WO2011060856A1 - Energietransformer mit elektroaktivem polymerfolienkörper - Google Patents

Energietransformer mit elektroaktivem polymerfolienkörper Download PDF

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WO2011060856A1
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electroactive polymer
electrode
wound
strip
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PCT/EP2010/006326
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Klaus Reymann
Thomas Grund
Metin Koyuncu
Karsten Glien
Sven-Robert Raisch
Herbert Schmidt
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention relates to an energy transformer with an electroactive polymer film body.
  • the energy transformer has a multilayer electroactive polymer film with an electrode and a counterelectrode of a mechanically flexible capacitor.
  • a wave energy transformer is known, wherein a floating body carries a connecting element which slides up and down with the swell and correspondingly generates electrical energy in a coil surrounding the connecting element.
  • US 2007/0257490 A1 discloses a system and a method for using an electroactive polymer transformer in order to convert mechanical energy originally contained in one or more waves into electrical energy.
  • the transformer has a maritime device that converts the mechanical energy of a wave into mechanical energy, which is suitable as input for an electroactive polymer transformer.
  • Float carries a plurality of containers in which moving masses synchronize with the waves to perform mechanical movements and thus transform mechanical energy of the waves into kinetic energy, with which an electroactive polymer transformer is applied to generate electrical energy.
  • Such an electroactive polymer transformer has an electroactive polymer film, on the top side of which an electrode and on the underside of which a counterelectrode of a capacitor are arranged. Upon expansion, curvature, or other deformation of the electroactive polymer material, the capacitance of the capacitor, electrode, counter electrode, and interposed polymer film varies, so that electrical energy can be obtained from mechanical deformation of the polymer material in a suitable generator circuit.
  • the wave energy transformer has at least one position sensor which detects the reversal positions of the expansion phase in the relaxation phase and vice versa and signals a change in position to a corresponding control unit of the generator.
  • a disadvantage of the known wave energy transformers is their relatively complex and material-intensive structure, which according to the device according to DE 60 2004 008 639 12 requires a high expenditure on copper coils in order to control an up and down movement of a connecting element which is connected to a floating body. to transform into electrical energy.
  • Extensive foil-type structures are known in the wave energy transfer systems with an electroactive polymer transformer known from the publication US 2007/0257490 A1 in order to connect a floating body to the electroactive polymer film via corresponding connecting elements in such a way that the mechanical energy of the swell is transferred to the electroactive polymer material can, so that the electroactive polymer material is able to deliver electrical energy to a load or a rechargeable battery by means of a generator circuit.
  • a generator for converting mechanical energy to electrical energy in which at least two electrodes are arranged in a polymer in such a way that a change of the electric field in response to a on a first Part of the polymer applied deflection occurs.
  • different structures and arrangements of the electrodes are related to the electroactive polymer material is known, wherein, inter alia, proposed to roll an electroactive polymer film to a wound capacitor.
  • a disadvantage of this wound capacitor is that it is constructed cylindrically according to conventional wound capacitors and thus only to a limited extent unfolds its full effect, for example, in pure stretching of the electroactive polymer material, but for bending, curvature and other deformations has a reduced efficiency.
  • the object of the invention is to provide an energy transformer, which has a simplified and less expensive winding structure and in bending, bending and other movement-dependent deformations has a relation to the prior art improved shape.
  • an energy transformer preferably a wave energy transformer with an electroactive polymer film body.
  • the energy transformer has a multilayer electroactive polymer film with an electrode and a counterelectrode of a mechanically flexible capacitor.
  • the multilayer electroactive polymer film has a flat-wound electroactive polymer film ribbon.
  • the electroactive polymer film strip has an electrode structure, arranged on one side of the strip, of the electrode and the counter electrode of a capacitor. The electrode and the counterelectrode form, after winding to fold the electroactive polymer film ribbon into a flat-wound electroactive polymer film body, opposing electrodes having electroactive polymer film material interposed therebetween.
  • Such a flat-wound flexible capacitor with an electroactive polymer film material as a dielectric has the advantage of a variable capacity, which depends on the degree of deformation of the flexible capacitor.
  • a flat wound flexible capacitor is provided which can be advantageously used in energy transformers in order to be supported by a corresponding one Generator circuit from the mechanical deformation energy of the flexible capacitor to gain electrical energy.
  • the electrodes are arranged on one side on a polymer film band, which simplifies the manufacturing process of such a flat-wound capacitor and designed cost-effective.
  • a generator of electroactive polymer material is created, the stacked and arbitrarily large electrode surfaces together and can convert into corresponding impressed by swell mechanical bending in one or two-sided clamping into electrical energy.
  • edge strips of this flat-wound capacitor which in one embodiment of the invention have no electrode material, to a reinforcing structure in order to stabilize the edge strips via this reinforcing structure and to prepare them for clamping or screwing the flexible capacitor into corresponding holders.
  • the electrode and the counterelectrode of the electrode structures are arranged combingly intermeshing on the common side of the electroactive polymer film strip, wherein an uncoated fold is provided transversely to the longitudinal direction of the electroactive polymer film strip.
  • This uncoated fold forms a surface that forms the end faces of the wound flat capacitor when winding the polymer film strip. Since the required surfaces for the end faces increase from the inside to the outside, the uncoated folds are formed wider with increasing electrode position for the wider end faces.
  • two identical electrode surfaces of the electrode structure are arranged side by side on the side of the electroactive polymer film strip coated with electrode material. They have at the folding point on a narrow connecting web, which brings them electrically connected to each other. Thus, the fold is not completely free of electrode material since this tie bar is required for the function of the flat wound flexible capacitor.
  • the electrode material of the counterelectrode passes in a narrow interconnect web on the same electrode surfaces arranged side by side, so that also For this purpose, a narrow web of electrode material is present in the region of the fold.
  • an embodiment is provided in which not only the flat sides are coated with electrode material, but at least one of the end faces of the flat wound capacitor electrode material. For this purpose, no longer two identical electrode surfaces are provided next to each other interrupted by a fold in the comb structure, but rather electrode material is now deposited in the fold, so that the
  • Comb structure has large-area electrodes and counter-electrodes alternately and in succession.
  • the folding surface is thus provided with coated electrode material at the folds and thus at least one end side, so that U-shaped electrodes stack into one another in the flat wound capacitor.
  • the electroactive polymer film strip has a marginal strip with reinforcing material which is insulating and mechanically fixed in the wound state on one side or both sides of the generator and exposed to the capacitance variation of a bending force with unilateral or bilateral fixation of the wound reinforced edge strip can be.
  • This edge strip can be stiffened by glass fibers or ceramic filler particles such that a final compression of a relatively stable end of the clamped capacitor can be achieved, in which, for example, openings for fixing the capacitor can be introduced into a holder.
  • chucking elements which may engage apertures of the wound reinforced edge strip are screws, rivets or staples.
  • the reinforced, wound ends of the electroactive polymer film may be subjected to stretching for capacitance variation. It is advantageous if, for example, in a wave energy plant, the polymer film is removed by means of the strengthened edge strip is biased before it is exposed to the changing stresses caused by the swell.
  • the electroactive polymer film can be arranged in a linkage, the tensile and compressive forces of a wave is set.
  • the linkage is preferably designed as a lattice structure that rides on the waves and induced by the swell pressure and tensile forces in the bars of the lattice structure.
  • variable capacitance of the flat-wound electroactive polymer film interacts with a generator.
  • This generator has a generator circuit, a supply battery, an intermediate capacitor and a control unit, wherein the control unit transmits charges on the intermediate capacitor depending on the wave and / or charges a charging battery and / or feeds a load such as a power supply network.
  • a generator circuit has a generator circuit, a supply battery, an intermediate capacitor and a control unit, wherein the control unit transmits charges on the intermediate capacitor depending on the wave and / or charges a charging battery and / or feeds a load such as a power supply network.
  • a frequency converter which also has an intermediate capacity in its intermediate circuit and ensures that the low frequency of the wave is reflected in the frequency of the network at 50 or 60 Hz. transferred.
  • a generator is thus made possible for converting mechanical wave energy into electrical energy, which has a high efficiency owing to the energy transformer according to the invention.
  • a wave energy plant can be operated with a large number of wave energy transformers which act as wave followers and which can be distributed over a large sea surface with a correspondingly high wave stroke and which follow the movements of the waves individually.
  • wave followers are also called "point absorbers" in contrast to tidal power plants, in which not single wave followers are distributed on large sea surfaces, but where the incoming water is collected at high tide in catch basins and is discharged at low tide on turbines.
  • a process for producing a multilayer electroactive polymer film body of an energy transformer has the following process steps.
  • an electroactive polymer film ribbon made of an electroactive polymer is prepared. This is followed by a one-sided coating of the electroactive polymer film strip having an electrode structure and a counter-electrode structure, the structures meshing without touching each other and the electrode surfaces and the counter-electrode surfaces are larger than the interposed folding surfaces, which are required to subsequently allow the winding. Finally, folding the electroactive polymer film ribbon to form a flat-wound multilayer electroactive polymer film body.
  • This method has the advantage that only on one side the electrode structures are applied to the electroactive polymer film tape and a coating can be omitted from the bottom. At the same time, it also has the advantage that no insulating intermediate layers are to be stored in the winding of the flat flexible capacitor, so that not only the costs for such insulating films can be saved, but also the space requirement is reduced.
  • mechanical reinforcing materials are applied to edge strips on the edge sides of the electroactive polymer film strip. Subsequently, the mechanical reinforcing material is compacted on the marginal strip into clamping elements, after a flat-wound electroactive polymer film body has been formed by winding under folding of the electroactive polymer film strip and thus there is also a reinforced edge strip for compacting.
  • the compaction is performed at elevated pressure and elevated temperature to provide a reinforced edge zone that allows the flat wound capacitor to be clamped into the various mechanical wave energy harvesting devices.
  • Figure 1 shows a schematic cross section of an electroactive polymer film strip with one-side applied electrode structure for a polymer film body of a wave energy transformer according to a first embodiment of the invention
  • Figure 1 shows a schematic cross section of the electroactive polymer film ribbon of Figure 1 after being wound up into a flat wound polymer film body by folding along folds.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of an upper side of the polymer film strip according to Figure 1 with an applied electrode structure; shows a schematic cross section of an electroactive polymer film strip with one-sided applied electrode structure for a polymer film body for a wave energy transformer according to a second embodiment of the invention;
  • Figure 4 is a schematic cross section of the electroactive polymer film ribbon of Figure 4 after being wound into a flat wound polymeric film body by folding along folds; shows a schematic perspective view of the top of the polymer film strip of Figure 4 with an applied electrode structure;
  • Figure 7 is a schematic perspective view of an upper surface of a polymer film ribbon for a polymer film body according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 8 shows a schematic partially cutaway perspective view of a
  • FIG. 9 shows a schematic sketch of a wave energy generator using a wave energy transformer according to one of the three mentioned embodiments of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of an electroactive polymer film strip 9 with a single-sidedly applied electrode structure 10 for a polymer film body 1 of a wave energy transformer according to a first embodiment of the invention.
  • the electroactive polymer film tape 9 is made of an electroactive polymer film 4.
  • an electrode structure 10 is applied, which may consist, for example, of carbon particles or other metallically conductive particles, which are introduced close to the surface into the electroactive polymer film as filler, so that they can shift with the polymer film, without to lose electrical contact with each other.
  • Carbon nanotubes which, because of their high flexibility and flexibility and fine distribution in the near-surface region of the host material, are also able to follow the strains and curves of the highly flexible electroactive polymer film 4 and to remain in electrical contact with one another, are preferably used for these applications.
  • the polymer film 4 has already been cut into electroactive polymer film strips 9 for this application, the upper side 13 being prepared in electrode-carrying regions for the electrodes 6 and the counterelectrodes 7 and in electrode-free folding points 14.
  • the folds are marked with arrows, wherein the folding surfaces 36 become larger with increasing length of the electroactive polymer film strip to ensure a 90 ° curvature at the folds 14 when winding the electroactive polymer film strip 9!
  • the electrode-free folding surfaces 36 become corresponding end faces, which increase with each winding.
  • the cross-section shown in FIG. 1 is drawn exaggeratedly thick for purposes of illustration both for the electroactive polymer film 4 and for the electrode structure 10.
  • the electrode structure 10 has a thickness of a few micrometers, while the thickness of the electroactive polymer film 4 is a few tens of micrometers.
  • the electrode with marked with a + and the counter electrode with a - are not necessarily polarities or potentials, which form in the electroactive polymer film body 1.
  • FIGURE 1 shows a schematic cross-section of the electroactive polymer film ribbon 9 after being wound to fold the polymer film ribbon 9 into a flat wound electroactive polymer film body 1.
  • the wound flat electroactive polymer foil body 1 has twelve layers of electrodes facing each other
  • this number can be arbitrarily reduced and also arbitrarily increased, depending on the load size and the required elasticity and compliance with mechanical deformations, the prerequisite for the generation of charge carriers in the use of such electroactive polymer materials for energy entsc
  • Figure 2 shows in this cross section that the folding surfaces 36 and thus the end faces 37 in this flat wound electroactive polymer film body 8 are free of electrode material in the illustrated schematic cross section through the center of the electroactive polymer film body 1.
  • the peripheral areas there are namely strip conductors and connecting webs. This becomes clearer with the following FIG. 3.
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of an upper side 13 of the polymer film strip 9 according to FIG. 1 with an applied electrode structure 10.
  • the folds 14 are marked with arrows.
  • the folding surfaces 36 are largely free of electrode material, but by the comb structure 38, with which the two electrodes engage each other without touching each other, are in the edge region on the one hand connecting webs 17 between the same electrode surfaces and conductor webs 18, which far apart electrode surfaces of the comb structure 38 connect with each other.
  • This electrode structure 10 has the advantage that the folding surfaces 36 are adapted to the size of the end faces can be. Further, it has the advantage that both the electrode 6 and the counter electrode 7 can be contacted after the winding by folding without problems.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section of an electroactive polymer film strip 9 with an electrode structure 1 1 applied on one side for a polymer film body 2 of a waveguide energy transformer according to a second embodiment of the invention.
  • Components having the same functions as in the previous figures are identified by the same reference numerals and will not be discussed separately.
  • the difference from the first embodiment of the electroactive polymer film body 8 shown in FIGS. 1 to 3 is that large-area individual electrodes 6 and individual counterelectrodes 7 alternate in the comb structure, whereby now one of the two end faces of the flat-wound electroactive polymer film body is layered with electrode material during winding , Thus, without additional material consumption, the effective condenser surface is significantly increased for the same space requirement.
  • FIG. 6 shows a schematic perspective view of an upper side 13 of the polymer film strip 3 according to FIG. 4 with an applied electrode structure 11. This structure eliminates the short connecting webs 17.
  • FIG. 7 shows a schematic perspective view of an upper side 13 of a polymer film strip 9 for an electroactive polymer film body 3 according to a third embodiment of the invention.
  • edge strips 19 are coated with a reinforcing material 20 which essentially comprises fiber materials to provide a possibility at the edge strips to induce tensile forces, torsional moments or bending forces in the electroactive polymer material.
  • the structure of the electrode 6 and the counter electrode 7 corresponds to the electrode structure 10, as already shown in FIG.
  • an electroactive polymer film strip shown in FIG. 7 is folded or folded at the folds 1 during winding and wound up into a flat wound body, then the half of an electroactive polymer film body 3 shown in FIG. 8 results in a clamping with polymer film capacitor 8 and reinforcing material 20.
  • nenden 23 with which the polymer film body can be mounted between different brackets, for example, to bend, bend, twist and / or stretch it.
  • a through opening 49 is provided on each end region of one half of the electroactive polymer film body 3, through which, for example, screws, rivets or clamps for fixing the capacitor 8 can be introduced.
  • FIG. 9 shows a schematic sketch of a wave energy generator 21 using a wave energy transformer 5 according to one of the three mentioned embodiments of the invention.
  • the wave energy transformer 5 is clamped at its two ends 23 and 24 respectively in holders 50 and 51 or fixed by screws 25 and is exposed to the forces of the wave 27, by means of a float 41 and a coupling member 42, the movement of the shafts 26 on the wave energy transformer 5 are transmitted.
  • the electrodes 6 and 7 shown in the preceding figures it is possible to connect the wave energy transformer 5 with its electrode 6 and its counter electrode 7 via corresponding power lines 43 and 44 to a generator circuit 28.
  • the charge obtained in one cycle can be stored in a charging battery 32 via a DC / DC converter 45.
  • a line 46 from the generator circuit 28 it is possible via a line 46 from the generator circuit 28 to charge a capacitor as a latch 30 with the obtained charges.
  • the generator circuit 28 is also connected to a frequency converter 40, can be converted over the low frequencies of the wave 27 in a network frequency and, for example, a load 33 can be supplied.
  • a supply battery 29 provides an initial field strength supply line 53 to be applied to the wave energy transformer 5 of electroactive polymer for each cycle start.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energietransformer (5) mit einem elektroaktiven Polymerfolienkörper (1). Der Energietransformer (5) weist eine mehrschichtige elektroaktive Polymerfolie (4) mit einer Elektrode (6) und einer Gegenelektrode (7) eines mechanisch flexiblen Kondensators (8) auf. Die mehrschichtige elektroaktive Polymerfolie (4) weist ein flachgewickeltes elektroaktives Polymerfolienband (9) auf. Das elektroaktive Polymerfolienband (9) weist eine einseitig auf dem Band angeordnete Elektrodenstruktur (10, 11) der Elektrode (6) und der Gegenelektrode (7) eines Kondensators (8) auf. Die Elektrode (6) und die Gegenelektrode (7) bilden nach Wickeln unter Falten des elektroaktiven Polymerfolienbandes (9) zu einem flachgewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörper (1) einander gegenüberliegende Elektroden (6, 7) mit dazwischen angeordnetem elektroaktiven Polymerfoliematerial (12).

Description

Energietransformer mit elektroaktivem Polymerfolienkörper
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Energietransformer mit einem elektroaktiven Polymerfolienkörper. Der Energietransformer weist eine mehrschichtige elektroaktive Polymerfolie mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode eines mechanisch flexiblen Kondensators auf. Aus der Druckschrift DE 60 2004 008 639 T2 ist ein Wellenenergietransformer bekannt, wobei ein Schwimmkörper ein Verbindungselement trägt, das mit dem Wellengang auf- und abgleitet und entsprechend elektrische Energie in einer das Verbindungselement umgebenden Spule erzeugt. Aus der Druckschrift US 2007/0257490 A1 ist ein System und ein Verfahren zur Nutzung eines elektroaktiven Polymertransformers bekannt, um mechanische Energie, die ursprünglich in einem oder mehreren Wellen enthalten ist, in elektrische Energie zu wandeln. Dazu weist der Transformer ein maritimes Gerät auf, das die mechanische Energie einer Welle in mechanische Energie umwandelt, die als Eingang für einen elektroaktiven Polymertransfor- mer geeignet ist.
Auch aus dieser Druckschrift ist ein Schwimmkörper bekannt, der teilweise mit unter Wasser angeordneten Massen verbunden ist oder direkt am Meeresboden verankert ist. Der
Schwimmkörper trägt mehrere Behälter, in denen bewegliche Massen synchron mit dem Wellengang mechanische Bewegungen ausführen und damit mechanische Energie des Wellenganges in kinetische Energie transformieren, mit der ein elektroaktiver Polymertransformer zur Erzeugung von elektrischer Energie beaufschlagt wird. Ein derartiger elektroaktiver Polymertransformer hat eine elektroaktive Polymerfolie, auf deren Oberseite eine Elektrode und auf deren Unterseite eine Gegenelektrode eines Kondensators angeordnet sind. Bei einer Dehnung, einer Krümmung oder einer anderen Verformung des elektroaktiven Polymermaterials variiert die Kapazität des Kondensators aus Elektrode, Gegenelektrode und dazwischen angeordneter Polymerfolie, so dass aus mechanischer Verformung des Polymermaterials in einer geeigneten Generatorschaltung elektrische Energie gewonnen werden kann.
Wird das elektroaktive Polymer bei nur geringer elektrischer Feldstärke durch ein mechani- sches Energieübertragungssystem aufgrund des Wellenganges gedehnt, so erhöht sich die elektrische Feldstärke. Die erhöhte elektrische Feldstärke wird beibehalten, während sich die elektroaktive Polymerfolie entspannt, und kann elektrische Energie an eine Zwischenkapazität oder eine Ladebatterie in der Entspannungsphase der Folie abgeben. Dazu weist der Wellenenergietransformer mindestens einen Positionssensor auf, der die Umkehrpositionen von Dehnungsphase in Entspannungsphase und umgekehrt erfasst und eine Positionsänderung einem entsprechenden Steuergerät des Generators signalisiert.
Ein Nachteil der bekannten Wellenenergietransformer ist ihr relativ komplexer und materialintensiver Aufbau, der gemäß der Vorrichtung nach DE 60 2004 008 639 12 einen hohen Auf- wand an Kupferspulen erfordert, um eine Auf- und Abwärtsbewegung eines Verbindungselements, das mit einem Schwimmkörper in Verbindung steht, in elektrische Energie zu transformieren. Bei den aus der Druckschrift US 2007/0257490 A1 bekannten Wellenener- gieübertrager mit einem elektroaktiven Polymerübertrager sind aufwendige folienartige Aufbauten bekannt, um einen Schwimmkörper über entsprechende Verbindungselemente mit der elektroaktiven Polymerfolie derart zu verbinden, dass die mechanische Energie des Wellenganges auf das elektroaktive Polymermaterial übertragen werden kann, so dass das elektroaktive Polymermaterial in der Lage ist, mittels einer Generatorschaltung elektrische Energie an eine Last oder eine Ladebatterie abzugeben. Aus der Druckschrift EP 1 212 800 D1 ist darüber hinaus ein Generator zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie bekannt, bei dem wenigstens zwei Elektroden in einem Polymer in einer Weise angeordnet sind, dass eine Veränderung des elektrischen Feldes als Reaktion auf eine auf einem ersten Teil des Polymers aufgebrachte Auslenkung auftritt. Ferner sind unterschiedliche Aufbauten und Anordnungen der Elektroden in Bezug auf das elektroaktive Polymermaterial bekannt, wobei unter anderem auf ein Aufrollen einer elektroaktiven Polymerfolie zu einem Wickelkondensator vorgeschlagen wird.
Ein Nachteil dieses Wickelkondensators ist es jedoch, dass er entsprechend herkömmlicher Wickelkondensatoren zylindrisch aufgebaut ist und somit nur beschränkt beispielsweise bei reiner Dehnung des elektroaktiven Polymermaterials seine volle Wirkung entfaltet, jedoch für Durchbiege-, Krümmungs- und andere Verformungen eine verminderte Effektivität besitzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energietransformer zu schaffen, der eine vereinfachte und kostengünstigere Wickelstruktur aufweist und bei Biege-, Krümmungs- und anderen bewegungsabhängigen Verformungen eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Form aufweist.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Energietransformer, vorzugsweise ein Wellenenergietransformer mit einem elektroaktiven Polymerfolienkörper geschaffen. Der Energietransformer weist eine mehrschichtige elektroaktive Polymerfolie mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode ei- nes mechanisch flexiblen Kondensators auf. Die mehrschichtige elektroaktive Polymerfolie weist ein flachgewickeltes elektroaktives Polymerfolienband auf. Das elektroaktive Polymerfolienband weist eine einseitig auf dem Band angeordnete Elektrodenstruktur der Elektrode und der Gegenelektrode eines Kondensators auf. Die Elektrode und die Gegenelektrode bilden nach Wickeln unter Falten des elektroaktiven Polymerfolienbandes zu einem flachge- wickelten elektroaktiven Polymerfolienkörper einander gegenüberliegende Elektroden mit dazwischen angeordnetem elektroaktiven Polymerfoliematerial.
Ein derart flachgewickelter flexibler Kondensator mit einem elektroaktiven Polymerfolienmaterial als Dielektrikum hat den Vorteil einer Variablen Kapazität, die vom Verformungsgrad des flexiblen Kondensators abhängt. Durch die nachfolgend noch näher erörterte einseitig aufgebrachte Elektrodenstruktur für Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators wird ein flacher gewickelter flexibler Kondensator geschaffen, der in vorteilhafter Weise in Energietransformern eingesetzt werden kann, um bei Unterstützung durch eine entsprechende Generatorschaltung aus der mechanischen Verformungsenergie des flexiblen Kondensators elektrische Energie zu gewinnen.
Dabei ist von besonderem Vorteil, dass die Elektroden einseitig auf einem Polymerfolien- band angeordnet sind, was den Herstellungsprozess eines derartigen flachgewickelten Kondensators vereinfacht und kostengünstig gestaltet. Darüber hinaus wird mit dem flachgewickelten Kondensator ein Generator aus elektroaktiven Polymermaterial geschaffen, der übereinander gestapelte und beliebig große Elektrodenflächen miteinander verbindet und in entsprechende durch Wellengang eingeprägte mechanische Verbiegungen bei einseitiger oder beidseitiger Einspannung in elektrische Energie wandeln kann. Außerdem ist es möglich, Randstreifen dieses flachgewickelten Kondensators, die in einer Ausführungsform der Erfindung keinerlei Elektrodenmaterial aufweisen, mit einer Verstärkungsstruktur zu verbinden, um über diese Verstärkungsstruktur die Randstreifen zu stabilisieren und sie für ein Einklemmen oder Einschrauben des flexiblen Kondensators in entsprechende Halterungen vorzubereiten.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Elektrode und die Gegenelektrode der Elektrodenstrukturen auf der gemeinsamen Seite des elektroaktiven Polymerfolienbandes kammförmig ineinandergreifend angeordnet, wobei jeweils eine unbeschichtete Faltstelle quer zur Längsrichtung des elektroaktiven Polymerfolienbandes vorgesehen ist. Diese unbeschichtete Faltstelle bildet eine Fläche, die beim Aufwickeln des Polymerfolienbandes die Stirnseiten des aufgewickelten flachen Kondensators bildet. Da von innen nach außen die benötigten Flächen für die Stirnseiten zunehmen werden die unbeschichteten Faltstellen mit zunehmender Elektrodenlage breiter für die breiter werdenden Stirnseiten ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind jeweils zwei gleiche Elektrodenflächen der Elektrodenstruktur nebeneinander auf der mit Elektrodenmaterial beschichteten Seite des elektroaktiven Polymerfolienbandes angeordnet. Sie weisen an der Faltstelle einen schmalen Verbindungssteg auf, der sie miteinander elektrisch in Verbindung bringt. Somit ist die Faltstelle nicht vollständig frei von Elektrodenmaterial, da dieser Verbindungssteg für die Funktion des flachgewickelten flexiblen Kondensators erforderlich ist.
Außerdem führt an den nebeneinander angeordneten gleichen Elektrodenflächen das Elektrodenmaterial der Gegenelektrode in einem schmalen Leiterbahnsteg vorbei, so dass auch hierfür im Bereich der Faltstelle ein schmaler Steg von Elektrodenmaterial vorhanden ist. Diese spezielle Struktur wird anhand der späteren Figuren noch näher erläutert.
Durch eine weitere modifizierte Elektrodenstruktur auf der gemeinsamen, mit der Elektrode und der Gegenelektrode beschichteten Seite des elektroaktiven Polymerfolienbandes wird eine Ausführungsform geschaffen, bei der nicht nur die flachen Seiten mit Elektrodenmaterial beschichtet sind, sondern zumindest eine der Stirnseiten des flachgewickelten Kondensators Elektrodenmaterial aufweist. Dazu werden in der Kammstruktur nicht mehr zwei gleiche Elektrodenflächen nebeneinander unterbrochen durch eine Faltstelle vorgesehen, sondern vielmehr wird nun auch Elektrodenmaterial in der Faltstelle abgeschieden, so dass die
Kammstruktur großflächige Elektroden und Gegenelektroden abwechselnd und hintereinander aufweist.
Beim anschließenden Aufwickeln des elektroaktiven Polymerfolienbandes wird somit die Faltfläche an den Faltungen und damit mindestens eine Stirnseite mit beschichtetem Elektrodenmaterial versehen, so dass sich U-förmige Elektroden ineinander in dem flachgewickelten Kondensator stapeln. Das hat den Vorteil, dass die Kapazität weiter erhöht werden kann, ohne dass zusätzliches elektroaktives Polymerfolienmaterial erforderlich ist. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das elektroaktive Polymerfolienband einen Randstreifen mit Verstärkungsmaterial aufweist, das isolierend ist und im aufgewickelten Zustand mechanisch in einem Generator einseitig oder beidseitig fixiert und zur Kapazitätsvariation einer Biegekraft unter einseitiger oder beidseitiger Fixierung des aufgewickelten verstärkten Randstreifens ausgesetzt werden kann. Dieser Randstreifen kann durch Glasfasern oder keramische Füllstoffpartikel derart versteift werden, dass bei einer abschließenden Kompression ein relativ stabiles Ende des einzuspannenden Kondensators erreicht werden kann, in das beispielsweise auch Öffnungen zum Fixieren des Kondensators in einer Halterung eingebracht werden können. Derartige Einspannelemente, die mit Öffnungen des aufgewickelten verstärkten Randstreifens in eingriff stehen können, sind Schrauben, Nieten oder Klammern.
Zur Energiegewinnung können die verstärkten, aufgewickelten Enden der elektroaktiven Polymerfolie zur Kapazitätsvariation einer Dehnung ausgesetzt werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn beispielsweise in einer Wellenenergieanlage die Polymerfolie mit Hilfe der ver- stärkten Randstreifen vorgespannt wird, bevor sie den wechselnden Belastungen durch den Wellengang ausgesetzt wird.
Mit Hilfe der verstärkten Enden kann die elektroaktive Polymerfolie in einem Gestänge ange- ordnet werden, das Zug- und Druckkräften eines Wellenganges aufgesetzt ist. Dabei wird das Gestänge vorzugsweise als eine Gitterstruktur ausgeführt, die auf den Wellen reitet und durch den Wellengang Druck- und Zugkräfte in den Gitterstäben der Gitterstruktur induziert. Durch Anordnung eines erfindungsgemäßen flachgewickelten Kondensators in den Gitterstäben können somit hohe Kapazitätsvariationen durch den Wellengang erreicht werden und damit eine effektive Energiegewinnung mit Hilfe des Wellenganges realisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wirkt die variable Kapazität der flachgewickelten elektroaktiven Polymerfolie mit einen Generator zusammen. Dieser Generator weist eine Generatorschaltung, eine Versorgungsbatterie, einen Zwischenkondensator und eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit abhängig vom Wellengang Ladungen auf den Zwischenkondensator überträgt und/oder eine Ladebatterie auflädt und/oder eine Last wie ein Stromversorgungsnetz speist. Um jedoch die Energie in das Netz einzuführen sind weitere elektronische Schaltungen erforderlich wie beispielsweise ein Frequenzumformer, der ebenfalls eine Zwischenkapazität in seinem Zwischenkreis aufweist und dafür sorgt, dass die niedrige Frequenz des Wellenganges in die Frequenz des Netzes, die bei 50 oder 60 Hz liegt, überführt.
Es wird somit ein Generator zum Umwandeln von mechanischer Wellenenergie in elektrische Energie ermöglicht, der eine hohe Effizienz aufgrund des erfindungsgemäßen Ener- gietransformers aufweist. Außerdem kann mit Hilfe des Wellenenergietransformers eine Wel- lenenergieanlage betrieben werden mit einer Vielzahl von Wellenenergietransformern, die als Wellenfolger arbeiten und die auf eine große Meeresfläche mit entsprechend hohem Wellenhub verteilt werden können und die den Bewegungen der Wellen einzeln folgen. Derartige Wellenfolger werden auch„Point Absorber" genannt im Gegensatz zu Gezeitenkraftwerken, bei denen nicht einzelne Wellenfolger auf großen Meeresflächen verteilt werden, sondern bei denen das auflaufende Wasser bei Flut in Auffangbecken gesammelt wird und bei Ebbe wieder über Turbinen abgegeben wird. Ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen elektroaktiven Polymerfolienkörpers eines Energietransformers weist die nachfolgenden Verfahrenschritte auf. Zunächst wird ein elektroaktives Polymerfolienband aus einem elektroaktiven Polymer hergestellt. Anschließend erfolgt ein einseitiges Beschichten des elektroaktiven Polymerfolienbandes mit einer Elektrodenstruktur und einer Gegenelektrodenstruktur, wobei die Strukturen ohne sich zu berühren kammartig ineinander greifen und die Elektrodenflächen und die Gegenelektrodenflächen größer sind als die dazwischen angeordneten Faltflächen, welche benötigt werden, um anschließend das Aufwickeln zu ermöglichen. Abschließend wird unter Falten des elektroaktiven Polymerfolienbandes zu einem flachgewickelten mehrschichtigen elektroaktiven Polymerfolienkörper aufgewickelt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass lediglich einseitig die Elektrodenstrukturen auf das elektroaktive Polymerfolienband aufzubringen sind und eine Beschichtung von der Unterseite aus entfallen kann. Gleichzeitig hat es auch den Vorteil, dass keine isolierende Zwischen- schichten bei der Wicklung des flachen flexiblen Kondensators einzulagern sind, so dass nicht nur die Kosten für derartige Isolierfolien eingespart werden können, sondern auch der Raumbedarf vermindert wird.
In den Faltflächen wird bei einer Durchführung des Verfahrens keine Elektrodenstruktur auf dem elektroaktiven Polymerfolienband vorgesehen, sondern lediglich schmale Leitungsstege und schmale Verbindungsstege. Somit wird aus diesen Faltflächen die Breite der Stirnflächen des flachgewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörpers und die großflächigen Elektroden der Kammstruktur bilden die Breitseiten des elektroaktiven flachgewickelten Polymer- folierikörpers.
In einer Modifikation des Verfahrens werden auf Randseiten des elektroaktiven Polymerfolienbandes mechanische Verstärkermaterialien auf Randstreifen aufgebracht. Anschließend wird das mechanische Verstärkungsmaterial auf den Randstreifen zu Einspannelementen kompaktiert, nachdem durch Wickeln unter Falten des elektroaktiven Polymerfolienbandes ein flachgewickelter elektroaktiver Polymerfolienkörper entstanden ist und somit auch ein verstärkter Randstreifen zum Kompaktieren vorliegen. Das Kompaktieren wird bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur durchgeführt, um eine verstärkte Randzone zu schaffen, mit der der flachgewickelte Kondensator in die unterschiedlichen mechanischen Vorrichtungen zur Wellenenergiegewinnung eingespannt werden kann. ie Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. zeigt einen schematischen Querschnitt eines elektroaktiven Polymerfolienbandes mit einseitig aufgebrachter Elektrodenstruktur für einen Polymerfolienkörper eines Wellenenergietransformers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; zeigt einen schematischen Querschnitt des elektroaktiven Polymerfolienbandes gemäß Figur 1 nach Aufwickeln zu einem flachen gewickelten Polymerfolienkörper durch Falten entlang von Faltstellen. zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Oberseite des Polymerfolienbandes gemäß Figur 1 mit einer aufgebrachten Elektrodenstruktur; zeigt einen schematischen Querschnitt eines elektroaktiven Polymerfolienbandes mit einseitig aufgebrachter Elektrodenstruktur für einen Polymerfolienkörper für einen Wellenenergietransformer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; zeigt einen schematischen Querschnitt des elektroaktiven Polymerfolienbandes gemäß Figur 4 nach Aufwickeln zu einem flachen gewickelten Polymerfolienkörper durch Falten entlang von Faltstellen; zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Oberseite des Polymerfolienbandes gemäß Figur 4 mit einer aufgebrachten Elektrodenstruktur;
Figur 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Oberseite eines Polymerfolienbandes für einen Polymerfolienkörper gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 8 zeigt eine schematische teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines
Polymerfolienkörpers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung; Figur 9 zeigt eine schematische Skizze eines Wellenenergiegenerators unter Einsatz eines Wellenenergietransformers gemäß einer der drei genannten Ausführungsformen der Erfindung. Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines elektroaktiven Polymerfolienbandes 9 mit einseitig aufgebrachter Elektrodenstruktur 10 für einen Polymerfolienkörper 1 eines Wellenenergietransformers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das elektroaktiven Polymerfolienbandes 9 ist aus einer elektroaktiven Polymerfolie 4 hergestellt. Auf die Oberseite 13 des elektroaktiven Polymerfolienbandes 9 ist eine Elektrodenstruktur 10 aufge- bracht, die beispielsweise aus Kohlenstoffpartikeln oder anderen metallisch leitenden Partikeln bestehen kann, die in die elektroaktive Polymerfolie als Füllstoff oberflächennah eingebracht sind, so dass sie sich mit der Polymerfolie verschieben können, ohne einen elektrischen Kontakt untereinander zu verlieren. Vorzugsweise werden für diese Anwendungen auch Kohlenstoffnanoröhrchen eingesetzt, die wegen ihrer hohen Flexibilität und Nachgie- bigkeit und Feinverteilung im oberflächennahen Bereich des Wirtsmaterials in der Lage sind, den Dehnungen und Krümmungen der hochflexiblen elektroaktiven Polymerfolie 4 zu folgen und elektrisch in Kontakt untereinander zu bleiben.
Die Polymerfolie 4 ist für diese Anwendung bereits in elektroaktive Polymerfolienbänder 9 geschnitten, wobei die Oberseite 13 in Elektroden tragende Bereiche für die Elektroden 6 und die Gegenelektroden 7 sowie in elektrodenfreie Faltstellen 14 vorbereitet ist. In Figur 1 sind die Faltstellen mit Pfeilen markiert, wobei die Faltflächen 36 mit zunehmender Länge des elektroaktiven Polymerfolienbandes größer werden, um eine 90 ° Krümmung an den Faltstellen 14 beim Aufwickeln des elektroaktiven Polymerfolienbandes 9 sicherzustellen!
Wie es die nächste Figur 2 zeigt, werden beim Aufwickeln die Elektrodenfreien Faltflächen 36 zu entsprechenden Stirnseiten, die mit jeder Wicklung zunehmen.
Der in Figur 1 gezeigte Querschnitt ist aus Darstellungsgründen übertrieben dick sowohl für die elektroaktive Polymerfolie 4 als auch für die Elektrodenstruktur 10 gezeichnet. Die Elektrodenstruktur 10 weist eine Dicke von wenigen Mikrometern auf, während die Dicke der elektroaktiven Polymerfolie 4 einige 10 Mikrometer beträgt. Um den Wechsel von Elektroden 6 und Gegenelektroden 7 auch in den späteren Figuren zu markieren, wird die Elektrode mit einem + markiert und die Gegenelektrode mit einem - , jedoch sind das nicht zwingend Polaritäten oder Potentiale, die sich in dem elektroaktiven Polymerfolienkörper 1 ausbilden.
Dabei sind die Elektroden 6 mit einem ersten Kontakt und die Gegenelektroden 7 mit einem zweiten Kontakt verbunden. Wie Figur 1 zeigt, wechseln sich Elektroden und Gegenelektroden, beginnend von den Anfangsabschnitt des Polymerfolienbandes 9 nach dem Schema „-++--++-- ..." usw. ab. Der Anfangsabschnitt bildet dabei die erste, innerste Lage des gewickelten Polymerfolienkörpers 1. Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt des elektroaktiven Polymerfolienbandes 9 nach Aufwickeln unter Falten des Polymerfolienbandes 9 zu einem flachen gewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörper 1. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weist der gewickelte flache elektroaktive Polymerfolienkörper 1 zwölf Lagen von Elektroden auf, die einander gegenüberliegen, jedoch kann diese Anzahl beliebig verkleinert und auch beliebig vergrößert werden, je nach Belastungsgröße und nach geforderter Elastizität und Nachgiebigkeit gegenüber mechanischen Verformungen, die eine Vorraussetzung für die Generierung von Ladungsträgern im Einsatz derartiger elektroaktiver Polymermaterialen zur Energiegewinnung entscheidend ist. Figur 2 zeigt in diesem Querschnitt, dass die Faltflächen 36 und damit die Stirnflächen 37 bei diesem flachen gewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörper 8 frei von Elektrodenmaterial bei dem gezeigten schematischen Querschnitt durch die Mitte des elektroaktiven Polymerfolienkörpers 1 sind. In den Randbereichen befinden sich nämlich Leiterbahnen- und Verbindungsstege. Das wird deutlicher mit der nachfolgenden Figur 3.
Figur 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Oberseite 13 des Polymerfolienbandes 9 gemäß Figur 1 mit einer aufgebrachten Elektrodenstruktur 10. Auch hier sind wieder die Faltstellen 14 mit Pfeilen markiert. Die Faltflächen 36 sind weitestgehend frei von Elektrodenmaterial, jedoch durch die Kammstruktur 38, mit der die beiden Elektroden inein- ander greifen, ohne sich zu berühren, liegen im Randbereich einerseits Verbindungsstege 17 zwischen gleichen Elektrodenflächen und Leiterbahnstege 18, welche weit auseinander liegende Elektrodenflächen der Kammstruktur 38 miteinander verbinden. Diese Elektrodenstruktur 10 hat den Vorteil, dass die Faltflächen 36 der Größe der Stirnflächen angepasst werden können. Ferner hat sie den Vorteil, dass sowohl die Elektrode 6 als auch die Gegenelektrode 7 nach den Aufwickeln durch Falten ohne Probleme kontaktiert werden können.
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines elektroaktiven Polymerfolienbandes 9 mit einseitig aufgebrachter Elektrodenstruktur 1 1 für einen Polymerfolienkörper 2 eines Wel- lenenergietransformers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied zu der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform des elektroaktiven Polymerfolienkörpers 8 besteht darin, dass großflächige Einzelelektroden 6 und Einzelgegenelektroden 7 in der Kammstruktur abwechseln, wodurch beim Aufwickeln nun auch eine der beiden Stirnseiten des flachgewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörpers mit Elektrodenmaterial schichtweise versehen ist. Damit wird ohne zusätzlichen Material- verbrauch die wirksame Kondensatorfläche bei gleichem Raumbedarf deutlich vergrößert.
In dem in Figur 5 gezeigten schematischen Querschnitt des elektroaktiven Polymerfolienbandes 9 nach einem Aufwickeln zu einem flachen gewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörpers 2 sind nun die Elektrode 6 und die Gegenelektrode 7 U-förmig geformt und inein- ander geschachtelt in dem elektroaktiven flachgewickelten Polymerfolienkörper 2 angeordnet. Auch in dieser Darstellung werden wiederum die Elektroden 6 mit einem + und die Gegenelektroden 7 jeweils mit einem - gekennzeichnet, um deutlicher die Struktur des Polymerfolienkörpers 3 hervorzuheben. Figur 6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Oberseite 13 des Polymerfolienbandes 3 gemäß Figur 4 mit einer aufgebrachten Elektrodenstruktur 11. Bei dieser Struktur entfallen die kurzen Verbindungsstege 17. Nur noch die relativ langen Leiterbahnstege 18 der Kammstruktur 38 sind vorhanden, um die großflächigen Elektroden 6 und Gegenelektroden 7 in der Kammstruktur 38 zu verbinden. Wie Figur 6 deutlich zeigt, befinden sich nun auch Elektrodenmaterial an vereinzelten Faltstellen 14, nämlich dort, wo Stirnseiten des aufgewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörpers 2 gemäß Figur 5 Elektroden aufweisen sollen. Deshalb wird sowohl das Gegenelektrodenmaterial 7 als auch das Elektrodenmaterial 6 beim Aufwickeln des elektroaktiven Polymerfolienkörpers 8 um etwa 90° gefaltet bzw. abgekantet, um die in Figur 5 gezeigte Struktur zu erreichen. Figur 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Oberseite 13 eines Polymerfolienbandes 9 für einen elektroaktiven Polymerfolienkörper 3 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind Randstreifen 19 mit einem Verstärkungsmaterial 20 beschichtet, das im Wesentlichen Faserwerkstoffe aufweist, um an den Randstreifen eine Möglichkeit zu schaffen, Dehnungskräfte, Torsionsmomente oder Biegekräfte in das elektroaktive Polymermaterial zu induzieren. Die Struktur der Elektrode 6 und der Gegenelektrode 7 entspricht der Elektrodenstruktur 10, wie sie bereits in Figur 3 gezeigt wurde.
Wird ein derartiges in Figur 7 gezeigtes elektroaktives Polymerfolienband an den Faltstellen 1 bei dem Aufwickeln gefaltet bzw. abgekantet und zu einem flachen Wickelkörper aufgewickelt, so ergibt sich die in Figur 8 gezeigte Hälfte eines elektroaktiven Polymerfolienkörpers 3 mit einem Polymerfolienkondensator 8 und Verstärkungsmaterial 20 aufweisenden Einspan- nenden 23, mit denen der Polymerfolienkörper zwischen unterschiedliche Halterungen angebaut werden kann, um ihn beispielsweise zu krümmen, zu biegen, zu tordieren und/oder zu dehnen. Dazu ist in der Ausführungsform gemäß Figur 8 auf jedem Endbereich einer Hälfte des elektroaktiven Polymerfolienkörpers 3 eine Durchgangsöffnung 49 geschaffen, durch die beispielsweise Schrauben, Nieten oder Klammern zum Fixieren des Kondensators 8 ein- gebracht werden können.
Figur 9 zeigt eine schematische Skizze eines Wellenenergiegenerators 21 unter Einsatz eines Wellenenergietransformers 5 gemäß einer der drei genannten Ausführungsformen der Erfindung. Dazu ist der Wellenenergietransformer 5 an seinen beiden Enden 23 und 24 je- weils in Halterungen 50 und 51 eingespannt oder über Schrauben 25 fixiert und wird den Kräften des Wellenganges 27 ausgesetzt, indem mittels eines Schwimmkörpers 41 und eines Kopplungselements 42 die Bewegung der Wellen 26 auf den Wellenenergietransformer 5 übertragen werden. Durch die Anordnung der in den vorhergehenden Figuren gezeigten Elektroden 6 und 7 ist es möglich, den Wellenenergietransformer 5 mit seiner Elektrode 6 und seiner Gegenelektrode 7 über entsprechende Stromleitungen 43 und 44 mit einer Generatorschaltung 28 zu verbinden. Die in einem Zyklus gewonnene Ladung kann über einen DC/DC-Wandler 45 in einer Ladebatterie 32 gespeichert werden. Außerdem ist es möglich über eine Leitung 46 von der Generatorschaltung 28 aus, einen Kondensator als Zwischenspeicher 30 mit den gewonnenen Ladungen aufzuladen. Ferner ist die Generatorschaltung 28 auch mit einem Frequenzumformer 40 verbunden, über den niedrige Frequenzen des Wellenganges 27 in eine Netzfrequenz umgeformt und beispielsweise einer Last 33 zugeführt werden können.
Um derartige elektrische Ladungen mit Hilfe des Wellenenergietransformers 5 zu gewinnen, ist es notwendig, die einzelnen Phasen wie Entlastungsphase und Dehnungsphase des Wellenenergietransformers 5 mit einem Positionssensor 47 zu verbinden, der die variablen Positionen des verschieblich gelagerten Endes 24 erfasst und je nach Krümmung des flexiblen Kondensators 8 aus einem flachgewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörper die einzelnen Phasen wie Entspannungsphase und Dehnungsphase an eine Steuereinheit 31 über eine Sensorleitung 52 zu übermitteln, wobei die Steuereinheit 31 mit der Generatorschaltung 28 über eine Leitung 48 zusammenwirkt. Eine Versorgungsbatterie 29 sorgt über eine Versorgungsleitung 53 für eine Anfangsfeldstärke, die an den Wellenenergietransformer 5 aus elektroaktiven Polymer für jeden Zyklusstart anzulegen ist.
Bezuqszeichenliste
1 Polymerfolienkörper (1. Ausführungsform)
2 Polymerfolienkörper (2. Ausführungsform)
3 Polymerfolienkörper (3. Ausführungsform)
4 elektroaktive Polymerfolie
5 Wellenenergietransformer
6 ^ Elektrode
7 Gegenelektrode
8 Kondensator
9 Polymerfolienband
10 Elektrodenstruktur (1. Ausführungsform)
11 Elektrodenstruktur (2. Ausführungsform)
12 Polymerfolienmaterial
13 Seite, auf der Elektroden angeordnet sind
14 Faltstelle
15 Elektrodenfläche
16 Elektrodenfläche
17 Verbindungssteg an der Faltstelle
18 Leiterbahnsteg
19 Randstreifen
20 Verstärkungsmaterial
21 Generator
22 Einspannelement
23 Ende der Polymerfolie
24 Ende der Polymerfolie
25 Schraube
26 Welle
27 Wellengang
28 Generatorschaltung
29 Versorgungsbatterie
30 Zwischenkondensator
31 Steuereinheit
32 Ladebatterie Last
Gegenelektrodenfläche Gegenelektrodenfläche Faltfläche
Stirnfläche
Kammstruktur
Breitseite
Frequenzumformer Schwimmkörper Kopplungselement Stromleitung
Stromleitung
DC/DC-Wandler Leitung
Positionssensor Leitung
Durchgangsöffnung Halterung
Halterung
Sensorleitung
Versorgungsleitung

Claims

Patentansprüche
1. Energietransformer mit elektroaktiver Polymerfolie (4), wobei der Energietransformer (5) eine mehrschichtige elektroaktive Polymerfolie (4) mit einer Elektrode (6) und einer Gegenelektrode (7) eines mechanisch flexiblen Kondensators (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
die mehrschichtige elektroaktive Polymerfolie (4) ein flachgewickeltes elektroaktives Polymerfolienband (9) aufweist, wobei das elektroaktive Polymerfolienband (9) eine einseitig auf dem elektroaktiven Polymerfolienband (9) angeordnete Elektrodenstruktur (10) einer Elektrode (6) und einer Gegenelektrode (7) des Kondensators (8) aufweist, wobei die Elektrode (6) und die Gegenelektrode (7) nach Wickeln unter Falten des elektroaktiven Polymerfolienbandes (9) zu einem flachgewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörper (1) einander gegenüberliegende Elektroden (6, 7) mit dazwischen angeordnetem elektroaktiven Polymerfoliematerial (12) bilden.
2. Energietransformer nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrode (6) und die Gegenelektrode (7) der Elektrodenstrukturen (10, 11) auf der gemeinsamen Seite (13) des elektroaktiven Polymerfolienbandes (9) kamm- förmig ineinandergreifend angeordnet sind, wobei jeweils eine unbeschichtete Faltstelle (14) quer zur Längsrichtung des elektroaktiven Polymerfolienbandes (9) vorgesehen ist.
3. Energietransformer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils zwei gleiche Elektrodenflächen (15, 16) der Elektrodenstruktur (10) nebeneinander auf der mit Elektrodenmaterial beschichteten Seite des elektroaktiven Polymerfolienbandes angeordnet sind, die an der Faltstelle (14) über einen schmalen Verbindungssteg (17) miteinander elektrisch in Verbindung stehen.
4. Energietransformer nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass an den nebeneinander angeordneten gleichen Elektrodenflächen (15, 16), das Elektrodenmaterial der Gegenelektrode (7) in einem schmalen Leiterbahnsteg (18) vorbei geführt ist.
Energietransformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektroaktive Polymerfolienband (9) einen Randstreifen (19) mit Verstärkungsmaterial (20) aufweist, das isolierend ist ünd im aufgewickelten Zustand mechanisch in einem Generator (21) einseitig oder beidseitig fixiert und zur Kapazitätsvariation einer Biegekraft unter einseitiger oder beidseitiger Fixierung des aufgewickelten verstärkten Randstreifens (19) ausgesetzt ist.
Energietransformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem aufgewickelten verstärkten Randstreifen (19) ein Einspannelement (22) angeordnet ist.
Energietransformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die verstärkten, aufgewickelten Enden (23, 24) der elektroaktive Polymerfolie (4) zur Kapazitätsvariation einer Dehnung ausgesetzt sind.
Energietransformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die verstärkten Enden (23, 25) der elektroaktive Polymerfolie (4) mittels Schrauben (25), Nieten oder Klammern an einem Gestänge angeordnet sind, das Zug- und Druckkräften eines Wellenganges aufgesetzt ist.
Energietransformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gestänge eine Gitterstruktur ist, die auf den Wellen (26) reitet und durch den Wellengang (27) Druck- und Zugkräfte in Gitterstäbe der Gitterstruktur induziert, wobei die Gitterstäbe auf die flachgewickelte elektroaktive Polymerfolie (4) zur Kapazitätsvariation einwirken.
0. Energietransformer nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die variable Kapazität der flachgewickelten elektroaktiven Polymerfolie (4) mit einer Generatorschaltung (28) zusammenwirkt, wobei die Generatorschaltung (28) eine Versorgungsbatterie (29), einen Zwischenkondensator (30) und eine Steuereinheit (31) aufweist, und wobei die Steuereinheit abhängig vom Wellengang (27) Ladungen auf den Zwischenkondensator (30) überträgt und eine Ladebatterie (32) auflädt und/oder eine Last (33) speist.
1. Generator zum Umwandeln von mechanischer Wellenenergie in elektrische Energie, gekennzeichnet durch einen Energietransformer (5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
2. Wellenenergieanlage gekennzeichnet durch ein Zusammenwirken einer Vielzahl von Energietransformern (5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
3. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen elektroaktiven Polymerfoliekörpers (1) eines Energietransformers (5), wobei das Verfahren folgende Verfahrenschritte aufweist:
Herstellen eines elektroaktiven Polymerfolienbandes (9) aus einem elektroaktiven Polymer;
- Aufbringen eines mechanischen Verstärkungsmaterials (20) auf Randstreifen (19) des elektroaktiven Polymerfolienbandes (9);
- einseitiges Beschichten des elektroaktiven Polymerfolienbandes (9) mit einer Elektrodenstruktur (10) und einer Gegenelektrodenstruktur (10), wobei die Strukturen (10) ohne sich zu berühren kammartig ineinander greifen, und die Elektrodenflächen (15, 16) und die Gegenelektrodenflächen (34, 35) größer sind als die dazwischen angeordneten Faltflächen (36);
- Aufwickeln unter Falten des elektroaktiven Polymerfolienbandes (9) zu einem flachgewickelten mehrschichtigen elektroaktiven Polymerfolienkörper (1).
4. Verfahren nach Anspruch 13
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Elektrodenstruktur (10, 11) auf dem elektroaktiven Polymerfolienband (9) Faltflächen (36) vorgesehen werden, die mit Ihrer Breite Stirnflächen (37) des flachgewickelten elektroaktiven Polymerfolienkörpers (1) und die großflächigen Elektroden (6, 7) der Kammstruktur (38) die Breitseiten (39) des elektroaktiven Polymerfolienkörpers (1) bilden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mechanische Verstärkermaterial (20) den Randstreifen (19) zu Einspannelementen (22) kompaktiert wird nachdem durch Wickeln unter Falten des elektroaktiven Polymerfolienbandes (9) ein flachgewickelter elektroaktiver Polymerfolienkörper (1) mit verstärkten Randstreifen (19) vorliegt.
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