掛板2738a-f及第二組吊掛板2739a-f。第一與第二組吊掛板2738a-f、2739a-f係用以將
傳感器元件支撐於其間。圖中顯示了第一傳感器元件2720a與第二傳感器元件2720b，但為了清楚起見省略了其他四個傳感器元件。傳感器元件包含具有可伸展之電活性聚合物材料的介電彈性體模組，其具有至少一介電彈性體薄層位於至少第一與第二電極間。第一組吊掛板2738a-f係受到形成在第一旋轉盤2714上的複數接合件所支撐。第二組吊掛板2739a-f係受到形成在第二旋轉盤2716上的複數接合件所支撐。在各種實施例中，複數接合件可包含球形接頭、通用接頭或任何其他的適合接合件。第一與第二旋轉盤係位於桿軸2510上的相反角度處，例如當第一旋轉盤偏離垂直軸30°時，第二旋轉盤偏離垂直軸-30°。旋轉盤的相反角度使得傳感器在桿軸2510轉動時交替地伸展與鬆弛。
在一實施例中，第一與第二旋轉盤2714、2716的工作循環可包含旋轉盤的一個完整迴旋(360°)。六個傳感器的每一者係連接至來自第一組吊掛板2738a-f的一吊掛板及來自第二組2739a-f吊掛板的一吊掛板。例如，第一傳感器2720a可連接至第一吊掛板2738a與第二吊掛板2739a。吊掛板2738a-f、2739a-f其及間所支撐的傳感器係位於第一與第二旋轉盤之工作循環中的等間距位置處。例如，第一傳感器2720a、第一吊掛板2738a與第二吊掛板2739a可位於第一與第二旋轉盤2714、2716上的0°特定點處。第二傳感器與相關的吊掛板可位於工作循環上的60°位置處，第三傳感器位於120°位置處，第四傳感器位於180°位置處，第五傳感器位於240°位置處，而第六傳感器位於300°位置處。當桿軸2510轉動時，第一與第二旋轉盤2714、2716一起經歷工作循環，交替地伸展與鬆弛六個傳感器的每一者。在所示之實施例中，每一傳感器具有一配對的傳感器位於工作循環中的對向點。例如，若第一傳感器係位於最大應變態，與第一傳感器間距離180°的第二傳感器將會位於最小應變態。當第一傳感器轉變至最小應變態，則第二傳感器將轉變至最大應變態，導致系統內的零淨力增益。
圖14顯示包含正弦凸輪2814之平衡多相能量生成裝置2800的一實施例。平衡多相能量生成裝置2800包含具有傳動耦合機構的桿軸2810，傳動耦合機構包含正弦凸輪2814。桿軸2810係經由機械界面2811而耦合至機械能源。機械能源可以任何適合的機械能源例如尤其是靜水或動水、潮汐、波浪、風、太陽或地熱。機械能源使得桿軸2810轉動。正弦
凸輪2814係以固定方式連接至桿軸，俾使正弦凸輪2814與桿軸2810一起轉動。凸輪桿軸2816包含第一端與第二端且係以可操作的方式耦合至正弦凸輪2814。當正弦凸輪2814因機械能源而轉動時，正弦凸輪在第一凸輪板2838a與第二凸輪板2838b間往復移動。第一與第二凸輪板2838a、2838b可連接至基座2804。具有槽口塊2824a、2824b之形式的安裝元件係以固定方式連接至凸輪桿軸2816的第一端與第二端。
平衡多相能量生成裝置2800更可包含一或多個安裝板2841。安裝板2841可位於基座2804的長軸端處並自基座2804垂直地延伸。安裝板2841可具有一或多個安裝元件例如以特定方式安裝俾使每一槽口塊2824皆與凸輪桿軸2816之安裝元件2824軸向對準的槽口塊2824。包含介電彈性體模組的傳感器可以固定方式連接至位於凸輪桿軸2816上的槽口塊2824及位於安裝板2841上的槽口塊2825。當正弦齒輪轉動而凸輪桿軸2816在第一凸輪板2838a與第二凸輪板2838b間往復移動時，會使得介電彈性體模組交替地伸展與鬆弛。將介電彈性體能量生成裝置模組2820連接至凸輪桿軸的任一側使得桿軸能在正弦凸輪2814的一個工作循環期間操作兩個介電彈性體能量生成裝置模組2820。在一實施例中，平衡多相能量生成裝置2800可包含六個凸輪桿軸2816、兩個安裝板2841及位於凸輪桿軸2816與安裝板2841間的12個介電彈性體能量生成裝置模組。
應注意，當提到「一實施例」時代表與該實施例相關的特定特徵、結構或特定被包含在至少一實施例中。說明書中出現「在一實施例中」或「在一態樣中」時，並非指相同的實施例。
應瞭解，可利用「耦合」和「連接」與其衍生物的表示方式來敘述某些實施例。此處非指此些詞彙為彼此的同義詞。例如，某些實施例可用「連接」及/或「耦合」來表示兩或更多元件係彼此直接實體接觸或電接觸。但「耦合」一詞亦可表示兩或更多元件並非彼此直接接觸而是彼此共同操作或相互作用。
應瞭解，熟知此項技藝者將能夠設計出本文中未明確說明或顯示但體現本發明原理的各種配置，此些配置仍落在本發明的範疇內。又，本文中所敘述的所有實例與條件語言基本上旨在協助讀者瞭解本發明的原理及本領域的概念，其不應被解讀為本發明係限制於此類實例與條件。且，
本文中敘述原理、實施例及特定實例的所有陳述旨在包含其所有結構上與功能上的均等物。此外，此類均等物應包含目前已知的均等物及未來將會研究出的均等物即無論其結構為何而是能施行相同功能的任何元件。因此本發明的範疇並不限於文中所示與所述的例示性實施例與實施例，而是由申請專利範圍所體現。
本發明文義中所用的「一」與「該」與類似詞(尤其是在下面申請專利範圍的文義中所用)應被解讀為：除非另外指出或文義明顯矛盾，否則應包含單數與複數。文中敘述的數值範圍只是利用簡單的方式來表示落在此範圍內的每一單獨數值。除非在文中另外指出，否則每一單獨數值都應被包含於說明書中如同說明書中分別敘述之。除非另外指出或明顯與文義相矛盾，否則文中所述的所有方法可以任何適合的順序施行之。本文中所用的所有與任何實例或例示性語言(例如，「例如」、「在此情況下」)只是為了更清楚地說明本發明，其並未對本發明的範圍產生任何限制。在說明書中不應有任何語言被解讀為，指涉任何未被申請專利範圍所包含的元件是施行本發明的關鍵。更應瞭解，可撰寫申請專利範圍以排除任何選擇性的元件。如此，此陳述意在作為使用此類排除性用語(如「僅」、「止」與列舉申請專利範圍中之元件者)或使用負面界定的前置基礎。
針對本文中所揭露之替代性元件或實施例的分類編組不應被解讀為限制。每一組的組員可被單獨選用與置入申請專利範圍中，或者其可與文中該組或其他組的其他組員一起組合使用。期望為了簡便及/或可專利性的緣故，一組可包含、或刪除該組中的一或多個組員。
雖然在上面已說明了實施例的某些特徵，但熟知此項技藝者現在當可思及許多修改、取代、變化與均等物。因此應明白，申請專利範圍意在包含落在所揭露之實施例及隨附之申請專利範圍內的所有此類修改與變化。
100‧‧‧能量轉換裝置
102‧‧‧機械能源
104‧‧‧傳動耦合機構
106‧‧‧電活性聚合物傳感器
108‧‧‧調節電子元件
110‧‧‧電能
Claims (21)
- 一種平衡多相能量轉換設備，用以將來自機械能源的能量轉換為電能，該能量轉換設備包含：複數傳感器，每一該複數傳感器皆包含一介電彈性體模組，該介電彈性體模組包含介於至少第一與第二電極間的至少一介電彈性體薄層；及一傳動耦合機構，經組構以將該機械能源耦合至該複數傳感器並以可操作的方式連接至該複數傳感器，以週期性地應變與鬆弛該複數傳感器而回應作用於該傳動耦合機構上的該機械能，該傳動耦合機構包含一工作循環，其中該複數傳感器於該工作循環中平均分佈俾使總被動應變能為常數。
- 如申請專利範圍第1項之平衡多相能量轉換設備，其中：該複數傳感器包含一第一傳感器與一第二傳感器；及其中該第一與第二傳感器係位於該工作循環中的相反點處。
- 如申請專利範圍第2項之平衡多相能量轉換設備，其中：該複數傳感器包含一第三傳感器、一第四傳感器、一第五傳感器與一第六傳感器；及其中該第一、第二、第三、第四、第五與第六傳感器係沿著該工作循環平均分佈。
- 如申請專利範圍第3項之平衡多相能量轉換設備，其中至少有一對額外的傳感器與前面該六個傳感器沿著該工作循環平均分佈。
- 如申請專利範圍第1至3項中任何一項之平衡多相能量轉換設備，其中該傳動耦合機構將轉動動作轉換為往復動作。
- 如申請專利範圍第5項之平衡多相能量轉換設備，其中該傳動耦合機構包含一對相對的反向轉動能量生成裝置元件。
- 如申請專利範圍第6項之平衡多相能量轉換設備，其中該傳動耦合機構包含：一桿軸；其中該對相對的反向轉動能量生成裝置元件包含一第一旋轉盤與一第二旋轉盤，該第一與第二旋轉盤界定一或多個形成於其上的接合件，該第一與第二旋轉盤係以可操作的方式耦合至該桿軸。
- 如申請專利範圍第7項之平衡多相能量轉換設備，其中該第一與第二旋轉盤偏離該桿軸的軸心。
- 如申請專利範圍第7項之平衡多相能量轉換設備，包含：一第一吊掛板，具有以可操作方式耦合至該第一旋轉盤中之第一接合件的第一端；一第二吊掛板，具有以可操作方式耦合至該第二旋轉盤中之第一接合件的第一端；其中，該第一與第二吊掛板係耦合至該第一傳感器並分別以可操作方式耦合至位於該第一與第二旋轉盤上的該第一接合件；一第三吊掛板，具有以可操作方式耦合至該第一旋轉盤中之第二接合件的第一端；一第四吊掛板，具有以可操作方式耦合至該第二旋轉盤中之第二接合件的第一端；及其中，該第三與第四吊掛板係耦合至該第二傳感器並分別以可操作方式耦合至位於該第一與第二旋轉盤上的該第二接合件。
- 如申請專利範圍第7至9項中任何一項之平衡多相能量轉換設備，其中該一或多個接合件包含球形接頭。
- 如申請專利範圍第7至9項中任何一項之平衡多相能量轉換設備，其中該一或多個接合件包含通用接頭。
- 如申請專利範圍第5項之平衡多相能量轉換設備，其中該傳動耦合機構包含正弦凸輪。
- 如申請專利範圍第12項之平衡多相能量轉換設備，該正弦凸輪包含：一第一桿軸板與一第二桿軸板，該第一桿軸板包含複數第一孔洞而該第二桿軸板包含複數第二孔洞；至少一凸輪桿軸，包含第一端與第二端，該至少一凸輪桿軸係以可操作之方式位於該第一與第二桿軸板之間，其中該至少一凸輪桿軸延伸通過該複數第一孔洞之一者與該複數第二孔洞之一者。
- 如申請專利範圍第13項之平衡多相能量轉換設備，包含：一第一安裝元件，位於該至少一凸輪桿軸的該第一端上；及一第一安裝塊，其中該第一傳感器係耦合於該第一安裝元件與該第一安裝塊之間。
- 如申請專利範圍第14項之平衡多相能量轉換設備，包含：一第二安裝元件，位於該至少一凸輪桿軸的該第二端上；及一第二安裝塊，其中該第二傳感器係耦合於該第二安裝元件與該第二安裝塊之間。
- 如申請專利範圍第1至15項中任何一項之平衡多相能量轉換設備，包含：一調節電路，耦合至該至少第一與第二電極，用以在該介電彈性體薄膜處於應變態時將電荷施加至該介電彈性體薄膜、在該介電彈性體薄膜自該應變態轉換至鬆弛態時自該介電彈性體薄膜斷開、並在該介電彈性體薄膜到達鬆弛態時自該介電彈性體薄膜移除電荷。
- 如申請專利範圍第1至16項中任何一項之平衡多相能量轉換設備，其中該介電彈性體模組包含介於複數框架元件與形成在每一層上之複數 電極之間的複數介電彈性體薄膜元件膜層。
- 如申請專利範圍第17項之平衡多相能量轉換設備，包含位於該框架元件之至少一者上以將該調節電路耦合至該複數電極的匯流電極。
- 一種自機械能源產生平衡多相能量的方法，其包含：將一第一介電彈性體薄膜與一第二介電彈性體薄膜配置在一工作循環中的相反點處；利用機械能源交替地伸展與鬆弛該第一與第二介電彈性體薄膜至該工作循環的預定最大應變俾使總被動應變能維持常數；藉由一應變控制器監控該第一或第二介電彈性體薄膜何時達到該工作循環的該預定最大應變；當該第一與第二介電彈性體薄膜達到該工作循環的該預定最大應變時，藉由一充電控制器將電荷轉移至第一與第二介電彈性體薄膜；當該第一與第二介電彈性體薄膜達到該工作循環的預定最小應變時，藉由該充電控制器移除該第一與第二介電彈性體上的該電荷。
- 如申請專利範圍第19項之方法，包含：藉由該充電控制器自一能量儲存元件移除該電荷；及當該第一與第二介電彈性體薄膜達到該工作循環的該最大應變時，將自該能量儲存元件所移除的該電荷轉移至該第一與第二介電彈性體薄膜。
- 如申請專利範圍第20項之方法，包含：藉由一電壓監測器或應變監測器中的至少一者來判斷該第一與第二介電彈性體薄膜上的電壓或應變狀態；及將該電壓或應變量測值的至少一者提供予該控制器。
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