電活性聚合物能量轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種被配置成將能量從機(jī)械能的源轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。該能量轉(zhuǎn)換裝置包括換能器，其包括介電彈性體模塊，所述介電彈性體模塊由可拉伸電活性聚合物材料制成。包括至少一個介電彈性體膜層的介電彈性體模塊被部署在至少第一和第二電極之間。傳輸耦合機(jī)構(gòu)被配置成耦合機(jī)械能的源，并且操作地附接到換能器以便響應(yīng)于作用于傳輸耦合機(jī)構(gòu)上的機(jī)械能來周期性地使換能器變形和松弛。調(diào)節(jié)電路被耦合到至少第一和第二電極，并且被配置成當(dāng)介電彈性體膜處于變形的狀態(tài)下時將電荷施加到介電彈性體膜，當(dāng)介電彈性體膜從變形狀態(tài)轉(zhuǎn)變成松弛狀態(tài)時從介電彈性體膜斷開，以及當(dāng)介電彈性體膜達(dá)到松弛狀態(tài)時從介電彈性體膜移除電荷。
【專利說明】電活性聚合物能量轉(zhuǎn)換器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
根據(jù)35 USC § 119(e)本申請要求下述美國臨時專利申請的權(quán)益:2011年3月9日提交的申請?zhí)枮?61/450，756、名稱為 “SMPLIFIED EPAM ENERGY HARVESTING CIRCUITWITH OVERVOLTAGE PROTECTION”的美國臨時專利申請；2011年3月9日提交的申請?zhí)枮?1/450，758、名稱為 “EPAM GENERATOR ARRAYS TO IMPROVE MECHANICAL-TO-ELECTRICALCONVERSION”的美國臨時專利申請；2011年3月9日提交的申請?zhí)枮?1/450，762、名稱為“HIGH EFFICIENCY ENERGY TRANSFER CIRCUIT FOR EPAM GENERATORS” 的美國臨時專利申請；2011年3月9日提交的申請?zhí)枮?1/450，764、名稱為“EPAM ENERGYHARVESTING CONTROL UTILIZING MICROCONTROLLER ELECTRONICS” 的美國臨時專利申請；2011年5月26日提交的申請?zhí)枮?1/490，418、名稱為“DIELECTRIC ELASTOMERGENERATORS”的美國臨時專利申請；和2011年10月10日提交的申請?zhí)枮?1/545,295、名稱為 “COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED, RIGID, INSULATOR COVEREDWITH THIN, SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS, AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERSINCORPORATING SUCH ELECTRODES”的美國臨時專利申請，它們中的每一個的整個公開都通過引用由此被并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]在各種實施例中，本公開一般地涉及能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。在一個方面，本公開涉及被配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備。特別地，本公開涉及被配置在多相布置中以便以高效方式將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電活性聚合物陣列。更特別地，本公開涉及用于被配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電活性聚合物陣列的能量轉(zhuǎn)移和能量采集電路和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0003]加利福尼亞州的Menl`o Park的SRI International (SRI)已經(jīng)致力于使用電活性聚合物用于發(fā)電達(dá)近十年，并且已經(jīng)在使用電活性聚合物來發(fā)電的主題上發(fā)表了大量的論文和專利。來自SRI的發(fā)電拓?fù)浼夹g(shù)的例子包括單個電活性聚合物薄片、足跟著地(hee 1-strike)發(fā)電機(jī)、驅(qū)動發(fā)電機(jī)的小水輪、和驅(qū)動沖浪板發(fā)電機(jī)(boogie boardgenerator)的六十英尺波浪水槽的實驗室測試。然而，迄今為止，所生成的功率水平一直較小(小于50瓦)并且SRI的大量努力看起來已經(jīng)指向其足跟著地發(fā)電機(jī)或者用于從海洋波浪發(fā)電以便為導(dǎo)航浮標(biāo)供電的浮標(biāo)發(fā)電機(jī)。
[0004]一般來說，諸如發(fā)電機(jī)之類的電活性聚合物能量轉(zhuǎn)換設(shè)備(例如滾動發(fā)電機(jī))需要高水平的無功機(jī)械功率來產(chǎn)生電功率。單個電活性聚合物能量生成器元件可以將機(jī)械功率的僅15%轉(zhuǎn)換成電功率。有報道稱SRI已經(jīng)開發(fā)了將該轉(zhuǎn)換改進(jìn)成高達(dá)近30%的兩相系統(tǒng)。然而，這樣的系統(tǒng)不能充分地獲得高于80%的整體系統(tǒng)效率。
[0005]此外，電活性聚合物通常需要高壓電子設(shè)備來產(chǎn)生電力。對于一些應(yīng)用，簡單是重要的，但是不能以可靠性為代價。通常需要簡單的高壓電路來提供功能和保護(hù)?；镜碾娀钚跃酆衔锇l(fā)電機(jī)電路包括低壓點火電源、連接二極管、電活性聚合物發(fā)電機(jī)、第二連接二極管和高壓集電極電源。然而，這樣的電路在捕獲與根據(jù)本公開的電活性聚合物發(fā)電機(jī)所需的一樣多的每循環(huán)的能量方面不是高效的，并且需要相對較高電壓的點火電源。
[0006]此外，電活性聚合物能量采集發(fā)電機(jī)可以具有高電阻。這一般歸因于對機(jī)械順從性(mechanical compliance)的附加電極需求。該電極必須在處于循環(huán)應(yīng)變的同時保持其導(dǎo)電性。因此，當(dāng)設(shè)計電極時，必須在導(dǎo)電性和順從性之間進(jìn)行電極折衷。高導(dǎo)電電極(例如銀)非常硬并且不允許許多的機(jī)械移動。較低導(dǎo)電電極(諸如例如預(yù)印導(dǎo)電油墨)是順從的并且允許機(jī)械移動，但是是電阻性的并且在試圖為電活性聚合物發(fā)電機(jī)充電或放電時導(dǎo)致電損耗。簡化的電活性聚合物發(fā)電機(jī)電子設(shè)備可以被采用，以便通過以低電極電流進(jìn)行操作來使電極損耗最小化。這樣的簡化的電活性聚合物電路(盡管被設(shè)計用于高電極電阻)不會優(yōu)化完全的機(jī)械到電轉(zhuǎn)換能力，并且導(dǎo)致與優(yōu)化的轉(zhuǎn)換器電子設(shè)備相比更低得多的特定能量密度，一般對于簡單的電子設(shè)備是0.04至0.06J每克，相比較對于復(fù)雜的電子設(shè)備是0.4至0.6J每克。
[0007]此外，為了使電活性聚合物類型的發(fā)電機(jī)中的能量密度最大化，復(fù)雜的控制電子設(shè)備是必需的。復(fù)雜控制可以使電活性聚合物發(fā)電機(jī)的能量密度改進(jìn)超過一個數(shù)量級。然而，當(dāng)前不存在針對電活性聚合物發(fā)電機(jī)的復(fù)雜電子設(shè)備控制的已發(fā)表的例子。
[0008]波浪和風(fēng)能是每年能夠遞送數(shù)千兆瓦小時電力的可再生資源。即使采集該能量的一個小的百分比就可以提供顯著的電力源。諸如例如利用基于電活性聚合物的發(fā)電機(jī)的新概念可以幫助解決若干這些挑戰(zhàn)。
[0009]本公開提供采用電活性聚合物的改進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換器。本公開提供與常規(guī)技術(shù)相比在目標(biāo)成本、效率、可靠性和整體性能方面改進(jìn)的基于電活性聚合物的能量轉(zhuǎn)換器的各種實施例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在一個實施例中，本公開提供一種基于電活性聚合物的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。在一個實施例中，能量轉(zhuǎn)換裝置被配置成將能量從機(jī)械能的源轉(zhuǎn)換成電能。該能量轉(zhuǎn)換裝置包括換能器，其包括介電彈性體模塊，所述介電彈性體模塊由可拉伸電活性聚合物材料制成。介電彈性體模塊包括至少一個介電彈性體膜層，其部署在至少第一和第二電極之間。被配置成耦合機(jī)械能的源的傳輸耦合機(jī)構(gòu)操作地附接到換能器以便響應(yīng)于作用于傳輸耦合機(jī)構(gòu)上的機(jī)械能來周期性地使換能器變形和松弛。調(diào)節(jié)電路被耦合到至少第一和第二電極，并且被配置成當(dāng)介電彈性體膜處于變形的狀態(tài)下時將電荷施加到介電彈性體膜，當(dāng)介電彈性體膜從變形狀態(tài)轉(zhuǎn)變成松弛狀態(tài)時從介電彈性體膜斷開，以及當(dāng)介電彈性體膜達(dá)到松弛狀態(tài)時從介電彈性體膜移除電荷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是可以被用于從機(jī)械能的源采集電力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的框圖；
圖2圖示通過使用包括某種類型的電活性聚合物膜的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備來轉(zhuǎn)換能量的循
環(huán)；
圖3A圖示根據(jù)一個實施例的換能器部分的頂部透視圖；圖3B圖示包括響應(yīng)于電場的變化的偏斜的換能器部分的頂部透視圖；
圖4A-4F圖示通過使用包括電活性聚合物膜(例如介電彈性體膜)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備來轉(zhuǎn)換機(jī)械能的電活性聚合物發(fā)電機(jī)的一個循環(huán)；
圖5是針對各種硅樹脂介電彈性體材料的介電常數(shù)的測量結(jié)果的圖形表示；
圖6是介電常數(shù)與電場的關(guān)系的圖形表示。垂直軸對應(yīng)于介電常數(shù)(ε )并且水平軸對應(yīng)于電場E (V/μ--);
圖7是對于大約100個彈性體已經(jīng)被校準(zhǔn)的硅樹脂彈性體(SSF4930)擬合的Ogden模型的圖形表示；
圖8圖示簡單的發(fā)電電路的一個實施例；
圖9Α和9Β圖示電活性聚合物發(fā)電機(jī)的定義的坐標(biāo)系；
圖10是能量與電活性聚合物發(fā)電機(jī)中的恒定電荷循環(huán)的拉伸率的關(guān)系的圖形表示； 圖11是純剪切模式發(fā)電機(jī)沖程-力關(guān)系和曲線擬合的圖形表示1100 ；
圖12圖示用于機(jī)械非線性純剪切電活性聚合物發(fā)電機(jī)的PSPICE模型；
圖13是位移和力的關(guān)系的PSSPICE建模結(jié)果的圖形表示；
圖14是耦合到非線性彈簧模型的非線性電容器的耦合PSPICE模型；
圖15是能量采集模擬的圖形表示；
圖16是能量采集循環(huán)理想和非理解的關(guān)系(泄漏電流)的圖形表示；
圖17是對于理想和非理想循環(huán)的恢復(fù)電能的圖形表示；
圖18是利用微控制器電子設(shè)備的電活性聚合物發(fā)電機(jī)能量采集控制系統(tǒng)的一個實施例的框圖；
圖19是用于電活性聚合物發(fā)電機(jī)的高效能量轉(zhuǎn)移電路的一個實施例的框圖；
圖20和21是六相電活性聚合物發(fā)電機(jī)的一個實施例的透視圖；
圖22是圖20-21中示出的發(fā)電機(jī)的側(cè)視圖；
圖23是在圖20-22中示出的使大多數(shù)DEG模塊移除的六相電活性聚合物發(fā)電機(jī)的透視圖；
圖24和25是在圖23中示出的六相電活性聚合物發(fā)電機(jī)的端部視圖；
圖26是圖23中示出的六相電活性聚合物發(fā)電機(jī)的側(cè)視圖；
圖27圖示在圖20-26中示出的DEG模塊的一個實施例；
圖28圖示在圖27中示出的DEG模塊的堆疊彈性體膜部件部分的一個實施例；
圖29是堆疊彈性體膜部件的前視圖；
圖30是前板被移除的堆疊彈性體膜部件的透視圖；
圖31是圖30中示出的堆疊彈性體膜部件的詳細(xì)的端部視圖；
圖32是堆疊彈性體膜部件的局部透視圖；
圖33是圖32中示出的堆疊彈性體膜部件的局部透視圖的詳細(xì)視圖；
圖34-37圖示根據(jù)一個實施例在圖20-24和26中示出的頂部吊板的詳細(xì)視圖；
圖38-40圖示與結(jié)合圖20-26描述的六相電活性聚合物發(fā)電機(jī)一起使用的軸的一個實施例；
圖41-48圖示多相介電彈性體發(fā)電機(jī)中的平衡反作用轉(zhuǎn)矩的原理；
圖49圖示具有附接到中央凸輪的八個相的徑向介電彈性體發(fā)電機(jī)； 圖50是當(dāng)附接到一點的線性彈簧繞中心軸運(yùn)轉(zhuǎn)時每個相的近似的圖；
圖51是使用方程(51)計算的被動式轉(zhuǎn)矩的圖形表示，其中r=0.5 ；10=1 ;以及k=l ；
圖52是來自六個相中的每個的轉(zhuǎn)矩的圖形表示；
圖53是來自具有一個(最大)相到六個(最小)相的系統(tǒng)的凈被動式轉(zhuǎn)矩的圖形表示； 圖54是來自六相系統(tǒng)的波動轉(zhuǎn)矩的圖形表不；
圖55是具有η個相的系統(tǒng)與具有一個相的系統(tǒng)的最大波動轉(zhuǎn)矩的比率的圖形表示； 圖56是包括多個形成在介電膜上的電極的電活性聚合物膜的圖；
圖57是包括多個形成在介電膜上的電極的電活性聚合物膜的圖；
圖58是已經(jīng)逐漸產(chǎn)生裂縫的電極的圖；以及 圖59是已經(jīng)逐漸產(chǎn)生裂縫的電極的圖。
【具體實施方式】
[0012]在解釋被配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的基于電活性聚合物的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和基于電活性聚合物的陣列的實施例之前，應(yīng)該注意的是，所公開的實施例在應(yīng)用或者使用中不限于在附圖和說明書中圖示的部分的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。所公開的實施例可以在其它實施例、變化和修改中實施或者并入到其它實施例、變化和修改中，并且可以以各種方式實踐或?qū)嵭?。此外，除非以其它方式指示，本文所采用的術(shù)語和表述已為了描述實施例的目的、說明性目的以及讀者的方便而選擇，并且不意圖達(dá)到將實施例中的任一個限制成所公開的特定實施例的目的。此外，應(yīng)該理解的是，在沒有限制的情況下，所公開的實施例、實施例的表述以及例子中的任何一個或多個可以與其它公開的實施例、實施例的表述以及例子中的任何一個或多個組合。因此，在一個實施例中公開的元件與在另一實施例中公開的元件的組合可以被看作在本公開和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0013]在各種實施例中，本公開提供基于電活性聚合物的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其可以被用來以雙向方式在電能和機(jī)械能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將領(lǐng)會的是，遍及本公開術(shù)語“電活性聚合物”、“介電彈性體(dielectric elastomer)”和 / 或“彈性介電兀件(elastomeric dielectricelement)”可以可交換地使用。在一個實施例中，本公開提供具有一個或多個換能器的發(fā)電機(jī)，其采用被配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電活性聚合物膜。在另一個實施例中，本公開提供采用以多相布置被配置以便以高效方式將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電活性聚合物膜的換能器陣列。在還有其它的實施例中，本公開提供能量轉(zhuǎn)移和能量采集電路和技術(shù)，用于采用被配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電活性聚合物膜陣列的換能器。在下文中圖示和描述這些和其它具體實施例。
[0014]本公開提供具有一個或多個采用電活性聚合物膜來將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的換能器的發(fā)電機(jī)以及用于更高效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電路技術(shù)的各種實施例。在一個實施例中，發(fā)電機(jī)模塊包括電活性聚合物換能器，所述電活性聚合物換能器包括可從加利福尼亞州的Sunnyvale的Artificial Muscle, Inc.(AMI)獲得的集成的介電彈性體元件。這樣的發(fā)電機(jī)在本文中可以被稱為電活性聚合物發(fā)電機(jī)模塊。這樣的電活性聚合物發(fā)電機(jī)模塊具有適用于實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)(包括例如機(jī)械到電能轉(zhuǎn)換)的特性。這樣的電活性聚合物發(fā)電機(jī)模塊包括具有夾在兩個電極層之間的介電彈性體膜的可拉伸彈性材料。施加機(jī)械力來使電活性聚合物發(fā)電機(jī)模塊變形(拉伸電活性聚合物發(fā)電機(jī)模塊)會改變各電極之間的介電彈性體膜的電容。施加于變形的膜的種子電荷上升到當(dāng)電活性聚合物發(fā)電機(jī)模塊松弛時可以采集的較高膜電壓。電活性聚合物發(fā)電機(jī)模塊適用于直接驅(qū)動應(yīng)用，是高度可縮放、可靠且高效的。
[0015]除了提供電活性聚合物發(fā)電機(jī)的各種實施例之外，在各種方面，本公開還提供連同電活性聚合物發(fā)電機(jī)模塊采用以便增加發(fā)電機(jī)的效率的調(diào)節(jié)電子設(shè)備邏輯和電路以及技術(shù)。在下文中將分別描述這些技術(shù)中的每個。
[0016]發(fā)電機(jī)可以包括一個或多個傳輸機(jī)構(gòu)，其耦合到機(jī)械能的源并且轉(zhuǎn)換該機(jī)械能的一部分以便驅(qū)動發(fā)電機(jī)的一個或多個換能器部分。換能器連同電耦合到發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)電子設(shè)備將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。除了別的以外，常見的機(jī)械能的源包括例如處于靜止或運(yùn)動的水、潮汝、波浪、風(fēng)、太陽、地?zé)帷?br> [0017]用于通過利用電活性聚合物來從機(jī)械功率生成電功率的基本機(jī)構(gòu)是介電彈性體在響應(yīng)于機(jī)械功率而周期性地拉伸和收縮時經(jīng)受的電容的改變。為了要成為重要的電功率發(fā)電機(jī)，電活性聚合物發(fā)電機(jī)應(yīng)該從松弛的收縮狀態(tài)到拉伸狀態(tài)經(jīng)受至少3倍到4倍的電容改變。對合適的電活性聚合物發(fā)電機(jī)的性能、效率和可靠性作出貢獻(xiàn)的因素包括介電材料、電極、機(jī)械配置、電子設(shè)備以及能量密度和效率。
[0018]電活性聚合物能暈轉(zhuǎn)換設(shè)備。
[0019]圖1是可以被用于從機(jī)械能的源102采集電力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備100 (發(fā)電機(jī)100)的框圖。該機(jī)械能的源102可以以某種方式經(jīng)由一個或多個傳輸耦合機(jī)構(gòu)104輸入到發(fā)電機(jī)100中。然后，連同調(diào)節(jié)電子設(shè)備108，采用電活性聚合物的一個或多個換能器106將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。同樣，機(jī)械能的一部分可以被用來執(zhí)行附加的機(jī)械功。調(diào)節(jié)電子設(shè)備108可以將所采集的電能110轉(zhuǎn)移到電能輸出。在一些實施例中，發(fā)電機(jī)100可以反過來操作以便根據(jù)電活性聚合物換能器106上的電功率施加來執(zhí)行機(jī)械功。
[0020]用來生成電力的機(jī)械能可以從若干源提供。例如，機(jī)械能的源102可以從環(huán)境源中采集，除了別的源之外，所述環(huán)境源諸如處于靜止或運(yùn)動的水、潮汐、波浪、風(fēng)、太陽、地?zé)?。通過諸如水或空氣之類的的工作流體，環(huán)境能量的源可以被轉(zhuǎn)移到換能器106以便生成機(jī)械功或能量?？梢酝ㄟ^使用本公開的一個或多個電活性聚合物換能器106來采集機(jī)械能以便轉(zhuǎn)換成電力110。對發(fā)電機(jī)100的工作流體以及其它部件的選擇可以取決于該發(fā)電機(jī)100的一個或多個操作和設(shè)計參數(shù)，諸如發(fā)電機(jī)的操作環(huán)境(例如商業(yè)、住宅、陸地、海洋、便攜式、非便攜式等等)、發(fā)電機(jī)的尺寸、成本需求、耐久性需求、效率需求、功率源的溫度和功率輸出需求。
[0021]在一個實施例中，驅(qū)動發(fā)電機(jī)100的機(jī)械能可以從處于靜止或運(yùn)動的水中導(dǎo)出，如在水力發(fā)電廠中接進(jìn)機(jī)械能并且將其轉(zhuǎn)換成電能。這樣的機(jī)械能的源102的主要部件將包括水壩、蓄水池、水渠、傳輸耦合機(jī)構(gòu)104、一個或多個電活性聚合物換能器106、調(diào)節(jié)電子設(shè)備108、變壓器和管道。水壩是高效地采集水的機(jī)械能(勢能和動能)的系統(tǒng)，它可以被建造在具有自然海拔的水體(諸如河)上。該機(jī)械能也可以從移動的水(諸如被用來碾磨谷物的移動的水)中被導(dǎo)出。
[0022]在另一個實施例中，驅(qū)動發(fā)電機(jī)100的機(jī)械能可以從潮汐中被導(dǎo)出。海洋的潮汐產(chǎn)生兩個不同類型的能量，包括熱能(或者來自太陽的熱量)和機(jī)械能(通過波浪和潮汐的運(yùn)動)。從潮汐的移動來開發(fā)機(jī)械能。潮汐機(jī)械能的源102的部件將包括捕獲機(jī)械能的機(jī)構(gòu)、傳輸I禹合機(jī)構(gòu)104、一個或多個電活性聚合物換能器106、以及調(diào)節(jié)電子設(shè)備108,以便將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電力。這可以通過使用例如浮標(biāo)、能量攔水壩和水車來完成。
[0023]在另一個實施例中，驅(qū)動發(fā)電機(jī)100的機(jī)械能可以從風(fēng)車和風(fēng)力渦輪機(jī)中導(dǎo)出。風(fēng)車和風(fēng)力渦輪機(jī)使用可再生的風(fēng)能來產(chǎn)生機(jī)械能。風(fēng)車以將由其葉片的轉(zhuǎn)動生成的動能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動機(jī)械能的原理工作。傳輸耦合機(jī)構(gòu)104將轉(zhuǎn)動機(jī)械能耦合到一個或多個電活性聚合物換能器106和調(diào)節(jié)電子設(shè)備108，以便將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電力。風(fēng)車通常被安裝在多山并且沿海的區(qū)域，在那里風(fēng)速的范圍是從每小時5英里到每小時15.5英里。根據(jù)本公開的發(fā)電機(jī)100通過使用一個或多個電活性聚合物換能器106和調(diào)節(jié)電子設(shè)備108來利用風(fēng)的功率來產(chǎn)生電力。存在兩種類型的風(fēng)力渦輪機(jī)，包括垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)和水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)。
[0024]將領(lǐng)會的是，機(jī)械能的源的例子的上述描述不是詳盡的，并且諸如熱能的源之類的其它的源可以被采用來驅(qū)動一個或多個電活性聚合物換能器106和調(diào)節(jié)電子設(shè)備108以便生成電力。可以從各種熱量源(諸如太陽能、地?zé)崮?、?nèi)部燃燒、外部燃燒、或廢熱)中生成熱能。熱能可以被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，使得它可以被用來驅(qū)動位于發(fā)電機(jī)100中的一個或多個換能器106。
[0025]圖2圖示了用于通過使用包括某種類型的電活性聚合物膜的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備來轉(zhuǎn)換能量的循環(huán)200。垂直軸描繪與E2成比例的電場，而水平軸描繪應(yīng)變。當(dāng)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備被操作為機(jī)械到電發(fā)電機(jī)時，機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電力。通常來說，機(jī)械能的源被用來以某種方式使電活性聚合物膜偏斜或拉伸。本公開的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備也可以被用來執(zhí)行機(jī)械功。在這種情況下，電能可以被用來使電活性聚合物膜偏斜。在偏斜過程中由電活性聚合物膜執(zhí)行的機(jī)械功可以被用來施加機(jī)械過程。為了在延伸的時間周期內(nèi)生成電能或者為了執(zhí)行熱功，電活性聚合物膜可以在許多個循環(huán)上被拉伸和松弛。
[0026]在圖2中，示出了電活性聚合物膜拉伸和松弛以便將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的一個循環(huán)200。該循環(huán)僅用于說明目的。本公開的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備可以采用許多不同類型的循環(huán)，并且能量轉(zhuǎn)換設(shè)備不限于圖2中示出的循環(huán)。在202中，用聚合物上的零電場壓力來拉伸電活性聚合物膜。該拉伸可以源于施加到該膜的機(jī)械力，所述機(jī)械力從輸入到能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的外部能量的源中生成。例如，機(jī)械過程可以被用來使電活性膜偏斜。在204中，將聚合物膜上的電場壓力增加到某一最大值。參考圖8、18和19來描述執(zhí)行該功能必需的調(diào)節(jié)電子設(shè)備。在該例子中，電場壓力的最大值僅低于電活性聚合物的電擊穿強(qiáng)度。該擊穿強(qiáng)度可以以某一速率隨著時間改變，該速率取決于但不限于以下各項:1)使用能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的環(huán)境，2)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的操作歷史和在能量轉(zhuǎn)換設(shè)備中使用的聚合物的類型。
[0027]在206中，在電場壓力維持接近其最大值時電活性聚合物松弛。松弛過程可以對應(yīng)于允許電活性膜松弛的電活性聚合物的彈性恢復(fù)屬性。當(dāng)電活性聚合物松弛時，電活性聚合物膜上的電荷的電壓增加。如由其較高的電壓所指示的電活性聚合物膜上的電荷的電能的增加被采集成所生成的電能。在208中，當(dāng)電場壓力被減小到零時電活性聚合物膜完全松弛，并且循環(huán)可以重復(fù)。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)動機(jī)械力和凸輪機(jī)構(gòu)被用來拉伸和松弛電活性聚合物膜時，可以發(fā)起循環(huán)。
[0028]本公開的設(shè)備中的電能和機(jī)械能之間的變換基于電活性聚合物(諸如例如電活性聚合物介電彈性體)的一個或多個活性區(qū)域的能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)由電能致動時，電活性聚合物偏斜。為了幫助圖示在將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能中的電活性聚合物的性能，圖3A圖示了根據(jù)一個實施例的換能器部分300的頂部透視圖。該換能器部分300包括用于在電能和機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的電活性聚合物302。在一個實施例中，電活性聚合物指的是充當(dāng)兩個電極之間的絕緣電介質(zhì)并且可以根據(jù)兩個電極之間電壓差的施加來偏斜的聚合物。頂部和底部電極304和306被附接到電活性聚合物302 (分別在其頂部和底部表面上)，以便在聚合物302的一部分的兩端上提供電壓差。聚合物302隨著由頂部和底部電極304和306提供的電場改變而偏斜。響應(yīng)于由電極304和306提供的電場的改變，換能器部分300的偏斜被稱為致動。當(dāng)聚合物302在尺寸上改變時，該偏斜可以被用來產(chǎn)生機(jī)械功。
[0029]圖3B圖示了包括響應(yīng)于電場的改變的偏斜的換能器部分300的頂部透視圖。一般來說，偏斜指的是聚合物302的一部分的任何位移、膨脹、收縮、扭曲、線性或區(qū)域應(yīng)變、或者任何其它變形。對應(yīng)于施加到電極304和306或由電極304和306施加的電壓差的電場的改變在聚合物302內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械壓力。在這種情況下，由電極304和306產(chǎn)生的不同電荷彼此吸引，并且提供電極304和306之間的壓縮力和聚合物302上沿著平面方向308、310的膨脹力，從而使得聚合物302在電極304、306之間壓縮并且在平面方向308、310上拉伸。
[0030]在一些情況下，電極304和306覆蓋相對于聚合物的總面積的聚合物302的有限部分。這可以被完成以便防止聚合物302的邊緣周圍的電擊穿，或者實現(xiàn)聚合物的一個或多個部分的定制的偏斜。如術(shù)語在本文中使用那樣，活性區(qū)域被定義為包括聚合物材料302和至少兩個電極的換能器的一部分。當(dāng)活性區(qū)域被用來將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時，該活性區(qū)域包括聚合物302的一部分，其具有足夠靜電力以便實現(xiàn)該部分的偏斜。當(dāng)活性區(qū)域被用來將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能時，該活性區(qū)域包括聚合物302的一部分，其具有足夠的偏移以便實現(xiàn)靜電能的改變。如下面將描述的那樣，本發(fā)明的聚合物可以具有多個活性區(qū)域。在一些情況下，在活性區(qū)域之外的聚合物302材料可以充當(dāng)在偏斜期間該活性區(qū)域上的外部彈簧力。更具體地，活性區(qū)域之外的聚合物材料可以通過其收縮或膨脹來抵抗活性區(qū)域偏斜。電壓差和所感應(yīng)的電荷的移除引起相反的效果。
[0031]電極304和306是順從的，并且隨著聚合物302改變形狀。聚合物302和電極304和306的配置提供了隨著偏斜的增加的聚合物302響應(yīng)。更具體地，當(dāng)換能器部分300偏斜時，聚合物302的壓縮使得電極304和306的相反電荷更靠近，并且聚合物302的拉伸將每個電極中類似的電荷分開。在一個實施例中，電極304和306中的一個接地。
[0032]一般來說，換能器部分300繼續(xù)偏斜，直到機(jī)械力與驅(qū)動偏斜的靜電力平衡為止。機(jī)械力包括聚合物302材料的彈性恢復(fù)力、電極304和306的順從性、以及由耦合到換能器部分300的負(fù)載和/或設(shè)備提供的任何外部阻力。作為所施加的電壓的結(jié)果的換能器部分300的偏斜也可以取決于若干其它的因素，諸如聚合物302介電常數(shù)和聚合物302的尺寸。
[0033]根據(jù)本公開的電活性聚合物能夠在任何方向上偏斜。在于電極304和306之間施加電壓之后，聚合物302在平面方向308和310 二者上膨脹(拉伸)。在一些情況下，聚合物302是不可壓縮的，例如在應(yīng)力下具有基本上恒定的體積。對于不可壓縮聚合物302，作為平面方向308和310上的膨脹的結(jié)果，聚合物302在厚度上減少。應(yīng)該注意的是，本發(fā)明不限于不可壓縮的聚合物，并且聚合物302的偏斜可能不會遵守這樣的簡單關(guān)系。
[0034]圖3A中示出的換能器部分300上的電極304和306之間的相對大的電壓差的施加將使換能器部分300變成如圖3B中示出的較薄、較大面積的形狀。也這種方式，換能器部分300將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。換能器部分300還可以被用來以雙向方式將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。
[0035]圖3A和3B可以被用來示出換能器部分300將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的一種方式。例如，如果換能器部分300被外力機(jī)械拉伸成諸如圖3B中示出的較薄、較大面積的形狀，并且在電極304、306之間施加相對小的電壓差(小于將膜致動成圖3B中的配置所必需的電壓差)，則當(dāng)外力被移除時，換能器部分300將在電極之間在面積上收縮成諸如圖3A中那樣的形狀。拉伸換能器指的是使換能器300從其原始靜止位置偏斜，一般導(dǎo)致電極之間較大的凈面積，例如在電極之間由方向308、310定義的平面中。靜止位置指的是換能器部分300的不具有外部電或機(jī)械輸入的位置，并且可以包括聚合物中的任何預(yù)應(yīng)變。一旦換能器部分300被拉伸，就會提供相對小的電壓差，以使得最終得到的靜電力不足以平衡該拉伸的彈性恢復(fù)力。換能器部分300因此收縮，并且它變得更厚，并在由方向308、310定義的平面中具有更小的平面面積(與在方向312上電極之間的厚度正交)。當(dāng)聚合物302變得更厚時，它使得電極304、306以及其對應(yīng)的不同電荷分開，因此提高了電荷的電壓和電能。此外，當(dāng)電極304,306收縮成較小的面積時，每個電極內(nèi)的相同電荷壓縮，從而也提高了電荷的電壓和電能。因此，用電極304、306上的不同電荷，從諸如圖3B中示出的形狀那樣的形狀到諸如圖3A中示出的形狀那樣的形狀的收縮提高了電荷的電能。也就是說，機(jī)械偏斜被變成機(jī)械能并，且換能器部分300充當(dāng)發(fā)電機(jī)。
[0036]在一些情況下，從電學(xué)方面來說換能器部分300可以被描述成可變電容器。對于從圖3B中示出的形狀到圖3A中示出的形狀的形狀改變，電容會減小。一般，電極304、306之間的電壓差將通過收縮而提高。例如如果在收縮過程期間附加的電荷沒有被添加到電極304、306或者沒有從電極304、306減去附加的電荷，則這是通常的情況?？梢酝ㄟ^方程U=0.5Q2/C來說明電能U的增加，其中Q是正電極上的正電荷的量，并且C是涉及聚合物302的固有介電屬性以及其幾何形狀的可變電容。如果Q被固定且C減小，則電能U增加。在與電極304、306的電通信的合適的設(shè)備或電子電路中，電能和電壓的增加可以被恢復(fù)或使用。另外，換能器部分300可以機(jī)械耦合到使聚合物偏斜并且提供機(jī)械能的機(jī)械輸入。
[0037]當(dāng)換能器部分300收縮時，其將把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)換能器部分300在由方向308、310限定的平面中完全收縮時，可以移除電荷和能量的中一些或全部?？商鎿Q地，可以在收縮期間移除電荷和能量中的一些或全部。如果在收縮期間聚合物302中的電場壓力增加并且達(dá)到與機(jī)械彈性恢復(fù)力和外部負(fù)載平衡，則該收縮將在完全收縮之前停止，并且將不會使另外的彈性機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。移除一些電荷和所存儲的電能會減小電場壓力，因此允許收縮繼續(xù)。因此，移除一些電荷可能進(jìn)一步將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)換能器部分300操作為發(fā)電機(jī)時其的確切電行為取決于任何電和機(jī)械加載以及聚合物302和電極304、306的固有屬性。
[0038]在一個實施例中，電活性聚合物302可以被預(yù)應(yīng)變。聚合物的預(yù)應(yīng)變在一個或多個方向上可以被描述為在預(yù)應(yīng)變之后沿某方向上的維度相對于在預(yù)應(yīng)變之前沿該方向上的維度的改變。預(yù)應(yīng)變可以包括聚合物302的彈性變形，并且例如通過以張力拉伸聚合物且在拉伸的同時固定邊緣中的一個或多個來形成。對于許多聚合物，預(yù)應(yīng)變改進(jìn)電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。改進(jìn)的機(jī)械響應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對于電活性聚合物的更大的機(jī)械功，例如更大偏斜和致動壓力。在一個實施例中，預(yù)應(yīng)變改進(jìn)聚合物302的介電強(qiáng)度。在另一個實施例中，預(yù)應(yīng)變是彈性的。在致動之后，彈性預(yù)應(yīng)變的聚合物理論上將是不固定的并且返回到其原始狀態(tài)?？梢酝ㄟ^使用剛性構(gòu)架來在邊界處強(qiáng)加預(yù)應(yīng)變，或者也可以針對聚合物的一部分局部地實現(xiàn)該預(yù)應(yīng)變。
[0039]在一個實施例中，將預(yù)應(yīng)變均勻地施加在聚合物302的一部分上，以產(chǎn)生各項同性的預(yù)應(yīng)變聚合物。舉例來說，可以在兩個平面方向上將丙烯酸彈性體聚合物拉伸百分之200到400。在另一個實施例中，可以在不同的方向上對聚合物302的一部分不均等地施加預(yù)應(yīng)變，以產(chǎn)生各向異性預(yù)應(yīng)變聚合物。例如，硅樹脂膜可以在一個平面方向上被拉伸O到10%，而在另一個平面方向上被拉伸10%到100%。在這種情況下，當(dāng)被致動時，聚合物302可以在一個方向上比在另一個方向上偏斜更大。盡管不希望通過理論來束縛，但是本發(fā)明人推測，在一個方向上使聚合物預(yù)應(yīng)變可以增加該聚合物在預(yù)應(yīng)變方向上的硬度。因此，聚合物在高預(yù)應(yīng)變方向上相對較硬，而在低預(yù)應(yīng)變方向上更順從，并且在致動時更多偏斜發(fā)生在低應(yīng)變方向上。在一個實施例中，換能器部分300在方向308上的偏斜可以通過在垂直方向310上運(yùn)用大的預(yù)應(yīng)變來增強(qiáng)。例如，被用作換能器部分300的丙烯酸彈性體聚合物可以在方向308上被拉伸百分之300，并且在垂直方向310上被拉伸百分之500。針對聚合物的預(yù)應(yīng)變的量可以基于聚合物材料和應(yīng)用中該聚合物的期望性能。
[0040]各向異性預(yù)應(yīng)變還可以改進(jìn)換能器300在發(fā)電機(jī)模式中將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的性能。除了增加聚合物的介電擊穿強(qiáng)度并且允許更多電荷被放置在聚合物上之外，高預(yù)應(yīng)變可以改進(jìn)在低預(yù)應(yīng)變方向上機(jī)械到電的耦合。也就是說，進(jìn)入低預(yù)應(yīng)變方向的更多機(jī)械輸入可以被轉(zhuǎn)換成電輸出，因此提高了發(fā)電機(jī)的效率。
[0041]圖4A-4F圖示用于通過使用包括電活性聚合物膜402 (例如介電彈性體膜)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備來轉(zhuǎn)換機(jī)械能的電活性聚合物發(fā)電機(jī)400的一個循環(huán)。圖形表示伴隨說明性循環(huán)，其中垂直軸對應(yīng)于電場(電壓)，而水平軸對應(yīng)于應(yīng)變率(λ )以便圖示機(jī)械到電功率轉(zhuǎn)換循環(huán)?？衫祀姌O404、406被形成在電活性聚合物膜402上。當(dāng)介電彈性體膜402松弛時，由電活性聚合物膜402存儲的電荷408處于第一電平。然后通過任何合適的機(jī)械功在方向410上拉伸電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406。電荷408保持在第一電平。如圖4Β中所示，電活性聚合物發(fā)電機(jī)400處于拉伸狀態(tài)下。當(dāng)被拉伸時，電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406改變電容。在一個方面，處于拉伸狀態(tài)下，可拉伸電極404、406更靠近在一起并且提高電容。當(dāng)電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406處于拉伸狀態(tài)時(如圖4C中所示)，電極404、406耦合到能量源412 (例如直流(DC)電池)，并且將偏置電壓施加到電活性聚合物膜402以便將電荷408提高到更高電壓。如圖4D中所示，能量源被移除，并且電活性聚合物膜402保持以較高的電壓被充電。如圖4Ε中所示，當(dāng)電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406在方向414上松弛時，電活性聚合物膜402和可拉伸電極404,406縮小并分開。因此，電活性聚合物膜402的電容被降低，并且電壓被提高到更高的電平。如圖4F中所示，當(dāng)電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406回到松弛狀態(tài)下時，電極404、406被耦合到負(fù)載416并且所存儲的電壓(或電荷)被遞送到負(fù)載416，因此對電活性聚合物膜402進(jìn)行放電。根據(jù)施加到電活性聚合物發(fā)電機(jī)400的輸入處的機(jī)械功，循環(huán)重復(fù)。
[0042]現(xiàn)在參考圖4A-4F，不管電活性聚合物膜402被用作致動器還是電活性聚合物發(fā)電機(jī)400，該電活性聚合物膜402的基本結(jié)構(gòu)是在每個側(cè)上圖案化有可拉伸電極404、406的高介電彈性體膜。在致動器模式下，當(dāng)電壓被施加到電活性聚合物402時，通過來自兩個電極404、406上的不同電荷的靜電力的影響，該聚合物在厚度上壓縮并且在面積上膨脹。發(fā)電機(jī)模式基本上與致動器模式相反。將機(jī)械能410施加到電活性聚合物膜402以將其拉伸引起厚度的壓縮以及表面積的膨脹。在這點上，電壓412被施加到電活性聚合物膜402。所施加的電能412被存儲在聚合物402上作為電荷408。當(dāng)機(jī)械能減小414時，電活性聚合物膜402的彈性恢復(fù)力用來恢復(fù)原始厚度并且減小面積。該機(jī)械改變增加兩個電極404、406層之間的電壓勢，從而導(dǎo)致靜電能的增加。
[0043]下面描述分析等式，該分析等式描述電活性聚合物發(fā)電機(jī)400模式。可以通過注意基于電活性聚合物膜402的發(fā)電機(jī)400 (例如電活性聚合物人工肌肉(EPAM?)發(fā)電機(jī))基本上是其電容隨著電活性聚合物膜402拉伸和收縮而變化的電容器來理解這些等式。電活性聚合物膜402的電容是:
【權(quán)利要求】
1.一種被配置成將能量從機(jī)械能的源轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，該能量轉(zhuǎn)換裝置包括: 換能器，其包括介電彈性體模塊，所述介電彈性體模塊包括可拉伸電活性聚合物材料，所述介電彈性體模塊包括至少一個介電彈性體膜層，所述至少一個介電彈性體膜層具有至少一部分部署在至少第一和第二電極之間； 傳輸耦合機(jī)構(gòu)，其被配置成耦合機(jī)械能的源并且操作地附接到換能器以便響應(yīng)于作用于傳輸耦合機(jī)構(gòu)上的機(jī)械能來周期性地使換能器變形和松弛；以及 調(diào)節(jié)電路，其被耦合到至少第一和第二電極，并且被配置成當(dāng)介電彈性體膜處于變形的狀態(tài)下時將電荷施加到介電彈性體膜，當(dāng)介電彈性體膜從變形狀態(tài)轉(zhuǎn)變成松弛狀態(tài)時從介電彈性體膜斷開，以及當(dāng)介電彈性體膜達(dá)到松弛狀態(tài)時從介電彈性體膜移除電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 介電彈性體模塊包括多個介電彈性體膜元件層，其分層放置在多個框架元件和形成在每個層上的多個電極之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，還包括位于框架元件中的至少一個上的匯流電極，以便將調(diào)節(jié)電路耦合到多個電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，還包括電連接在匯流電極和至少一個電極之間的聚合物保險絲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 介電彈性體膜具有小于約IOOMPa的模量和大于約2的介電常數(shù)，并且包括從包括以下各項的組中選擇的一個或多個材料:丙烯酸脂、硅樹脂、氨基甲酸乙酯、烴橡膠、含氟彈性體、苯乙烯共聚物和其組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 第一和第二電極中的至少一個包括從包括以下各項的組中選擇的至少一個:圓齒狀加固珠、蜿蜒狀加固珠、壓延復(fù)合材料和織物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 傳輸耦合機(jī)構(gòu)包括第一軸，其具有被配置成耦合到機(jī)械能的源的第一部分和包括操作地耦合到換能器的第一凸輪的第二部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 第一軸包括第二凸輪，其圍繞軸以相對于第一軸上的第一凸輪180°的角度部署。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 傳輸耦合機(jī)構(gòu)包括第二軸，其具有第一部分和第二部分，所述第一部分被配置成耦合到機(jī)械能的源，所述第二部分包括操作地耦合到換能器并且圍繞軸以相對于第二軸上的第一凸輪180°的角度部署的第二凸輪。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 當(dāng)機(jī)械能的源被耦合到第一和第二軸的第一部分時，第一軸被配置成以順時針方向轉(zhuǎn)動并且第二軸被配置成以逆時針方向轉(zhuǎn)動，并且其中第一和第二軸上的第一和第二凸輪形成一對相對反向轉(zhuǎn)動的彈性元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，還包括: 限定孔徑以便將第一軸的第一凸輪容納在其中的第一吊板，所述第一吊板具有操作地耦合到第一軸的第一凸輪的第一端和連接到換能器的第一端的第二端；以及 限定孔徑以便將第二軸的第一凸輪容納在其中的第二吊板，所述第二吊板具有操作地耦合到第二軸的第一凸輪的第一端和連接到換能器的第二端的第二端； 其中耦合到換能器并且操作耦合到位于各自的第一和第二軸上的第一凸輪的第一和第二吊板限定第一發(fā)電機(jī)元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，還包括: 限定孔徑以便將第一軸的第二凸輪容納在其中的第三吊板，所述第三吊板具有操作地耦合到第一軸的第二凸輪的第一端和連接到第二換能器的第一端的第二端；以及 限定孔徑以便將第二軸的第二凸輪容納在其中的第四吊板，所述第四吊板具有操作地耦合到第二軸的第二凸輪的第一端和連接到第二換能器的第二端的第二端； 其中耦合到第二換能器并且操作地耦合到位于各自的第一和第二軸上的第二凸輪的第三和第四吊板限定第二發(fā)電機(jī)元件；并且 其中第一和第二發(fā)電機(jī)元件限定第一對平衡反向轉(zhuǎn)動彈性元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，還包括至少第三和第四發(fā)電機(jī)元件，其中至少第三和第四發(fā)電機(jī)元件至少限定第二對平衡反向轉(zhuǎn)動彈性元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 調(diào)節(jié)電路包括: 控制器； 充電控制器； 能量存儲兀件；并且 其中當(dāng)所述機(jī)械循環(huán)已達(dá)到循環(huán)的最大應(yīng)變時，充電控制器從能量存儲元件移除電能并且將其轉(zhuǎn)移到介電彈性體膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中， 調(diào)節(jié)電路還包括: 放電控制器； 其中當(dāng)機(jī)械循環(huán)已達(dá)到循環(huán)的最小應(yīng)變時，放電控制器從介電彈性體膜移除電能。
16.根據(jù)權(quán)利要求14和15所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，還包括電壓監(jiān)視器或應(yīng)變監(jiān)視器中的至少一個，以便確定介電彈性體膜上的電壓或應(yīng)變狀況中的至少一個，并且將電壓或應(yīng)變測量結(jié)果中的至少一個提供給控制器。
17.一種電活性聚合物能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，至少包括: 第一對相對反向轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)兀件； 第二對相對反向轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)元件；以及 第三對相對反向轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)元件； 其中至少三對相對反向轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)元件限定平衡反向轉(zhuǎn)動電活性聚合物能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。
18.—種從機(jī)械能的源生成電能的方法，該方法包括: 通過使用機(jī)械能的源來使介電彈性體膜變形到循環(huán)的預(yù)定最大應(yīng)變； 通過應(yīng)變控制器來監(jiān)視介電彈性體膜何時達(dá)到循環(huán)的預(yù)定最大應(yīng)變； 當(dāng)機(jī)械循環(huán)已達(dá)到循環(huán)的最大應(yīng)變時通過充電控制器來將電荷轉(zhuǎn)移到介電彈性體膜； 使介電彈性體膜松弛到循環(huán)的預(yù)定最小應(yīng)變；以及 當(dāng)機(jī)械循環(huán)達(dá)到循環(huán)的最小應(yīng)變時通過放電控制器來移除介電彈性體上的電荷。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括: 通過充電控制器來從能量存儲元件移除電荷；以及 當(dāng)機(jī)械循環(huán)已達(dá)到循環(huán)的最大應(yīng)變時將從能量存儲元件移除的電荷轉(zhuǎn)移到介電彈性體膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求18和19中的一項所述的方法，還包括: 由電壓監(jiān)視器或應(yīng)變監(jiān)視器中的至少一個來確定介電彈性體膜的電壓或應(yīng)變狀況中的至少一個；以及 將電壓或應(yīng)變測量結(jié)果中的至少一個提供給控制器。
【文檔編號】H02N2/18GK103563236SQ201280012300
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月9日
【發(fā)明者】R.N.希奇科克, S.J.比格斯, W.延寧格 申請人:拜耳知識產(chǎn)權(quán)有限責(zé)任公司