WO2013017400A2 - Flexible struktur zur erzeugung elektrischer energie aus wellenbewegungen - Google Patents

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WO2013017400A2
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flexible
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buoyant tube
electroactive polymer
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Benjamin Hagemann
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the kinetic energy of waves can be used.
  • One possibility is, for example, to use movably connected floats, the movement of which drives a generator to one another.
  • Such devices are known, for example, from European patent EP 1 15976 B1, which claims a device for recovering energy from waves, which includes a plurality of floating body parts joined together to form an articulated structure each pair of adjacent body parts being connected to the other by a coupling part so as to allow relative rotational movement of the body parts, each coupling part including an element adapted to gain energy from relative rotational movement of the body parts;
  • the apparatus further includes means for imparting a roll-cutting angle to the axis of relative rotational movement at each coupling member away from the horizontal and / or vertical directions.
  • This device is characterized in that it includes variable restricting means provided on each coupling part and adapted to impose periodically varying restrictions on the relative rotation of each pair of adjacent body parts in response to the prevailing sea condition.
  • Electroactive polymers are characterized by the fact that they change their shape by the application of an electrical voltage. Because of this, electroactive po- Polymeric use as actuators.
  • EAPs allow operation as a generator in which a direct conversion of mechanical strain energy into electrical energy occurs. The conversion is done on a capacitive basis by moving landings.
  • the generator comprising two flexible electrodes, between which the electroactive polymer is introduced, is stretched due to external forces. In the state of maximum elongation of the electroactive polymer generator, the arrangement is subjected to electrical charges below the breakdown field strength.
  • the present invention provides a device for generating electrical energy from the movement of waves or for converting kinetic energy into electrical energy, which does not require hydraulic transmission of the wave motion to a hydraulic motor, but uses the electroactive polymers for power generation.
  • the present invention further provides a method for generating electrical energy from the movement of waves, in which the kinetic energy is converted into electrical energy with the aid of electroactive polymers.
  • the device according to the invention comprises at least one flexible, buoyant tube, which is closed at both ends, so that a hollow structure is formed.
  • the tube is characterized by comprising a wall having at least one stack lying longitudinally of the flexible floatable tube (1, 12, 21, 40), the at least one layer comprising a layer of an electroactive Polymer and at least one acting as a flexible electrode layer comprises.
  • the layer of electroactive polymer and the electrode layer (s) of each Location are in direct contact with each other.
  • the electrode layers may be metallic or formed from conductive polymers.
  • the wall of the flexible buoyant tube has a plurality of mutually parallel, lying stack. In embodiments with multiple stacks parallel to each other, these strands are impermeable to each other for water and / gas.
  • the connection can be made for example by gluing or welding adjacent strands together.
  • the strands can also be embedded in another material, preferably a polymer.
  • the at least one stack has a plurality of contiguous layers, each layer of which is made up of a layer of an electroactive polymer and a layer acting as a flexible electrode.
  • Stack a plurality of two-layer layers, so that the electrode layer of one layer is also in contact with the layer of electroactive polymer of the next layer of the stack and thus the second electrode for the electroactive polymer of the subsequent layer.
  • the at least one stack has a plurality of layers, of which each layer is composed of a layer of an electroactive polymer arranged between two layers acting as flexible electrodes, successive layers being separated from one another by at least one insulating layer.
  • the at least one stack has a plurality of three-layer layers, in which a layer of electroactive polymer is flanked on both surfaces by in each case one electrode layer.
  • the electrode layers of adjacent layers are separated from each other electrically by at least one insulating layer arranged therebetween, for example made of a non-conductive polymer.
  • the stacks may be stacks of successive separate layers of a nonconductive polymer and an electroactive polymer. This means that the at least one stack is not formed in one piece.
  • the layers may be formed as a one-piece component, for example by a corresponding folding of a film strip of electroactive polymer and / or an electrode strip, for example by a Leporellofaltung this strip.
  • the flexible buoyant tube is formed of at least one helically wound strip comprising a layer of electroactive polymer and at least one electrode layer, the layer of electroactive polymer preferably being in the form of separate ring segments.
  • the helically wound strip may comprise a layer of electroactive polymer disposed between two electrode layers and an insulating layer on at least one side of the strip.
  • the successive turns of the helix are firmly and water and / or gas impermeable connected to each other so that they form the wall of the resulting flexible tube, wherein the successively arranged segments of electroactive polymer form a stack.
  • each turn may have two segments. With this embodiment, it is possible to use the movement of the helix in a plane for power generation.
  • each turn of the helix has more than two ring segments, more preferably 4 ring segments.
  • Each turn of the helix may also have 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, or more electroactive polymer ring segments. More than 2 ring segments of electroactive polymer per turn of helix allows the use of wave motion, regardless of their direction.
  • all turns of the helix have the same number of ring segments of electroactive polymer.
  • the number of ring segments per turn in the cylindrical structure may also vary with respect to each other.
  • the tubes are not open, but closed at its two opposite ends.
  • the tubes are closed with plates which are sensitive to the are arranged of the tube above the respective opening.
  • a cavity is formed in the interior, which gives the tube its buoyancy.
  • the flexible buoyant tube has a flexible one
  • the spine in its cavity.
  • the spine extends substantially the entire length of the cavity and is made of a flexible material that can accommodate the wave motion.
  • the backbone may be a rod, a rope or a thin tube.
  • the backbone inside the flexible buoyant tube prevents kinking or forgiving of the flexible, buoyant tube under heavy loads.
  • the flexible buoyant tube has spacers which are spaced apart from each other along the longitudinal direction of the flexible buoyant tube. The spacers hold the spine inside the flexible buoyant tube at substantially the same distance from the wall of the tube.
  • the flexible, buoyant tube includes rings surrounding the flexible, buoyant tube, or integrated between two layers of the stacks in the wall of the flexible buoyant tube.
  • the rings are spaced apart from each other along the longitudinal direction of the flexible buoyant tube.
  • the rings may be made of a metal, preferably of steel, more preferably of stainless steel, or of a polymer.
  • the cavity of the flexible floatable tube is filled with a gas, a gas mixture or a liquid.
  • the liquid may be seawater.
  • the filling of the cavity is under pressure, so that the forces acting from the outside on the structure, which can lead to buckling or distortion of the flexible, buoyant tube, are at least partially compensated.
  • the hollow, cylindrical structure can be at least one Have valve with which the pressure of the filling can be adjusted or controlled.
  • the device further comprises control electronics, i. H. at least one electronic circuit, with the between different sections of a
  • Stack can be switched back and forth to provide the required for the electroactive polymers by means of wave-generating current recovery charge for a layer of electroactive polymer or for the layers of electroactive polymer in a portion of the flexible buoyant tube.
  • different stacks of successive layers and / or different sections of the same stack or different stacks are interconnected by the control electronics so that a portion of the electrical energy generated in the discharge phase of the electroactive polymers of a stack section for the initial charge of the charge phase layers of electroactive polymer of another section can be used.
  • the device of the invention allows with their flexible, buoyant tube better adaptation of their movement to the wave motion as a rigid, articulated floating body. As a result, power generation by means of electroactive polymers is possible, even at relatively low swell.
  • the device according to the invention can be anchored to the seabed and connected to the land via a cable that conducts electricity.
  • the present invention extends to a method of generating electrical energy from the movement of waves, i. H. from the kinetic energy of the waves, in particular to a method in which the device according to the invention is used.
  • the flexible, buoyant tube floats on the water, preferably on the sea, and is exposed to the wave movements.
  • the flexible, buoyant tube in the areas of the troughs and the wave crests is bent by its own weight.
  • portions of the stacks are stretched or compressed.
  • the stack sections located in the water are stretched and the opposite stack sections facing away from the water surface are compressed.
  • the stack sections located in the water are compressed and the stack sections opposite them, which are remote from the water surface, are stretched.
  • all stacks, stack sections and layers of electroactive polymer undergo a repetitive cycle of compression and elongation. These cycles are used to generate electrical energy.
  • the generation of the electrical energy or the power generation with the device according to the invention comprises the following phases:
  • the method for generating electrical energy from wave movements is characterized in that the at least one flexible, buoyant tube of a device comprising at least one flexible, buoyant tube which is closed at both ends and comprises a wall, the at least one lying and in the longitudinal direction of the tube, comprising at least one layer comprising a layer of an electroactive polymer and at least one layer acting as a flexible electrode, which is exposed to undulations of water, wherein portions of the stacks are stretched or compressed, and the layers the electroactive polymers in the compressed sections are loaded by means of control electronics and then the resulting from the relaxation of these sections and the associated separation of the charges in elektroak- tive polymer of this area resulting excess electrical energy is obtained by a capacitive discharge phase.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a flexible, buoyant tube 1 of a device according to the invention in longitudinal section.
  • the flexible buoyant tube 1 floats on the water 2.
  • the flexible buoyant tube 1 comprises a substantially circular cylinder wall 3 consisting essentially of parallel strands 9, each of which consists of a stack of successive layers comprising one Layer of an electroactive polymer is constructed, and define a cavity 4.
  • the flexible, buoyant tube 1 is closed at its two ends with respect to its longitudinal extent, for example by a first plate 5 at one of its ends and by a second plate 6 at its other, opposite the first end second end.
  • the two plates 5, 6 define the cavity 4 at the ends of the flexible, buoyant tube.
  • the flexible buoyant tube 1 has a spine 7 that extends substantially the entire length of the flexible buoyant tube 1 and extends in the center of the flexible buoyant tube 1 with respect to the circular cross section.
  • the flexible, buoyant tube 1 further comprises spacers 8, which are arranged at regular intervals along the longitudinal axis of the flexible buoyant tube 1 and keeps the backbone at a substantially constant distance from the cylinder wall 3.
  • the tube 1 is buoyant and so flexible that it reflects the movement of the
  • Figure 2 is a schematic cross-section through a flexible buoyant tube 1 according to Figure 1 taken along the line AA and illustrates that the wall of the tube is essentially constructed of mutually parallel strands 9, which are impermeable to each other for water and / or gas ,
  • the spacer 8 may consist of a drilled ring 10, with the strands passing through the bores.
  • the spacer has at least one strut extending from the inside of the tube wall to the spine 7.
  • the spacer has a plurality of struts 1 1, more preferably 2, 3, 4, 5, 6 or 8 transverse struts extending from the inner edge of the ring 10 to the spine 7.
  • Figures 3 and 4 show another embodiment of the flexible, buoyant tube of a device according to the invention, wherein Figure 4 shows a cross section through the shown in Figure 3 in longitudinal section flexible, buoyant tube 12 along the line B-B.
  • the flexible, buoyant tube 1 floating on the water 2 has a substantially circular wall 13 which is essentially composed of the strands 9 running parallel to one another and which delimit a cavity 14.
  • the tube 12 is closed at its two ends, with respect to its longitudinal extent, by a first plate 15 at one end and by a second plate 16 at the opposite end.
  • the two plates 15, 16 define the cavity 14 at the ends of the structure 12.
  • the tube 12 further comprises rings 20 which are provided with bores through the wall of the strands 9 run, and which are arranged at regular intervals from each other along the tube 12.
  • Figures 5 and 6 show another embodiment of the flexible, buoyant tube of a device according to the invention, wherein Figure 6 shows a NEN cross section through the shown in Figure 5 in longitudinal section flexible buoyant tube 21 along the line CC.
  • the cavity 24 is formed by the substantially mutually parallel strands 9, which are formed of stacks of successive layers comprising a layer of an electroactive polymer and embedded in another material 23, as well as by the opposite to the tube 21 Plates 25 and 26 limited.
  • the cavity 24 is filled with a fluid 27, ie a gas, gas mixture or a liquid, preferably water, particularly preferably seawater.
  • Figure 7 illustrates the possible construction of a stack 30 of successive layers.
  • the stack 30 is arranged in a tubular casing 31.
  • the stack 30 consists of a regular sequence of superimposed layers of an electroactive polymer 32 and an electrode layer 33 wherein the layers of electroactive polymer on the one hand and the electrode layers on the other hand not as completely separate layers, but connected to each other at an outer region of the stack 30 and thus are integrally formed, so that the layers are zipper-like "interlocked" in one another.
  • FIG. 8 shows an alternative embodiment in which the flexible buoyant tube is formed by a helically wound strip 42.
  • the strip 42 comprises a layer of an electroactive polymer.
  • the turns of the strip 42 are gas and / or waterproof connected to each other, so that a tube is formed in which the helically wound band forms the wall, which encloses a cavity 43 when the individual turns of the strip 42 lie directly on each other.
  • FIG. 9 shows a cross section through an embodiment according to FIG. 8 along the line DD and shows an arrangement of 4 segments (44, 45, 46, 47) of electroactive polymer which are present per complete turn, so that one of these strips is shaped Pipe four mutually parallel stack of successive layers each of an electroactive polymer and an electrode are formed.

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Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Bewegung von Wellen, umfassend mindestens ein flexibles, schwimmfähiges Rohr, das an seinen beiden Enden verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, schwimmfähige Rohr eine Wandung umfasst, die mindestens einen liegenden und sich in Längsrichtung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs erstreckenden Stapel aufweist, der mindestens eine Lage, umfassend eine Schicht aus einem elektroaktiven Polymer und mindestens eine als flexible Elektrode fungierende Schicht, umfasst, sowie ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wellenbewegungen bei dem das flexible, schwimmfähige Rohr den Wellenbewegungen ausgesetzt wird, wodurch Abschnitte der Stapel gedehnt oder gestaucht werden, und die Lagen der elektroaktiven Polymere in den gestauchten Abschnitten mit Hilfe einer Steuerelektronik geladen werden und anschließend die sich aus der Entspannung dieser Abschnitte und der damit verbundenen Trennung der Ladungen im elektroaktiven Polymer dieses Bereichs resultierende überschüssige elektrische Energie durch eine kapazitive Entladungsphase gewonnen wird.

Description

Beschreibung
Titel
Flexible Struktur zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wellenbewegungen Stand der Technik
Zur Gewinnung elektrischer Energie kann die Bewegungsenergie von Wellen genutzt werden. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, beweglich miteinander verbundene Schwimmkörper zu verwenden, deren Bewegung zueinander ei- nen Generator antreibt. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der Europäischen Patentschrift EP 1 1 15 976 B1 bekannt, mit der eine Vorrichtung zum Gewinnen von Energie aus Wellen beansprucht wird, die eine Vielzahl schwimmender Körperteile, die miteinander verbunden sind, um eine gegliederte Struktur zu bilden, beinhaltet, wobei jedes Paar angrenzender Körperteile mit dem an- deren durch ein Kopplungsteil derartig verbunden ist, dass eine relative Drehbewegung der Körperteile erlaubt wird, wobei jedes Kopplungsteil ein Element beinhaltet, dass angepasst ist, um aus der relativen Drehbewegung der Körperteile Energie zu gewinnen, und wobei die Vorrichtung ferner ein Mittel beinhaltet, um der Achse der relativen Drehbewegung an jedem Kopplungsteil weg von der ho- rizontalen und/oder vertikalen Richtung einen Rollschneidwinkel aufzuerlegen.
Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie variable Einschränkungsmittel beinhaltet, die an jedem Kopplungsteil bereitgestellt sind und die angepasst sind, um der relativen Drehung jedes Paares angrenzender Körperteile als Reaktion auf den vorherrschenden Seegang periodisch variierende Einschrän- kungen aufzuerlegen.
Kinetische Energie lässt sich auch mit Hilfe elektroaktiver Polymere (EAP) in elektrische Energie umwandeln. Dazu sind sich wiederholende Zyklen der Verformung und Entspannung des elektroaktiven Polymers erforderlich. Elektroakti- ve Polymere zeichnen sich dadurch aus, dass sie ihre Form durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ändern. Aufgrund dessen finden elektroaktive Po- lymere Verwendung als Aktoren. Alternativ dazu ermöglichen EAPs einen Betrieb als Generator, bei dem eine direkte Umwandlung mechanischer Dehnungsenergie in elektrische Energie erfolgt. Die Umwandlung erfolgt auf kapazitiver Basis durch Verschieben von Landungen. Bei der Energiegewinnung mittels elektroak- tiver Polymere wird der Generator, umfassend zwei nachgiebige Elektroden, zwischen denen das elektroaktive Polymer eingebracht ist, aufgrund äußerer Krafteinwirkung gedehnt. Im Zustand maximaler Dehnung des elektroaktiven Polymergenerators wird die Anordnung mit elektrischen Ladungen unterhalb der Durchbruchsfeldstärke beaufschlagt. Bei Verringerung der äußeren Krafteinwir- kung entspannt sich der Generator aufgrund der elastischen Wirkung des Polymers. In dieser Phase erhöht sich die im Generator gespeicherte Energie. Dieser Vorgang stellt die eigentliche Umwandlung der mechanischen Bewegung in die elektrische Energie dar. Sobald der Generator vollständig relaxiert ist, wird die Anordnung entladen, wodurch der Generator wieder seine Ausgangslänge er- reicht. Der Energiegewinnungszyklus kann erneut beginnen.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Bewegung von Wellen beziehungsweise zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie bereitgestellt, die keine hydraulische Übertragung der Wellenbewegung an einen Hydraulikmotor benötigt, sondern die elektroaktive Polymere für die Stromerzeugung nutzt. Mit der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Methode zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Be- wegung von Wellen bereitgestellt, bei der die Bewegungsenergie mit Hilfe elekt- roaktiver Polymere in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens ein flexibles, schwimmfähiges Rohr, das an beiden Enden verschlossen ist, so dass hohle Struktur aus- gebildet wird. Das Rohr zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Wandung umfasst, die mindestens einen liegenden und sich in Längsrichtung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs (1 , 12, 21 , 40) erstreckenden Stapel aufweist, der mindestens eine Lage, umfassend eine Schicht aus einem elektroaktiven Polymer und mindestens eine als flexible Elektrode fungierende Schicht, umfasst. Die Schicht aus elektroaktivem Polymer und die Elektrodenschicht(en) einer jeden Lage stehen in direktem Kontakt miteinander. Die Elektrodenschichten können metallisch oder aus leitfähigen Polymeren gebildet sein.
Bei einer Ausführungsform weist die Wandung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs mehrere parallel zueinander verlaufende, liegende Stapel auf. Bei Ausführungsformen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Stapeln, sind diese Stränge für Wasser und/ Gas undurchlässig miteinander verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen benachbarter Stränge miteinander erfolgen. Die Stränge können aber auch in ein anderes Ma- terial, vorzugsweise ein Polymer, eingebettet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist der mindestens eine Stapel mehrere unmittelbar aufeinander folgende Lagen auf, von denen jede Lage aus einer Schicht eines elektroaktiven Polymers und einer als flexible Elektrode fungierenden Schicht aufgebaut ist. Bei dieser Ausführungsform weist der mindestens eine
Stapel mehrere zweischichtige Lagen auf, so dass die Elektrodenschicht der einen Lage auch mit der Schicht aus elektroaktivem Polymer der nächsten Lage des Stapels in Kontakt steht und somit die zweite Elektrode für das elektroaktive Polymer der darauf folgenden Lage ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist der mindestens eine Stapel mehrere Lagen auf, von denen jede Lage aus einer zwischen zwei als flexible Elektroden fungierenden Schichten angeordneten Schicht eines elektroaktiven Polymers aufgebaut ist, wobei aufeinander folgende Lagen durch mindestens ei- ne Isolierschicht voneinander getrennt sind. Bei dieser Ausführungsform weist der mindestens eine Stapel mehrere dreischichtige Lagen auf, bei denen eine Schicht elektroaktiven Polymers auf beiden Flächen von jeweils einer Elektrodenschicht flankiert wird. Die Elektrodenschichten benachbarter Lagen sind durch mindestens eine dazwischen angeordnete Isolierschicht, beispielsweisen aus einem nicht leitfähigen Polymer, elektrisch nicht leitend voneinander getrennt. Diese Ausführungsform bietet den besonderen Vorteil, dass durch die Materialauswahl für die Isolierschichten und deren Dicke die Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung einstellbar ist. Bei den Stapeln kann es sich um Stapel aus aufeinander folgende, separate Lagen eines nicht leitfähigen Polymers und eines elektroaktiven Polymers handeln. Das bedeutet, dass der mindestens eine Stapel nicht einstückig ausgebildet ist. In einer anderen Ausführungsform können die Lagen als einstückiges Bauelement ausgebildet sein, beispielsweise durch eine entsprechende Faltung eines Folienstreifens aus elektroaktiven Polymer und/oder eines Elektrodenstreifens, zum Beispiel durch eine Leporellofaltung dieses Streifens.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird das flexible, schwimmfähige Rohr aus mindestens einem helikal gewundenen Streifen gebildet, der eine Schicht elektroaktiven Polymers und mindestens eine Elektrodenschicht umfasst, wobei die Schicht des elektroaktiven Polymers vorzugsweise in Form von voneinander getrennten Ringsegmenten ausgebildet ist. Alternativ kann der helikal gewundene Streifen ein Schicht elektroaktiven Polymers umfassen, die zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet ist, sowie eine Isolierschicht auf zumindest einer Seite des Streifens. Bei dieser Ausführungsform sind die aufeinander folgenden Windungen der Helix fest und wasser- und/oder gasundurchlässig miteinander verbunden, so dass sie die Wandung des sich ergebenden flexiblen Röhrs ausbilden, wobei die hintereinander angeordneten Segmente aus elektroaktivem Polymer einen Stapel ausbilden.
Die Anzahl der Ringsegmente pro Windung der Helix (entsprechend 360°) kann variieren. In einer Ausführungsform kann jede Windung zwei Segmente aufweisen. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, die Bewegung der Helix in einer Ebene zur Stromgewinnung zu nutzen. Vorzugsweise weist jede Windung der Helix mehr als zwei Ringsegmente auf, besonders bevorzugt 4 Ringsegmente. Jede Windung der Helix kann auch 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12 oder mehr Ringsegmente aus elektroaktivem Polymer aufweisen. Mehr als 2 Ringsegmente aus elektroaktivem Polymer pro Windung der Helix ermöglicht eine Nutzung der Wellenbewegung, unabhängig von deren Richtung.
Vorzugsweise weisen alle Windungen der Helix die gleiche Anzahl an Ringsegmenten aus elektroaktivem Polymer auf. Die Zahl der Ringsegmente pro Windung in der zylindrischen Struktur kann aber auch in Bezug zueinander variieren.
Unabhängig von der Ausgestaltung Wand der Rohre sind die Rohre nicht offen, sondern an ihren beiden, einander gegenüberliegenden Enden verschlossen. In einer Ausführungsform sind die Rohre mit Platten verschlossen, die auf die En- den des Rohrs über der jeweiligen Öffnung angeordnet sind. Durch den Verschluss des flexiblen Rohr wird ein Hohlraum im Inneren ausgebildet, der dem Rohr sein Schwimmfähigkeit verleiht. In einer Ausführungsform weist das flexible, schwimmfähige Rohr ein flexibles
Rückgrat in seinem Hohlraum auf. Das Rückgrat erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Hohlraums und besteht aus einem flexiblen Material, das sich an die Wellenbewegung anpassen kann. Bei dem Rückgrat kann es sich um einen Stab, ein Seil oder ein dünnes Rohr handeln. Das Rückgrat im In- neren des flexiblen, schwimmfähigen Rohr verhindert ein Knicken oder Verzeihen des flexiblen, schwimmfähigen Rohr bei großen Belastungen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das flexible, schwimmfähige Rohr Abstandshalter auf, die in bestimmten Abständen zueinander entlang der Längs- richtung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs angeordnet sind. Die Abstandshalter halten das Rückgrat im Inneren des flexiblen, schwimmfähigen Rohr auf im Wesentlichen den gleichen Abstand zur Wandung des Rohrs.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist das flexible, schwimmfähige Rohr Ringe auf, die das flexible, schwimmfähige Rohr umgeben oder die zwischen zwei Lagen der Stapel in die Wandung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs integriert sind. Die Ringe sind in bestimmten Abständen zueinander entlang der Längsrichtung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs angeordnet. Die Ringe können aus einem Metall, vorzugsweise aus Stahl, beson- ders bevorzugt aus rostfreiem Stahl, oder aus einem Polymer bestehen. Mit der
Anordnung der Ringe in bestimmten Abständen entlang der Längsachse des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs kann ein Knicken oder Verziehen des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs vermieden werden. Bei einer weiteren oder zusätzlichen Ausführungsform ist der Hohlraum des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs mit einem Gas, einem Gasgemisch oder einer Flüssigkeit gefüllt. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um Seewasser handeln. Vorzugsweise steht die Füllung des Hohlraums unter Druck, so dass die von außen auf die Struktur einwirkenden Kräfte, die zu einem Knicken oder Ver- ziehen des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs führen können, zumindest teilweise ausgeglichen werden. Die hohle, zylinderförmige Struktur kann mindestens ein Ventil aufweisen, mit dem der Druck der Füllung eingestellt bzw. kontrolliert werden kann.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuerelektronik, d. h. mindestens einen elektronischen Schaltkreis, mit der zwischen unterschiedlichen Abschnitten eines
Stapels hin- und her geschaltet werden kann, um die für die mit Hilfe von elektroaktiven Polymeren erfolgende Stromgewinnung aus Wellenbewegung erforderliche Initialladung für eine Lage aus elektroaktivem Polymer oder für die Lagen aus elektroaktivem Polymer in einem Abschnitt des flexiblen, schwimmfähigen Rohr bereitzustellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden unterschiedliche Stapel aus aufeinander folgenden Lagen und/oder unterschiedliche Abschnitte des selben Stapels oder unterschiedlicher Stapel durch die Steuerelektronik derart miteinander verbunden, dass ein Teil der in der Entladungsphase der elektroaktiven Polymere eines Stapelabschnitts erzeugten elektrischen Energie für die Initialladung der sich in der Ladungsphase befindlichen Lagen aus elektroaktivem Polymer eines anderen Abschnitts verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht mit ihrem flexiblen, schwimmfähigen Rohr eine bessere Anpassung ihrer Bewegung an die Wellenbewegung als starre, gelenkig miteinander verbundene Schwimmkörper. Dadurch wird eine Stromerzeugung mit Hilfe von elektroaktiven Polymeren möglich, auch bei relativ geringem Wellengang. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann am Meeresbo- den verankert und über ein für Strom leitfähiges Kabel mit dem Land verbunden werden.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Bewegung von Wellen, d. h. aus der Bewegungsenergie der Wellen, insbesondere auf ein Verfahren, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren schwimmt das flexible, schwimmfähige Rohr auf dem Wasser, vorzugsweise auf dem Meer, und wird den Wellenbewe- gungen ausgesetzt. Dabei wird das flexible, schwimmfähige Rohr in den Bereichen der Wellentäler und der Wellenkämme durch das eigene Gewicht gebogen. In Folge dessen werden Abschnitte der Stapel gedehnt oder gestaucht. Im Bereich des Wellentals werden die im Wasser befindlichen Stapelabschnitte gedehnt und die ihnen gegenüber liegenden, der Wasseroberfläche abgewandten Stapelabschnitte gestaucht. Im Bereich des Wellenkamms werden dagegen die im Wasser befindlichen Stapelabschnitte gestaucht und die ihnen gegenüber liegenden, der Wasseroberfläche abgewandten Stapelabschnitte gedehnt. Durch die fortwährenden Wellenbewegungen unterliegen alle Stapel, Stapelabschnitte und Lagen aus elektroaktivem Polymer einem sich ständig wiederholenden Zyklus aus Stauchung und Dehnung. Diese Zyklen werden zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt.
Die Erzeugung der elektrischen Energie beziehungsweise die Stromgewinnung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst folgende Phasen:
1 . einige Abschnitte der Stapel mit den dort angeordneten Lagen aus elektroaktivem Polymer werden gestaucht;
2. die Lagen der elektroaktiven Polymere in diesen gestauchten Abschnitten werden mit Hilfe einer Steuerelektronik geladen;
3. die gestauchten Abschnitte der Stapel entspannen sich und die Ladungen in den Lagen aus elektroaktivem Polymer werden durch den zunehmenden Abstand der mit den Lagen verbundenen Elektroden getrennt; und
4. die überschüssige elektrische Energie der elektroaktiven Polymere wird durch eine kapazitive Entladungsphase gewonnen.
Das Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wellenbewegungen zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine flexible, schwimmfähige Rohr einer Vorrichtung, umfassend mindestens ein flexibles, schwimmfähiges Rohr, das an seinen beiden Enden verschlossen ist und eine Wandung umfasst, die mindestens einen liegenden und sich in Längsrichtung des Rohres erstreckenden Stapel aufweist, der mindestens eine Lage, umfassend eine Schicht aus einem elektroaktiven Polymer und mindestens eine als flexible Elektrode fungierende Schicht, umfasst, den Wellenbewegungen von Wasser ausgesetzt wird, wobei Abschnitte der Stapel gedehnt oder gestaucht werden, und die Lagen der elektroaktiven Polymere in den gestauchten Abschnitten mit Hilfe einer Steuerelektronik geladen werden und anschließend die sich aus der Entspannung dieser Abschnitte und der damit verbundenen Trennung der Ladungen im elektroak- tiven Polymer dieses Bereichs resultierende überschüssige elektrische Energie durch eine kapazitive Entladungsphase gewonnen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Abbildungen und konkreten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass weder die Abbildungen noch die zur Erläuterung verwendeten konkreten Ausführungsformen als die Erfindung hierauf beschränkend angesehen werden sollen. Die Erfindung wird ausschließlich durch die Ansprüche bestimmt.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein flexibles, schwimmfähiges Rohr 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt. Das flexible, schwimmfähige Rohr 1 schwimmt auf dem Wasser 2. Das flexible, schwimmfähige Rohr 1 umfasst eine im Wesentlichen kreisrunde Zylinderwand 3, die im Wesentlichen aus parallel zueinander verlaufenden Strängen 9 besteht, von denen jeder aus einem Stapel aus aufeinander folgenden Lagen, umfassend eine Schicht eines elektroaktiven Polymers, aufgebaut ist, und die einen Hohlraum 4 begrenzen. Das flexible, schwimmfähige Rohr 1 ist an seinen beiden Enden, in Bezug auf seine Längsausdehnung, verschlossen, beispielsweise durch eine erste Platte 5 an einem seiner Enden und durch eine zweite Platte 6 an seinem anderen, dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende. Die beiden Platten 5, 6 begrenzen den Hohlraum 4 an den Enden des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs 1 . Das flexible, schwimmfähige Rohr 1 weist ein Rückgrat 7 auf, das sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs 1 erstreckt und im Zentrum des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs 1 verläuft, bezogen auf den kreisförmigen Querschnitt. Das flexible, schwimmfähige Rohr 1 weist ferner Abstandshalter 8 auf, die in regelmäßigen Abständen entlang der Längsachse des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs 1 angeordnet sind und das Rückgrat auf einen im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand zur Zylinderwand 3 hält. Das Rohr 1 ist schwimmfähig und so flexibel, dass es sich der Bewegung des
Wassers 2 an seiner Oberfläche, d. h. der Wellentopographie, anpassen kann. Dabei werden Abschnitte des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs 1 gebogen, wobei die Wandbereiche der gebogenen Abschnitte, die einen geringeren Radius als das Rückgrat in dem selben Abschnitt haben, gestaucht sind und die diesen Bereichen gegenüber liegenden Bereiche des selben gebogenen Abschnitts, die einen größeren Radius als das Rückgrat in dem selben Abschnitt haben, gedehnt sind, bezogen auf die gestreckt geradlinige Ruhelage des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs 1 . Ein gestauchter Bereich wird in Figur 1 durch die aufeinander zeigenden schwarzen Pfeile angedeutet, und ein gedehnter Bereich wird durch die beiden schwarzen, voneinander weg zeigenden Pfeile angezeigt.
Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt durch ein flexibles, schwimmfähiges Rohr 1 gemäß Figur 1 entlang der Linie A-A und veranschaulicht, dass die Wand des Rohrs im Wesentlichen aus parallel zueinander verlaufenden Strängen 9 aufgebaut ist, die für Wasser und/oder Gas undurchlässig miteinander verbunden sind. Der Abstandshalter 8 kann aus einem mit Bohrungen versehenen Ring 10 bestehen, wobei die Stränge durch die Bohrungen laufen. Der Abstandshalter weist mindestens eine Strebe auf, die sich von der Innenseite der Rohrwand bis zum Rückgrat 7 erstreckt. Vorzugsweise weist der Abstandshalter mehrere Streben 1 1 auf, besonders bevorzugt 2, 3, 4, 5, 6 oder 8 Querstreben, die sich vom Innenrand des Rings 10 bis zum Rückgrat 7 erstrecken.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsform des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei Figur 4 einen Querschnitt durch das in Figur 3 im Längsschnitt dargestellte flexible, schwimmfähige Rohr 12 entlang der Linie B-B zeigt. Das auf dem Wasser 2 schwimmende flexible, schwimmfähige Rohr 1 weist eine im Wesentlichen kreisrunde Wand 13 auf, die im Wesentlichen aus den parallel zueinander verlaufenden Strängen 9 aufgebaut ist und die einen Hohlraum 14 begrenzen. Das Rohr 12 ist an seinen beiden Enden, in Bezug auf seine Längsausdehnung, durch eine erste Platte 15 an einem Ende und durch eine zweite Platte 16 am gegenüberliegenden Ende verschlossen. Die beiden Platten 15, 16 begrenzen den Hohlraum 14 an den Enden der Struktur 12.
Das Rohr 12 weist ferner Ringe 20 auf, die mit Bohrungen versehen sind, durch deren Wand die Stränge 9 laufen, und die in regelmäßigen Abstanden zueinander entlang des Rohrs 12 angeordnet sind.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei Figur 6 ei- nen Querschnitt durch das in Figur 5 im Längsschnitt dargestellte flexible, schwimmfähige Rohr 21 entlang der Linie C-C zeigt. Bei dieser Ausführungsform wird der Hohlraum 24, durch die im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Stränge 9, die aus Stapeln aufeinander folgender Lagen, umfassend eine Schicht eines elektroaktiven Polymers, gebildet werden und in ein weiteres Material 23 eingebettet sind, sowie durch die an den entgegengesetzten des Rohrs 21 angeordneten Platten 25 und 26 begrenzt. Der Hohlraum 24 ist mit einem Fluid 27 gefüllt, also einem Gas, Gasgemisch oder einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, besonders bevorzugt Meerwasser.
Figur 7 veranschaulicht den möglichen Aufbau eines Stapels 30 aus aufeinander folgenden Lagen. Bei dieser Ausführungsform ist der Stapel 30 in einer schlauchartigen Hülle 31 angeordnet. Der Stapel 30 besteht aus einer regelmäßigen Abfolge übereinander liegender Schichten aus einem elektroaktiven Polymer 32 und einer Elektrodenschicht 33 wobei die Schichten aus elektroaktivem Polymer einerseits und die Elektrodenschichten andererseits nicht als vollständig voneinander getrennte Schichten vorliegen, sondern an einem Außenbereich des Stapels 30 miteinander verbunden und somit einstückig ausgebildet sind, so dass die Schichten reißverschlussartig ineinander„verzahnte" sind.
Figur 8 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der das flexible, schwimmfähige Rohr durch ein helikal gewundenen Streifen 42 gebildet wird. Der Streifen 42 umfasst eine Lage eines elektroaktiven Polymers. Die Windungen des Streifens 42 werden gas und/oder wasserdicht miteinander verbunden, so dass ein Rohr entsteht, bei dem das helikal gewundene Band die Wandung bildet, die einen Hohlraum 43 umschließt, wenn die einzelnen Windungen des Bandes 42 direkt aufeinander liegen.
Figur 9 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform gemäß Figur 8 entlang der Linie D-D und zeigt eine Anordnung von 4 Segmenten (44, 45, 46, 47) aus elektroaktivem Polymer, die pro vollständiger Windung vorhanden sind, so dass bei einem aus diesem Streifen geformten Rohr vier parallel zueinander verlaufende Stapel aus hintereinander liegenden Schichten aus jeweils einem elektroaktiven Polymer und einer Elektrode gebildet werden.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Bewegung von Wellen, umfassend mindestens ein flexibles, schwimmfähiges Rohr (1 , 12, 21 , 40), das an seinen beiden Enden verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, schwimmfähige Rohr (1 , 12, 21 , 40) eine Wandung (3, 13, 23, 42) umfasst, die mindestens einen liegenden und sich in Längsrichtung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs (1 , 12, 21 , 40) erstreckenden Stapel aufweist, der mindestens eine Lage, umfassend eine Schicht aus einem elektroaktiven Polymer und mindestens eine als flexible Elektrode fungierende Schicht, umfasst.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stapel mehrere unmittelbar aufeinander folgende Lagen aufweist, von denen jede Lage aus einer Schicht eines elektroaktiven Polymers und einer als flexible Elektrode fungierenden Schicht aufgebaut ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stapel mehrere Lagen aufweist, von denen jede Lage aus einer zwischen zwei als flexible Elektroden fungierenden Schichten angeordneten Schicht eines elektroaktiven Polymers aufgebaut ist, wobei aufeinander folgende Lagen durch mindestens eine Isolierschicht voneinander getrennt sind.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, schwimmfähige Rohr (42) aus mindestens einem helikal gewundenen Streifen (42) gebildet wird, der eine Schicht eines elektroaktiven Polymers umfasst, wobei die Schicht des elektroaktiven Polymers vorzugsweise in Form von voneinander getrennten Segmenten (44, 45, 46, 47) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Windung des helikal gewundenen Streifens (42) zwei oder mehr, vorzugsweise 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 oder 12 Ringsegmente aus elektroaktivem Polymer aufweist.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, schwimmfähige Rohr ein flexibles Rückgrat (7) aufweist, das sich im Hohlraum (4, 14, 24, 43) des Rohrs (1 , 12, 21 , 40) über im Wesentlichen die gesamte Länge des Hohlraums 4(, 14, 24, 43) erstreckt.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, schwimmfähige Rohr (1 , 12, 21 , 40) Abstandshalter (8) aufweist, die in bestimmten Abständen zueinander entlang der Längsrichtung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs (1 , 12, 21 , 40) angeordnet sind und das Rückgrat (7) im Inneren des flexiblen, schwimmfähigen Rohr (1 , 12, 21 , 40) auf im Wesentlichen den gleichen Abstand zur Wandung (3, 13, 23, 42) des Rohrs (1 , 12, 21 , 40) halten.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, schwimmfähige Rohr (1 , 12, 21 , 40) Ringe (20) aufweist, die in bestimmten Abständen zueinander entlang der Längsrichtung des fle- xiblen, schwimmfähigen Rohrs (1 , 12, 21 , 40) angeordnet sind und das flexible, schwimmfähige Rohr (1 , 12, 21 , 40) umgeben oder die zwischen zwei Lagen der Stapel in die Wandung des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs (1 , 12, 21 , 40) integriert sind.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (4, 14, 24, 43) des flexiblen, schwimmfähigen Rohrs (1 , 12, 21 , 40) mit einem Fluid (27) gefüllt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Gase, Gasgemische und Flüssigkeit umfasst.
10. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wellenbewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine flexible, schwimmfähige Rohr (1 , 12, 21 , 40) einer Vorrichtung, umfassend mindestens ein flexibles, schwimmfähiges Rohr (1 , 12, 21 , 40), das an seinen beiden Enden verschlossen ist und eine Wandung (3, 13, 23, 42) umfasst, die mindestens ei- nen liegenden und sich in Längsrichtung des flexiblen, schwimmfähigen
Rohrs (1 , 12, 21 , 40) erstreckenden Stapel aufweist, der mindestens eine Lage, umfassend eine Schicht aus einem elektroaktiven Polymer und min- destens eine als flexible Elektrode fungierende Schicht, umfasst, den Wellenbewegungen von Wasser (2) ausgesetzt wird, wobei Abschnitte der Stapel (9) gedehnt oder gestaucht werden, und die Lagen der elektroaktiven Polymere in den gestauchten Abschnitten mit Hilfe einer Steuerelektronik gela- den werden und anschließend die sich aus der Entspannung dieser Abschnitte und der damit verbundenen Trennung der Ladungen im elektroaktiven Polymer dieses Bereichs resultierende überschüssige elektrische Energie durch eine kapazitive Entladungsphase gewonnen wird.
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