BR112017020738B1 - Sistema, e, método para operação de um gerador de energia elétrica - Google Patents

Abstract

SISTEMA, E, MÉTODO PARA OPERAÇÃO DE UM GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA. A invenção apresenta um sistema e um método de conversão e/ou geração de energia em que um gerador de energia elétrica é controlado para periodicamente alternar entre um modo de contato, durante o qual os elementos do gerador são colocados em contato para induzir um estado de carregamento, e um modo sem contato, durante o qual as placas do gerador são separadas umas das outras e a energia elétrica é gerada através de indução eletrostática. A temporização e duração dos modos de contato e sem contato são controladas por um controlador, ou por comandos do usuário, em dependência de um estado de carga dos elementos do gerador: Dessa maneira, os elementos são controlados para entrar em contato apenas quando a carga de superfície cair abaixo de um certo nível, e for necessário recarregar; o tempo de contato entre os elementos pode, portanto, ser minimizado - minimizando, assim, o ruído causado e o desgaste de superfície - enquanto ainda mantém uma dada potência de saída de limiar desejada.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se a um sistema de conversão e/ou geração de energia para converter energia mecânica em energia elétrica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Um exemplo desse tipo de sistema, através do qual a energia mecânica pode ser convertida em energia elétrica, é um sistema de geração de energia triboelétrico. O efeito triboelétrico (também conhecido como carregamento triboelétrico) é uma eletrificação induzida por contato na qual um material se torna eletricamente carregado depois de ser colocado em contato com um material diferente através de atrito. A geração triboelétrica se baseia na conversão de energia mecânica em energia elétrica, através de métodos que acoplam o efeito triboelétrico com indução eletrostática. Foi proposto fazer uso de geração triboelétrica para alimentar dispositivos para serem usados junto ao corpo como sensores e smartphones pela captura da energia mecânica desperdiçada de outro modo, de tais fontes como caminhada, movimentos aleatórios do corpo, sopro do vento, vibração ou ondas do mar (consultar, por exemplo: Wang, Sihong, Long Lin e Zhong Lin Wang. “Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors.” Nano Energy 11 (2015): 436 a 462).

[003] O efeito triboelétrico se baseia em uma série que classifica vários materiais de acordo com sua tendência de ganhar elétrons (se tornar negativamente carregado) ou perder elétrons (se tornar positivamente carregado). Essa série é, por exemplo, revelada em A.F. Diaz e R.M. Felix-Navarro, A semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials: the influence of chemical structure and properties, Journal of Electrostactics 62 (2004) 277 a 290. As melhores combinações de materiais para criar eletricidade estática são uma da lista de carga positiva e uma da lista de carga negativa (por exemplo, politetrafluoroetileno (PTFE) contra cobre, ou etileno- propileno fluorado (FEP) contra alumínio). Esfregar o vidro com a pele ou um pente pelo cabelo são exemplos bem conhecidos de triboeletricidade no dia a dia.

[004] Em sua forma mais simples, um gerador triboelétrico usa duas folhas de materiais dissimilares, uma como um doador de elétrons, a outra como um receptor de elétrons. Quando os materiais são colocados em contato, elétrons são trocados de um material para o outro. Isso é simplesmente o efeito triboelétrico. Caso as folhas sejam então separadas, cada folha comporta uma carga elétrica (de diferente polaridade), isolada pelo vão entre elas, e um potencial elétrico é consolidado. Caso uma carga elétrica seja conectada entre os eletrodos dispostos na parte posterior das duas superfícies do material, qualquer deslocamento adicional das folhas, tanto lateral quanto perpendicularmente, induzirá em resposta um fluxo de corrente entre os dois eletrodos. Isto é simplesmente um exemplo de indução eletrostática. À medida que a distância entre os respectivos centros de carga das duas placas aumenta, o campo elétrico de atração entre os dois, ao longo do vão, enfraquece, resultando em um aumento na diferença de potencial entre os dois eletrodos externos, conforme a atração elétrica de carga através da carga começa a vencer a força de atração eletrostática ao longo do vão.

[005] Desta forma, os geradores triboelétricos convertem energia mecânica em energia elétrica através de um acoplamento entre dois mecanismos físicos principais: eletrificação por contato (tribocarregamento) e indução eletrostática.

[006] Aumentando-se e diminuindo-se ciclicamente a separação mútua entre os centros de carga das placas, de modo que a corrente possa ser induzida a fluir para frente e para trás entre as placas em resposta, gera-se, assim, uma corrente alternada através da carga. A potência de saída pode ser aumentada pela aplicação de padrões de microescala às folhas de polímero. A padronização aumenta eficazmente a área de contato e, desse modo, aumenta a eficácia da transferência de carga.

[007] Recentemente, desenvolveu-se uma tecnologia emergente para geração de energia (coleta de energia) e conversão de potência que faz uso desse efeito, conforme revelado em Wang, Z. L.,. “Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors.” ACS nano 7.11 (2013): 9533 a 9557. Com base nesse efeito, várias configurações de dispositivo foram desenvolvidas dos assim chamados nanogeradores triboelétricos (“TENG”, triboeletric nanogenerators). Desde seu primeiro relato em 2012, a densidade de potência de saída de TENGs foi muito melhorada. A densidade de potência de volume pode alcançar mais de 400 quilowatts por metro cúbico, e uma eficiência de ~60% foi demonstrada (ibid.). Em adição ao alto desempenho de saída, a tecnologia de TENG carrega numerosas outras vantagens, como baixo custo de produção, alta confiabilidade e robustez, e baixo impacto ambiental. O TENG pode ser usado como um gerador de energia elétrica, isto é, coleta de energia de, por exemplo, vibração, vento, água, movimentos aleatórios do corpo ou mesmo conversão de energia disponível mecanicamente em eletricidade.

[008] Os TENGs podem ser amplamente divididos em quatro classes de operação principais, uma das quais opera em um assim chamado modo de deslizamento linear, sendo que as placas carregadas são induzidas a deslizar lateralmente uma em relação à outra para alterar a área de sobreposição entre elas. Uma diferença de potencial é induzida através das placas, que tem uma magnitude instantânea em proporção à taxa de alteração da área de sobreposição total. Ao se colocar e retirar repetidamente as placas de sobreposição mútua uma com a outra, uma corrente alternada pode ser estabelecida através de uma carga conectada entre as placas.

[009] Um subconjunto específico de TENGs de modo de deslizamento linear são TENGs de disco rotacional que podem ser operados tanto em um modo de contato (isto é, tribocarregamento e indução eletrostática contínuos) como em um modo sem contato (isto é, apenas indução eletrostática após eletrificação por contato inicial). Os TENGs de disco rotacional geralmente consistem de, ao menos, um rotor e um estator, sendo que cada um é formado como um conjunto de setores de círculo espaçados (segmentos). Os setores se sobrepõem e, então, se separam à medida que os dois discos giram um em relação ao outro. Conforme descrito acima, uma corrente pode ser induzida entre duas camadas - de cargas opostas - que deslizam lateralmente, com uma magnitude proporcional à taxa de alteração da área de sobreposição. À medida que cada setor sucessivamente espaçado do rotor é colocado e em seguida retirado de sobreposição com um dado setor de estator, uma corrente é induzida entre as duas placas de setor, inicialmente em uma primeira direção, conforme as placas aumentam em sobreposição e, em seguida, na direção oposta, conforme as placas diminuem em sobreposição.

[010] As limitações das versões iniciais de TENGs de disco estruturado de modo segmentar, (Long Lin et al., Segmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy, Nano Lett., 2013, 13 (6), páginas 2916 a 2923) residem em que as camadas triboelétricas rotacional e estacionária exigem deposição de eletrodos de metal e conexão com condutores elétricos, o que leva a uma operação inconveniente da parte rotacional.

[011] Um TENG de disco com ambos os grupos de eletrodos dotados de um padrão fixados sobre um disco estacionário, juntamente com uma camada triboelétrica de sustentação independente sobre um disco rotacional, pode resolver estes problemas, conforme revelado em Long Lin et al., Noncontact Free-Rotating Disk Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), páginas 3031 a 3038. Com esse tipo de estrutura, não há necessidade de deposição de eletrodo ou conexão elétrica para a parte rotacional, o que dramaticamente melhora a facilidade de operação do coletor de energia.

[012] Os TENGs de disco rotacional, e de fato, os TENGs de modo deslizante linear em geral, podem ser operados tanto em um modo de contato como em um modo sem contato. Embora um contato seja desejado para se tribocarregar as placas (tanto inicialmente como também subsequentemente, para neutralizar o vazamento), o próprio processo de indução eletrostática (por meio do qual a energia elétrica é gerada) não exige contato entre as placas, mas funciona bem com uma pequena separação de placa (de, por exemplo, aproximadamente 0,5 mm).

[013] A operação em um modo de contato - no qual as placas são mantidas em contato de atrito constante - resulta em uma potência de saída maior, uma vez que as placas estão sendo continuamente carregadas e, portanto, continuamente mantidas a determinada capacidade de carga máxima teórica (definida pela capacitância do sistema de bi- placa) por substituição contínua de carga perdida através de vazamento etc. Quanto maior for a carga que pode ser mantida nas placas, maior a saída de indução eletrostática que pode ser gerada, uma vez que uma densidade de carga naturalmente maior induz uma força eletrostática maior entre os elétrons nas placas.

[014] Entretanto, a operação no modo de contato traz consigo várias dificuldades, incluindo a produção de excesso de ruído e deterioração de materiais de dispositivo através da abrasão de superfície, bem como a perda de potência devido à necessidade de superar o atrito entre as placas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[015] É um objetivo da invenção, entre outros, reduzir uma ou mais das dificuldades supracitadas. Este objetivo é alcançado com a invenção, conforme definido pelas reivindicações independentes. As reivindicações dependentes definem modalidades vantajosas.

[016] Dessa forma, A invenção apresenta um sistema de geração de energia elétrica e um método com o qual é possível aumentar ou otimizar a potência de saída ao mesmo tempo em que os efeitos associados a uma das dificuldades acima são minimizados. Isso é obtido por um modo de operação do dispositivo, sendo que há um modo de geração de energia em que não há contato entre os elementos móveis mutuamente que transportam carga para gerar a energia elétrica e um modo de carregamento em que há contato entre os elementos móveis para restaurar qualquer carga perdida durante o modo de geração de energia.

[017] Dependendo da velocidade com que a carga vaza no modo de geração de energia, o modo de carregamento pode ser reduzido em tempo, aumentando com isso o efeito da redução de qualquer um dos efeitos associados a qualquer uma das dificuldades.

[018] Os modos podem ser operados de modo intermitente ao longo do tempo, para periodicamente recarregar as partes móveis. A invenção possibilita, dessa forma, que a potência de saída seja mantida em ou acima de um certo limiar desejado, para realizar uma capacidade específica de saída desejada, por exemplo, recarregar periodicamente, ao mesmo tempo em que evita ou mitiga o ruído e/ou problemas de desgaste de superfície associados ao funcionamento de um gerador em modo de contato.

[019] Na invenção, a geração de energia significa geração de um sinal de potência. Esse tipo de sinal de potência é um sinal de tensão ou um sinal de corrente, conforme é usual para definir a energia elétrica.

[020] O estado de carregamento existente entre os dois elementos pode significar que apenas um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento compreende uma carga elétrica, ou, que ambos compreendem uma carga elétrica desigual da mesma polaridade. Pode ser preferencial que ambos compreendam substancialmente a mesma carga elétrica, mas de polaridade oposta. Qualquer estado de carregamento que possa resultar em (ser responsável por) uma potência de saída do gerador de energia elétrica mediante o movimento mútuo dos elementos funcionará com a invenção.

[021] O gerador de energia elétrica pode compreender um gerador de energia triboelétrico, sendo que o primeiro e o segundo elementos compreendem uma primeira e uma segunda placas do gerador triboelétrico. Em tais exemplos, a invenção pode, dessa forma, fornecer um sistema para geração triboelétrica em que o modo de operação do gerador pode ser comutado de modo intermitente entre um modo de contato, durante o qual uma ou ambas as placas são tribocarregadas, e um modo sem contato, durante o qual a energia é gerada (ou convertida) através de indução eletrostática. Nesse caso, a alteração do estado de carregamento compreende aumentar o estado de carregamento. Entretanto, em outros exemplos de modalidades, alterar o estado de carregamento pode compreender diminuir um estado de carregamento.

[022] O controlador pode controlar a temporização e/ou duração do modo de carregamento (fase de contato) e do modo de geração de energia (fase sem contato). O controle é em dependência de um estado detectado do carregamento das placas. Para esta finalidade, o sistema, por exemplo, através do controlador, pode fornecer informações de estado de carregamento para uso no controle dos dois modos de operação (pode ser manualmente). Adicional ou alternativamente, o sistema pode usar essas informações de estado de carga diretamente para controlar a temporização e/ou a duração dos modos de operação. Em uma ou ambas as formas, quando a carga nas placas cai abaixo de um determinado limiar, pode ser realizado o modo de carregamento. Por exemplo, o controlador pode controlar automaticamente ou provocado pelo usuário o mecanismo de acionamento para colocar as placas em contato, iniciando, assim, um modo de contato (ou fase de modo de carregamento). O modo de carregamento pode ter um período fixo, ou pode ser interrompido uma vez que a carga sobre as placas tenha excedido novamente um limiar específico. Por exemplo, o controlador pode, automaticamente ou quando provocado pelo usuário, controlar o acionador para separar as duas placas, iniciando dessa forma um modo sem contato (ou geração de energia). Este processo de operação de modo intermitente do sistema em modo de potência e em modo de carregamento pode ser repetido continuamente, com contato periodicamente feito e então interrompido entre as placas, em dependência do estado de carga das placas.

[023] A temporização dos dois modos de operação (de contato e sem contato) pode ser otimizada, de modo a assegurar a manutenção de uma carga de placa mínima específica, para a realização de uma capacidade de saída desejada específica, por exemplo, ao mesmo tempo em que minimiza o tempo de contato total entre as placas. Dessa maneira, o ruído e o desgaste de superfície pode ser minimizado, assegurando ao mesmo tempo que a carga de saída não caia abaixo de um nível mínimo desejado. Dessa forma, dentro de um intervalo de tempo que compreende pelo menos um período de modo de geração de energia e um período de modo de carregamento (subsequente) (ou vice-versa), o período de carregamento, de preferência, ocupa uma porcentagem do intervalo de tempo igual ou menor que 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 10%, 5%, 1%, 0,1%. Quanto menor a porcentagem, melhor qualquer um dos efeitos das dificuldades pode ser reduzido. A porcentagem pode ser fixada por intervalo de tempo, mas pode, também, ser ajustável entre ou durante a operação do sistema. Se o estado de carregamento for medido periodicamente, então os períodos de modo e os momentos de início e/ou de parada de modo podem ser ajustados periodicamente com base no último estado de carregamento medido.

[024] O sistema compreende um dispositivo para determinação do estado de carregamento. O controlador pode compreender um circuito comparador para receber uma tensão de carga de saída do gerador. A potência de saída e a tensão de saída de um gerador TENG, por exemplo, reduzirão à medida que a carga das placas vaza no período (fase sem contato) após um processo de (tribo)carregamento. Portanto, o estado da carga pode ser avaliado mediante o monitoramento do sinal de saída (tensão de saída, corrente ou a potência de saída) como uma função do tempo. Portanto, um circuito comparador pode ser usado para comparar um sinal de potência de saída instantânea com certo valor de referência, por exemplo, e gerar um sinal de saída em resposta.

[025] O circuito comparador pode compreender um circuito disparador Schmitt, por exemplo. O circuito disparador Schmitt pode ser adaptado para ativar uma nova fase de carregamento em resposta ao sinal de saída do gerador (tensão, corrente ou potência) cair abaixo de um determinado primeiro nível de limiar (inferior) e, subsequentemente, terminar a fase de carregamento em resposta ao sinal de saída do gerador (tensão, corrente ou potência) se elevar acima de um determinado segundo nível de limiar (superior).

[026] Para acomodar o movimento do primeiro e do segundo elementos, eles podem ser configurados de modo a serem giratórios um em relação ao outro com uma velocidade relativa rotacional em torno de um eixo geométrico rotacional imaginário. O primeiro e o segundo elementos podem compreender primeiro e segundo elementos de disco, giratórios um em relação ao outro. Assim, pode haver um eixo geométrico rotacional imaginário em torno do qual pelo menos um dos elementos gira. Nesse caso, o gerador elétrico pode compreender um TENG de disco rotacional sendo que o primeiro e o segundo elementos (isto é, as placas) têm superfícies que estão voltadas uma para a outra. As superfícies podem transportar a carga para criar os estados de carregamento. Os elementos podem, por exemplo, consistir em (pelo menos) um rotor e um estator, cada qual formado como um conjunto de setores espaçados de um círculo.

[027] Em determinados exemplos do parágrafo anterior, o mecanismo de acionamento pode compreender um mecanismo que é configurado para gerar e/ou manter uma distância entre o primeiro elemento e o segundo elemento, sendo que a distância pode ser medida ao longo do eixo geométrico rotacional imaginário. Este mecanismo é, de preferência, adicionalmente configurado para gerar e/ou manter a distância, ao ser adicionalmente configurado de modo que a distância seja dependente da rotação relativa do primeiro elemento e do segundo elemento. Em particular, o primeiro elemento e o segundo elemento podem ser dotados de um ou mais recursos topográficos dotados de um padrão espiral formado sobre a superfície (ou superfícies) do primeiro elemento de disco (26) e/ou o segundo elemento (28) de disco. Os recursos topográficos dotados de um padrão espiral têm a função de gerar uma distância que pode ser medida ao longo do eixo imaginário. A elevação hidrodinâmica entre o primeiro e o segundo elementos, em resposta à rotação, conforme os discos são girados um em relação ao outro, uma ação de bombeamento no fluido (ambiente em que os discos são colocados - atmosfera gasosa ou líquido) é gerada de modo que as placas sejam forçadas a se separar, sendo que a magnitude da força é relacionada com a velocidade relativa rotacional. Se os discos forem, por exemplo, submetidos a uma pequena força de pré- carga que empurra as placas uma em direção a outra - por exemplo, o peso da placa superior se as placas forem alinhadas horizontalmente - então, um aumento na velocidade rotacional resultará em um aumento proporcional na separação entre as placas. Uma subsequente desaceleração dos discos resulta em um consequente estreitamento do espaçamento entre os elementos de disco. A força para empurrar as placas mais próximas uma em direção à outra também pode ser disposta por acessórios do tipo mola como faixas de borracha, molas mecânicas, meios eletromecânicos, meios magnéticos etc.

[028] A invenção pode, assim, ser usada como um sistema para a conversão de energia mecânica em energia elétrica. Por isso, ela pode ser usada como um dispositivo de sequestro de energia. Alternativamente, ou de fato de acordo com qualquer uma das modalidades acima, o sistema pode ainda compreender uma unidade de motor para gerar o movimento relativo entre o primeiro e o segundo elementos. Desse modo, o sistema é capaz de, por exemplo, transferir a energia elétrica gerada em uma parte pelo motor para outra parte remota a partir da localização do motor. Isto pode possibilitar a disponibilidade de energia elétrica em locais para os quais os motores são muito grandes e/ou outras formas de fornecer a energia elétrica não são adequadas. Nos exemplos, a unidade de motor pode ser alimentada por um ou mais dentre uma variedade de fontes de energia, como combustão, eletricidade, baterias, células de combustível, energia nuclear ou qualquer outra fonte de alimentação adequada. O controlador pode, neste caso, compreender um circuito de controle de motor, conectado à unidade de motor, para controlar uma tensão de entrada de acionamento para a unidade de motor. Desta forma, a velocidade relativa dos elementos de disco, e, portanto, a separação entre os elementos, pode ser precisamente controlada pelo sistema, por exemplo, em resposta a uma queda ou elevação na tensão de saída do gerador. Em alguns casos, por exemplo, o controlador compreende um circuito comparador, e o sinal de saída do circuito comparador pode conectar a uma entrada do circuito de controle do motor, de modo que a velocidade do motor possa ser ativada para ajustar entre diferentes valores em resposta à queda ou aumento da tensão/potência de saída de gerador abaixo ou acima de determinados limiares.

[029] Em outros exemplos, no entanto, uma unidade de motor para gerar o movimento relativo entre as placas do gerador pode não ser fornecida em conjunto com o mecanismo acionador de mancal em espiral. Embora a separação entre as placas precise ser controlada, neste caso pelo controle da velocidade rotacional, o motor acionador primário do gerador pode compreender alguma fonte mecânica externa (por exemplo, turbinas de vento ou água etc), e outros componentes mecatrônicos utilizados adicionalmente para limitar ou restringir a fonte externa se necessário pelo fornecimento de uma resistência, por exemplo. Desse modo, a velocidade pode ser variada entre um máximo (quando nenhuma resistência mecânica é aplicada à fonte de motor externa) e um mínimo (quando a força de resistência máxima é aplicada contra a fonte de motor).

[030] De acordo com essa ou qualquer outra modalidade, o mecanismo acionador pode compreender um ou mais elementos de atuação mecatrônicos. Esses podem incluir, a título de exemplo não limitador, motores de passo, parafusos acionados por motor, eletromagnetos controlados, ou válvulas ou obturadores hidráulicos ou pneumáticos. Esses podem ou não ser usados em conjunto com uma unidade de motor fornecida para acionar o movimento das placas, e podem ou não ser usados em conjunto com a modalidade de mancal em espiral descrita acima. Em alguns casos, por exemplo, nenhum mancal em espiral é fornecido e as placas são simplesmente controladas para se estabelecer e interromper o contato, por meio do uso de elementos atuadores mecatrônicos sozinhos. Isto pode ser usado em conjunto com uma fonte externa de energia física como vento ou água, ou pode ser usada em conjunto com uma unidade de motor fornecida.

[031] O controlador pode, nesses casos, compreender um circuito de controle atuação mecatrônico, por exemplo, em comunicação de sinal com o controlador. O circuito de controle de ação mecatrônico é para controlar a unidade de atuação mecatrônica.

[032] O controlador pode compreender um módulo de entrada de dados pelo usuário, para receber comandos de um usuário. Os comandos podem ser para definir um ou mais de: tempo de início, tempo de parada, período do modo de carregamento e/ou do modo de geração de energia, o limiar superior do sinal de potência de saída, o limiar inferior do sinal de potência de saída, o limiar inferior do estado de carregamento ou o limiar superior do estado de carregamento. O controlador pode ser adaptado para controlar a temporização e/ou a duração das fases de contato e sem contato em resposta aos ditos comandos de um usuário. O módulo de ação do usuário pode ser fornecido em conjunto com uma ou mais das modalidades de controle ‘automatizadas’ descritas acima, por exemplo, fornecer uma funcionalidade de ‘ativação manual’, através da qual um usuário pode intervir no sistema de regulação de outro modo automático para forçar o sistema a adotar um modo de operação específico em um momento específico. Alternativamente, o sistema pode ser totalmente controlado manualmente, de modo que o mecanismo de acionamento seja controlado totalmente em resposta a comandos manuais recebidos de um usuário.

[033] Nesses ou em quaisquer outros exemplos das modalidades, o controlador pode compreender um módulo de saída de dados de usuário para fornecer a um usuário informações para uso no controle manual da temporização e/ou duração do modo de carregamento. Portanto, o controlador pode fornecer simplesmente uma interface entre o sistema e um usuário, possibilitando que o usuário decida quando o sistema se comuta entre um modo de contato e sem contato, por meio de, por exemplo, comunicação de informações relativas ao estado de carga das placas ou da tensão/potência de saída do gerador.

[034] De acordo com a invenção, é também fornecido um método para operação de um gerador de energia elétrica (24, 52) para gerar energia elétrica. Os recursos definidos para o sistema também podem ser usados para modificação do método e as vantagens definidas para o sistema pelos recursos também se aplicam ao método modificado.

[035] Em modalidades do método, o primeiro e o segundo elementos podem ser colocados em contato em resposta a uma queda de uma tensão de saída do gerador de acima de um limiar inferior para abaixo do dito limiar inferior, e sendo que o contato entre o primeiro e o segundo elementos é interrompido em resposta a um aumento de uma tensão de saída do gerador de abaixo de um limiar superior para acima do dito limiar superior.

[036] Pode-se estabelecer e/ou interromper o contato entre o primeiro e o segundo elementos por meio de um elemento de controle mecatrônico, como, a título de exemplo não limitador, um motor de passo, rosca acionada por motor, eletromagneto controlado, ou válvulas ou obturadores hidráulicos ou pneumáticos.

[037] Em algumas modalidades, o primeiro e o segundo elementos podem compreender primeiro e segundo elementos de disco, giratórios um em relação ao outro, e pelo menos um dentre os ditos elementos de disco compreende recursos topográficos dotados de um padrão espiral. Nesse caso, pode-se estabelecer e/ou interromper o contato do primeiro e do segundo elementos um com o outro por meio da variação de uma velocidade rotacional relativa entre os dois elementos, para gerar assim uma força de levantamento hidrodinâmico variável entre os dois elementos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[038] Exemplos da invenção serão agora descritos em detalhes com referência aos desenhos esquemáticos anexos, nos quais:

[039] a Figura 1 mostra um gráfico ilustrando a relação entre a potência de saída de pico e a separação de placa para um exemplo de gerador triboelétrico de disco giratório;

[040] a Figura 2 mostra um gráfico ilustrando a relação entre a tensão de saída pico a pico e a separação de placa para um exemplo de gerador triboelétrico de disco giratório;

[041] a Figura 3 mostra um diagrama de blocos de um exemplo de disposição para um primeiro exemplo de sistema de conversão e/ou geração de energia, que compreende um gerador triboelétrico;

[042] a Figura 4 mostra um diagrama de blocos de um exemplo de disposição para um segundo exemplo de sistema de conversão e/ou geração de energia, que compreende um gerador triboelétrico;

[043] a Figura 5 mostra um exemplo de padronização em espiral para um exemplo de gerador triboelétrico de disco giratório que compreende um mancal de impulso de sulco espiral;

[044] a Figura 6 mostra um diagrama de blocos de um exemplo de disposição para um terceiro exemplo de sistema, que compreende um gerador triboelétrico;

[045] a Figura 7 mostra um diagrama de blocos de um exemplo de disposição de um quarto exemplo de sistema que compreende um gerador triboelétrico.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

[046] A invenção apresenta um sistema e um método de conversão e/ou geração de energia em que um gerador de energia elétrica é controlado para periodicamente alternar entre um modo de contato, durante o qual os elementos do gerador são colocados em contato para induzir um estado de carregamento, e um modo sem contato, durante o qual os elementos do gerador são separados uns dos outros e a energia elétrica é gerada através de indução eletrostática. A temporização e duração dos modos de contato e sem contato são controladas por um controlador, ou por comandos do usuário, em dependência de um estado de carga dos elementos do gerador. Dessa maneira, os elementos são controlados para entrar em contato apenas quando a carga de superfície cair abaixo de um certo nível, e for necessário carregar; o tempo de contato entre os elementos pode, portanto, ser minimizado - e, assim, minimizar o ruído causado e o desgaste de superfície - mantendo ainda, ao mesmo tempo, uma dada potência de saída de limiar desejada.

[047] De acordo com um conjunto específico de modalidades, o gerador elétrico pode compreender um gerador triboelétrico, em que uma combinação do efeito triboelétrico e a indução eletrostática são explorados para coletar ou converter energia mecânica em energia elétrica. Em exemplos específicos descritos a seguir, são descritas modalidades de sistemas que compreendem, em particular, elementos de gerador triboelétrico.

[048] Os geradores triboelétricos podem operar em um modo sem contato, mas fornecer maior potência de saída se eles também explorarem contato íntimo para tribocarregamento. Entretanto, operar em um modo de contato resulta em problemas com ruído e ciclo de vida de dispositivo (desgaste de superfície).

[049] As modalidades da presente invenção propõem uma solução, onde um gerador é operado em um modo de contato repetido ou periódico. As modalidades fornecem modos de operação de geradores triboelétricos com contato periódico, mas temporariamente curto, dos materiais triboelétricos. A taxa do contato repetido/periódico pode ser controlada em relação à taxa de vazamento/perda de carga das superfícies. Além disso, os mecanismos de acionamento e as abordagens de retroinformação podem ser fornecidos para limitar a frequência (determinando-se quando a carga de superfície foi perdida) e duração (indicando quando o contato suficiente foi produzido) de carregamento de contato e, portanto, maximizar o período de geração de energia sem contato em um nível de potência máximo. Os exemplos de modalidades de sistemas e métodos de acionamento revelados abaixo são descritos em particular em relação a geradores triboelétricos de disco giratório e de placa deslizante reciprocante. Entretanto, estes exemplos específicos devem ser compreendidos como sendo puramente ilustrativos e exemplificadores, e o versado na técnica compreenderá que os métodos e sistemas descritos são aplicáveis a todos os tipos de gerador triboelétrico.

[050] Os geradores triboelétricos de disco giratório exigem um contato íntimo intermitente para tribocarregar (transferência de carga), mas então idealmente operar em um modo sem contato para superar os problemas com ruído, atrito e ciclo de vida de dispositivo. Os mecanismos para estabelecer um modo sem contato (isto é, separação de rotor-estator) e para subsequentemente controlar o vão de altura entre as placas precisamente são, portanto, dois desafios principais na realização de um modo de operação em contato periódico. O controle preciso de altura de vão é particularmente importante, uma vez que a distância de separação de placa tem um impacto significativo sobre a potência de saída e tensão triboelétricas geradas.

[051] Na Figura 1 é mostrado um gráfico ilustrando uma relação medida entre a separação de placa em mm (eixo x 10) e a potência de saída de pico em mW (eixo y 12) para um exemplo de TENG de placa giratória que compreende um rotor de PTFE. Conforme discutido acima, a potência de saída é maior quando as placas estão em contato (isto é, separação de placa zero), atingindo uma saída de pico para o exemplo de rotor medida para a Figura 1 de aproximadamente 0,5 mW. À medida que a separação de placa aumenta, a potência de saída de pico cai de modo extremamente brusco, com uma separação de apenas 0,5 mm, causando uma redução de saída próxima de 80%, sendo que a potência de pico cai para apenas 0,1 mW. A uma separação de 2 mm, a potência de saída caiu até quase zero.

[052] De modo similar, a Figura 2 ilustra a relação, para o mesmo exemplo de TENG, entre a separação de placa em mm (eixo x 16) e amplitude pico a pico da tensão de saída em V (eixo y 18). Mais uma vez, um acentuado declínio é observado em resposta a um aumento da separação de placa, com um vão de 0,5 mm causando uma redução de tensão pico a pico de aproximadamente 75% (de ~140 V a ~35 V).

[053] Portanto, para funcionamento eficiente, é desejável o uso de mecanismos de acionamento para estabelecer e interromper a separação das placas que são capazes de proporcionar um controle altamente preciso sobre a distância de separação entre as placas.

[054] De acordo com uma primeira modalidade simples de um sistema de conversão de energia de acordo com a invenção, o sistema compreende um dispositivo TENG, tendo placas com um deslocamento relativo ajustável, um ou mais elementos de controle mecatrônicos para atuar no ajuste e/ou correção do deslocamento relativo das placas, e um ou mais elementos controladores para controlar os elementos de controle mecatrônicos em resposta a um determinado nível de carga ou estado das placas.

[055] A Figura 3 mostra um diagrama de blocos de um exemplo de disposição para esse sistema. Nesse exemplo, um TENG de disco giratório 24 é mostrado para propósitos ilustrativos, mas os versados na técnica compreenderão que a disposição pode ser igualmente aplicada a outras variedades de TENG (conforme discutido em seções anteriores). O rotor 26 do TENG 24 é acoplado de modo operacional com uma saída mecânica de um mecanismo de acionamento mecânico 30. O mecanismo de acionamento fornece a fonte de entrada de energia cinética ou mecânica, a ser convertida em energia elétrica pelo sistema.

[056] Em alguns exemplos específicos, um TENG de disco giratório pode ser usado, sendo que o estator 28 compreende uma série de eletrodos (condutivos) dispostos, enquanto o rotor compreende um material (não metálico) dielétrico de camada de sustentação independente. De acordo com esta disposição, o único disco transportando uma carga é a camada de estator dielétrica, que confere a vantagem particular de que a capacitância entre as placas é mantida constante. Além disso (conforme discutido em Long Lin et al., Noncontact Free-Rotating Disk Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and SelfPowered Mechanical Sensor. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), páginas 3031 a 3038), com esse tipo de estrutura, não há necessidade de deposição de eletrodo ou conexão elétrica para a parte rotacional, o que dramaticamente melhora o aparato operacional do gerador.

[057] O mecanismo de acionamento (ou fonte de energia de motor) 30 pode, em algumas modalidades, compreender uma fonte ‘externa’, como, por exemplo, uma turbina acionada por vento ou água, uma fonte de energia vibratória, ou fonte acionada por humano de eventos de motor. Nesse caso, o sistema de energia 22 pode funcionar como um sistema de ‘coleta’ de energia, sendo que a energia gerada externamente, de outro modo perdida, é capturada e convertida em uma fonte de energia elétrica. De acordo com as modalidades alternativas, no entanto, a fonte de energia pode compreender uma fonte ‘interna’ ao sistema em si, como, por exemplo, uma unidade de motor. A unidade de motor pode ser alimentada por várias fontes de energia, como combustão, eletricidade, baterias, células de combustível, molas de mecanismo de relógio, gravidade, potência nuclear etc. Nesse caso, o sistema 22 pode proporcionar simplesmente funcionalidade de conversão de energia.

[058] Acoplado de modo operacional a uma ou ambas as placas 26, 28 do TENG 24 está um elemento de acionamento de separação de placa mecatrônico 34, que é controlado pelo circuito de controle mecatrônico 36. Em conexão com a saída elétrica 40 do dispositivo TENG 24 está um circuito disparador Schmitt 42, cuja saída é conectada ao terminal de Vsaída 44, bem como à entrada de sinal do comutador de relé 46. O circuito disparador Schmitt 42 atua como controlador para o sistema 22, controlando, em consonância com um comutador de relé 46, os elementos mecatrônicos de ativação 34, 36, e em seguida as temporizações e a duração de fases de contato e sem contato de placa. O movimento das placas entre modos de contato e sem contato é controlado pelo circuito disparador Schmitt 42 em resposta à tensão de saída 40 do gerador. Por exemplo, o circuito disparador Schmitt pode ser adaptado para avaliar o nível inicial de tensão/potência de saída de gerador, para monitorar a redução de potência/tensão de saída, e comutar sua saída a partir de uma alta saída para uma baixa de saída com a finalidade de indicar que a carga de superfície suficiente foi perdida para exigir a iniciação de uma nova fase de tribocarregamento. Em resposta, o relé 46, em conexão com a saída do circuito disparador Schmitt 42, pode ser correspondentemente comutado de uma alta para uma baixa saída de sinal. Circuito de controle mecatrônico 36 pode ser adaptado para responder à comutação de relé 46 de alto para baixo pela ativação do elemento acionador mecatrônico 34 para mover as placas de TENG 26, 28, para uma posição de modo de contato.

[059] Deve-se notar que um circuito de relé não é essencial, de modo que, em alguns exemplos, o circuito disparador Schmitt 42 pode ser conectado diretamente ao circuito de controle mecatrônico 36, sem o requisito de um circuito de relé entre os dois.

[060] Em alguns exemplos, a saída do circuito disparador Schmitt 42 pode ser adaptada para comutar de alto para baixo - e, assim, ativar a iniciação pelo circuito de controle 36 de uma fase de modo contato - em resposta à tensão de saída VTENG 40 cair abaixo de determinado (primeiro) valor de limiar inferior Vlimiar_inferior. Em exemplos alternativos, circuito disparador Schmitt 42 pode ser adaptado para ativar uma fase de modo de contato em resposta a uma razão entre a potência ou tensão de saída (instantânea) e a potência ou tensão de saída inicial cair abaixo de um dado nível de limiar.

[061] Além disso, uma vez que o processo de tribocarregamento tenha sido ativado, os componentes eletrônicos de controle (isto é, o circuito disparador Schmitt nesse caso) podem ser ainda adaptados para monitorar o aumento na tensão/potência de saída à medida que as placas carregam, e para comutar sua saída de uma saída baixa para uma saída alta a fim de indicar que uma carga de superfície suficiente foi adquirida para possibilitar o início de uma nova fase de modo (sem contato) de tribogeração. Em resposta, o relé 46 pode ser comutado de modo correspondente a partir de uma baixa para uma alta saída do sinal. O circuito de controle mecatrônico 36 pode ser adaptado para responder à comutação de relé 46 de baixo para alto pela ativação do elemento acionador mecatrônico 34 para mover as placas de TENG 26, 28, para uma posição de (modo de geração) modo sem contato.

[062] A título de ilustração não limitadora, o circuito disparador Schmitt pode, de acordo com o exemplo acima descrito, ser adaptado para gerar as seguintes saídas:

[063] A primeira condição (Vsaída = 0) inicia o modo de contato, e a segunda condição (Vsaída = 1) inicia o modo sem contato.

[064] Nesta modalidade, o controlador controla o mecanismo de acionamento para manter essencialmente a carga nas placas dentro de uma certa faixa definida de valores - entre um máximo definido, que quando atingido durante o carregamento, aciona o término do carregamento, e um mínimo definido que quando atingido durante a geração, aciona o início do carregamento. Consequentemente, a potência de saída é similarmente mantida dentro de uma faixa de valores - entre um máximo quando o carregamento e máximo e um mínimo quando o carregamento é mínimo. O contato entre as placas é restrito apenas ao mínimo necessário para manter a faixa de carga limiar.

[065] Essa faixa poderia ser definida como relativamente pequena ou grande. Se uma faixa relativamente pequena for definida, as fases de carregamento são ativadas mais frequentemente, porém têm duração mais curta. Quando uma faixa grande é definida, as fases de carregamento ocorrem menos frequentemente, mas têm uma duração mais longa cada vez. Esses fatores podem ter uma influência no desgaste de superfície, por exemplo.

[066] Várias possibilidades existem para o elemento de acionamento de separação de placa mecatrônico 34. Em alguns exemplos, um simples motor de passo pode ser empregado para ativar o movimento das placas entre diferentes posições relativas. Por exemplo, o elemento de acionamento 34 pode compreender um motor de passo operacionalmente acoplado a apenas uma das duas placas 26, 28. A outra placa é mantida em uma posição (axial) fixa absoluta, e a separação entre as placas é ativada através do movimento do motor de passo, fixado à primeira das placas, entre seus vários passos. As posições de modo de contato e sem contato podem compreender dois passos adjacentes do motor, ou podem ser separadas por meio de numerosos passos do motor. Em exemplos alternativos, o elemento de acionamento de separação de placa pode compreender uma rosca acionada por motor. Aqui, uma haste rosqueada (fuso) é fixada por meio de rosqueamento ao rotor, ao estator ou a ambos. O ajuste da separação de placa pode ser atingido nessa disposição através da utilização de uma porção da fonte de energia de acionamento rotacional 30 para girar a placa ao redor do fuso, convertendo, desse modo, um movimento rotacional em movimento linear em relação à haste. Um passo de rosca fina, por exemplo, facilitaria o ajuste muito preciso do posicionamento da placa. Retroinformação de determinação da posição poderia ser alcançada por um codificador de haste óptico no fuso, por exemplo; e mediante a inversão da corrente de motor do elemento de acionamento de separação de placa mecatrônico, o modo de contato/sem contato cíclico pode ser estabelecido.

[067] Em alguns exemplos, um eletromagneto controlado pode ser empregado para puxar o rotor 26 e o estator 28 juntos. O monitoramento da corrente no eletromagneto pode, neste caso, fazer parte de um mecanismo de retroinformação e controle para o circuito de controle mecatrônico 36. Para rotores produzidos a partir de materiais não magnéticos como alumínio, pode ser usado um imã permanente, com a força de tração entre os discos gerada por correntes parasitas. A distância de separação pode, então, ser regulada pela velocidade rotacional do gerador. Contudo, quando a velocidade rotacional precisa ser mantida constante no TENG, ou em modalidades nas quais a velocidade rotacional não é controlada pelo sistema (por exemplo, quando a fonte de energia de motor 30 é uma fonte externa), um eletromagneto controlável pode ser usado.

[068] De acordo com um ou mais exemplos de modalidades, a separação entre as placas pode ser obtida por meio de um atuador utilizando camadas de material (polímero eletroativo) de EAP, e/ou SMM (material com memória de formato) ou qualquer outro material responsivo capaz de atuação mecânica.

[069] Em algumas modalidades, o mecanismo de separação de placa pode compreender uma ‘válvula’ acionada por mola pneumática, sendo que as placas são elasticamente comprimidas em conjunto (por exemplo, por uma mola), e o ar pressurizado é fornecido entre o rotor e o estator, fornecendo assim uma separação entre as placas com uma distância proporcional ou de outra forma dependente da pressão do ar fornecido. A força de reação fornecida pela mola pode ser usada como um mecanismo reverso automático para induzir o modo de contato uma vez que o suprimento de ar tenha sido interrompido ou reduzido. De acordo com essa ou outras modalidades, os obturadores ou as válvulas, por exemplo, hidraulica ou pneumaticamente controlados, podem ser usados para controlar a taxa de fluxo (e, portanto, a pressão fornecida) do ar liberado.

[070] A Figura 4 ilustra um exemplo de arranjo que compreende um mecanismo acionador pneumático de ar pressurizado 50 em consonância com um TENG deslizante reciprocante 52. O mecanismo acionador pneumático injeta ar pressurizado entre as placas do TENG, fornecendo assim um mancal a ar que apoia a separação relativa das placas contra alguma força de compressão de resistência (fornecida, por exemplo, por uma mola ou, alternativamente, por meio de gravidade). De acordo com esse exemplo, um movimento de deslizamento lateral entre as placas é gerado pelo mecanismo de acionamento mecânico externo 56, que compreende uma turbina de vento ou água, cooperativamente acoplado a uma placa superior (deslizante) do TENG 52. Como no exemplo da Figura 3, um circuito disparador Schmitt controla as temporizações e a duração de fases de modo de contato e sem contato em resposta ao valor da tensão de saída de TENG 40, comutando para uma saída baixa, quando um modo (de contato) de carregamento deva ser iniciado, e para uma alta saída quando um modo (sem contato) de geração deva ser iniciado. Essas saídas alta e baixa ativam o relé 46 para gerar altas e baixas saídas de sinal correspondentes, em resposta às quais o elemento de controle pneumático 54 é adaptado para controlar o acionador pneumático 50 para variar a pressão/taxa de fluxo de ar injetado entre as placas do TENG entre alta pressão (modo sem contato) e baixa pressão (modo de contato).

[071] A título de ilustração não limitadora, o circuito disparador Schmitt pode, de acordo com o exemplo acima descrito, ser adaptado para gerar as seguintes saídas:

[072] A primeira condição (Vsaída = 0) inicia o modo de contato, e a segunda condição (Vsaída = 1) inicia o modo sem contato.

[073] Em alguns exemplos dessa disposição, o elemento acionador pneumático 50 controla a taxa de fluxo de ar, e, portanto, comuta-se entre modos sem contato e de contato, por meio de uma válvula pneumática.

[074] O uso de ar para fornecer um mancal para sustentar a separação entre as placas pode ser particularmente desejável, uma vez que isso elimina a necessidade de partes fazendo contato mecânico sólido com as placas para as manipular. Isto, por sua vez, pode evitar ou reduzir desgaste desnecessário ou esforço de material, aumentando o ciclo de vida e/ou a eficiência do dispositivo TENG e/ou componentes acionadores. Além disso, os mancais a ar podem reduzir o número de componentes mecânicos dentro do dispositivo como um todo, eliminando potenciais fontes de falhas. Os mancais a ar podem também ser mais eficientes em termos de energia, já que há pouca resistência de atrito devido a conexões mecânicas entre juntas/partes.

[075] De acordo com uma modalidade específica, um mancal de impulso autorregulador para controle de vão de alta precisão pode ser fornecido ao sistema, utilizando-se o movimento das próprias placas para gerar uma fonte de suporte hidrodinâmico. De acordo com esse exemplo, a padronização em espiral é fornecida às superfícies voltadas para dentro de placas de um TENG de disco giratório de tal modo que, quando as placas são giradas, a padronização age para gerar um filme de ar pressurizado no espaço entre as placas, gerando uma força que pressiona as placas para longe uma da outra. A Figura 5 ilustra um exemplo de uma padronização em espiral, que pode ser fornecida para placas de um TENG, sendo que os eixos x (60) e y (62) representam medições de largura e comprimento, em mm, respectivamente (isto é, representam o diâmetro dos discos, em mm). O padrão espiral pode ser impresso (ou entalhado, aplicado a laser ou através de qualquer outro meio adequado, como o versado na técnica compreenderá) no estator, no rotor, ou em ambos.

[076] A magnitude da força hidrodinâmica gerada está relacionada à velocidade rotacional, de modo que as placas que giram mais rápido induzem uma maior magnitude de força. As placas podem ser submetidas a uma força de polarização (pequena) para dentro que pressiona as placas juntas, por exemplo, de modo que os aumentos e as diminuições na velocidade de placa - e, portanto, na força de suporte - resulte em aumentos e diminuições estáveis na separação de placa. Nesse caso, o movimento das próprias placas de TENG diretamente aciona o ajuste para dentro e para fora da separação de placa. A separação de placa pode ser controlada muito precisamente desta forma.

[077] A Figura 6 mostra um diagrama de blocos de um exemplo de disposição para um sistema que incorpora o mancal a ar em espiral de autorregulação descrito acima.

[078] Nesse exemplo, o movimento mecânico do disco rotor 26 em relação ao disco de estator 28 é fornecido por uma unidade de motor 66, cuja velocidade pode ser controlada diretamente na fonte por meio de circuito de controle do motor 68.

[079] Em outros exemplos, entretanto, a fonte de movimento mecânico pode, em vez disso, ser fornecida por uma fonte ‘externa’ mecânica, como por exemplo vento ou água - como no exemplo da Figura 4. Nesse caso, a velocidade das placas não pode ser controlada ‘na fonte’, mas pode ser controlada através do uso de, por exemplo, um ou mais elementos de atuação adicionais que podem proporcionar alguma resistência mecânica contra a entrada de motor de fonte para, por meio disso, limitar a velocidade rotacional. A velocidade máxima no presente caso seria ainda determinada pela fonte de motor, mas ao se aplicar seletivamente uma resistência à saída mecânica dessa fonte, a taxa de transferência de energia para o TENG pode ser controlada.

[080] Como nas modalidades anteriormente descritas, a disposição da Figura 6 compreende um circuito disparador Schmitt 42, tendo uma entrada conectada à tensão de saída VTENG 24 do gerador, e uma saída conectada a um terminal de carga de saída 44 e a um comutador de relé 46. Em alguns exemplos, o circuito disparador Schmitt pode ser adaptado para gerar uma baixa saída em resposta à determinação de que a saída de TENG caiu abaixo de um limiar inferior Vlimiar_inferior, e para gerar uma alta saída em resposta à determinação de que a saída de TENG subiu até um valor limiar superior, Vlimiar_superior. O circuito de controle do motor 68 pode ser adaptado para responder a um sinal baixo do relé 46, indicando que uma fase de modo de contato (carregamento) deve ser iniciada, mediante a redução da rpm da unidade de motor 66, reduzindo assim a força de suporte entre o rotor e o estator, e colocando as duas placas em contato uma com a outra. Uma vez que a carga sobre as placas tenha sido restabelecida, e a tensão externa mais uma vez exceder Vlimiar_superior, então o circuito disparador Schmitt 42, através do relé 46, aciona o circuito de controle de motor 68 para aumentar novamente a rpm da unidade de motor, aumentando assim a força de suporte entre as placas, e restabelecendo uma fase de modo sem contato.

[081] Nas modalidades acima descritas, a alteração em uma tensão de saída do gerador é usada para determinar as temporizações e/ou a duração de fases de modo de contato (carregamento) e sem contato (geração). Dentro dessas, ou quaisquer outras, modalidades da invenção, pode ser desejável também que um controlador determine quando e se o contato entre as placas foi estabelecido. Estas informações podem ser usadas para a obtenção de retroinformação em tempo real para o mecanismo de acionamento controlar mecanicamente a separação das placas.

[082] Dependendo do mecanismo de acionamento de separação de placa, as informações de contato de placa podem ser usadas pelo sistema de formas diferentes. A Figura 7 mostra um diagrama de blocos de um exemplo de disposição de um sistema que incorpora um elemento sensor 72 para determinar quando e se foi estabelecido o contato entre as placas de um TENG 24. O gerador 24, nesse caso, é um gerador de placa giratória que incorpora o acionador de mancal a ar espiral da modalidade descrita acima. Nesse caso, a separação entre as placas do gerador é determinada pela velocidade rotacional da unidade de motor 66. Quando um modo de contato (carregamento) deve ser iniciado, o circuito de controle do motor 68 reduz lentamente a velocidade do motor a um nível através do qual o efeito de levitação é apenas removido. O contato inicial entre as placas pode ser detectado pelo elemento de detecção 72, em cujo ponto a velocidade do motor rpm pode ser mantida constante, mantendo, assim, as placas em uma quantidade mínima de contato. Isso possibilita que as tribocargas sejam acumuladas até a tensão limiar superior Vlimiar_superior ser alcançada. Neste ponto, a tensão de saída do circuito disparador Schmitt 42 comuta de baixa para alta, e o circuito de controle do motor é ativado pelo relé 46 para, uma vez mais, começar a aumentar a rpm do motor, para, assim, reiniciar o modo sem contato (geração).

[083] Nesse caso, o elemento sensor 72 não determina a temporização ou duração das fases de modo de contato e sem contato - isso, como na modalidade da Figura 6, é determinado pelo circuito disparador Schmitt 42 (isto é, o controlador de sistema), o qual ativa o circuito de controle do motor para começar a diminuir a velocidade do motor ou começar a aumentar a velocidade do motor em resposta a atingir um valor mínimo ou máximo de limiar de tensão de saída, respectivamente. Em vez disso, o elemento sensor 72 meramente auxilia o circuito de controle do motor 68 na determinação de quando se deve parar de diminuir a velocidade do motor, e manter constante a rpm de motor. É indesejável, quando se inicia um modo de contato, parar o motor por completo, uma vez que o carregamento é mais eficiente quando há um atrito entre as placas. O elemento sensor 72 possibilita, portanto, que a velocidade do motor seja reduzida para quase o nível certo para causar contato de atrito estável entre as placas imóvel-móvel.

[084] Uma unidade sensora pode ser incorporada de maneiras similares dentro de outros exemplos de modalidades. Por exemplo, um elemento de sensor pode ser usado na modalidade da Figura 3 para fornecer retroinformação para o circuito de controle mecatrônico 36 no controle do elemento mecatrônico 34. Por exemplo, quando o elemento mecatrônico 34 é um elemento atuador que exibe atuação variável (por exemplo, um motor de passo), um sensor de contato pode detectar quando foi feito o contato inicial entre as placas do gerador e ativar o circuito de controle 36 para parar a atuação na etapa atual.

[085] Existem várias possibilidades para os recursos ou mecanismo, por meio dos quais a detecção do contato entre os elementos do gerador possa ser alcançada. A título de exemplo não limitador, o elemento sensor 72 pode simplesmente compreender um circuito de acionamento adicional em comunicação com a saída de tensão do gerador, e adaptado para detectar um ‘ponto de inflexão’ na saída de tensão: o ponto no qual a saída de gerador para de diminuir, e começa a aumentar (indicando que o contato foi feito e o carregamento começou).

[086] Alternativamente, um elemento de detecção pode, por exemplo, ser adaptado para detectar uma variação da impedância - e, especificamente, de capacitância - que atinge um determinado nível de limiar. Um sensor pode ser um sensor acústico adaptado para detectar um sinal acústico resultante do contato físico entre as duas placas. Se aplicável, um parâmetro do motor que aciona o TENG pode ser usado como um indicador do contato de superfície - por exemplo a corrente do motor.

[087] Em alguns casos, a taxa rotacional de um TENG de disco giratório pode ser medida e usada para determinar o contato. Por exemplo, a taxa rotacional, tipicamente, reduzirá subitamente em uma pequena quantidade pelo contato das placas (presumindo-se que a força de acionamento permanece constante) conforme a resistência de superfície subitamente aumenta. Isso pode ser medido, por exemplo, com o uso de um acelerômetro.

[088] Um sinal óptico ou visual pode ser detectado e utilizado para determinar um contato de placa, por exemplo, um sensor de movimento ou proximidade pode ser usado para detectar o posicionamento relativo das placas. O contato pode ser determinado através de retroinformação tátil, por exemplo, detectar uma vibração à medida que as placas fazem contato. O elemento de sensor 72 pode compreender, em alguns casos, um transdutor de deslocamento axial, ou um sensor de proximidade.

[089] A dinâmica de superfície pode ser monitorada e vários parâmetros podem ser usados para determinar se o carregamento se iniciou, por exemplo, o momento de atrito, o torque de atrito, ou as forças de superfície (por exemplo, as medições de força de superfície altamente sensíveis podem ser usadas para determinar aproximação de superfície relativa através de monitoramento das forças de atração e repulsão).

[090] No caso do gerador triboelétrico acionar uma carga ressonante, quando o gerador começar a gerar energia e for acoplado à carga ressonante, a frequência de carga variará. Isto pode ser usado para indicar que o carregamento começou.

[091] Pode ser desejável, em algumas modalidades, que o sistema compreenda outros recursos para possibilitar a determinação do nível de tribocarregamento durante uma fase de tribocarregamento, para determinar melhor quando um período de fase de tribocarregamento pode ser finalizado. Nas modalidades específicas das Figuras 3, 4, 6 e 7, isto é alcançado por meio do circuito disparador Schmitt 42 sozinho. Ele ativa o início do modo sem contato em resposta a um aumento na tensão de saída do gerador 24, 52 de abaixo para acima de um nível de limiar superior pré-determinado. Alternativamente, um circuito comparador diferente pode ser fornecido, adaptado para determinar que uma razão entre a potência ou tensão de saída instantânea e a potência ou tensão de saída inicial excedeu um limiar superior particular, de modo a determinar, assim, que uma quantidade suficiente de carregamento das superfícies ocorreu.

[092] Em outras modalidades, entretanto, o estado de carregamento pode ser determinado por outros meios ao invés do disparador Schmitt (ou outro circuito comparador) como nos exemplos acima.

[093] A título de exemplo não limitador, as modalidades poderiam determinar um nível de carregamento durante o modo de carregamento através da detecção ou da medição de calor por atrito entre as duas placas. Isto poderia, por exemplo, ser medido com o uso de um termistor simples. Alternativamente, o torque de atrito (impulso) gerado entre as superfícies triboeletricamente ativas pode ser detectado ou medido. Alternativamente, no caso de um gerador acionar uma carga ressonante, quando a frequência de gerador for igual à frequência de ressonador, a corrente de entrada cairá. A observância de que a frequência de gerador se aproxima da frequência ressonante pode ser usada para indicar que o carregamento está completo.

[094] Nessa, ou em quaisquer outras modalidades, o sistema triboelétrico pode compreender uma unidade de controlador central adaptada para determinar, por meio de sensor ou outra entrada, quando é necessário o tribocarregamento, e quando o tribocarregamento está completo. Esta função pode ser realizada, por exemplo, por uma unidade controladora de computador, sendo que a determinação de temporizações e a duração de fases de modo de contato e sem contato são realizadas com o uso de software.

[095] Exemplos de modalidades descritas acima fornecem um sistema para a regulação e o controle de fases de modo de contato e sem contato de um gerador triboelétrico, de modo a minimizar o tempo de contato total, e, portanto, desgaste de contato, entre as placas, mas ao mesmo tempo impedindo que o nível de carga de placa (e, portanto, o nível de tensão/potência de saída) caia abaixo de um nível mínimo desejado. De acordo com esses exemplos, uma faixa específica de níveis de carga de placas, e os níveis de potência de saída, é tolerada, sendo que a saída varia ciclicamente entre o limiar inferior, ponto no qual se inicia o contato, e o limiar superior, ponto no qual é interrompido o contato.

[096] Em modalidades, os modos de contato e sem contato poderiam ser ativados em resposta a variações de uma variedade de parâmetros de placa específicos, esses parâmetros direta ou indiretamente ligados a um estado de carga das placas. Por exemplo, o sistema pode compreender um dispositivo adaptado para monitorar um ou mais dentre: a tensão triboelétrica de uma ou ambas as placas (isto é, o potencial das placas), a densidade de carga de superfície triboelétrica de uma ou ambas as placas, e a corrente/cargas induzidas eletrostaticamente através ou sobre as placas enquanto na geração (modo sem contato).

[097] Em algumas modalidades, o controle de temporização e/ou duração das fases de contato e sem contato podem ser realizadas em resposta a ou em dependência de comandos de entrada de dados pelo usuário. Nesse caso, um controlador pode ser adaptado para fornecer informações relativas a parâmetros do sistema, como o estado da carga das placas, para uso no controle manual da duração e/ou temporizações dos diferentes modos. Estas informações podem ser comunicadas ao usuário visual ou acusticamente, por meio de uma unidade de exibição fornecida, por exemplo, ou através de um elemento alto-falante. Elas podem alternativamente ser comunicadas de modo tátil, por meio de um cabo de controle ou joystick de vibração, como um exemplo. A interação direta da máquina com o usuário pode ser possibilitada através de um ou mais elementos de retroinformação do usuário, como, por exemplo, um joystick integrado, sendo que as informações ‘ao vivo’ podem ser retransmitidas para o usuário em relação a, por exemplo, um estado de carga ou outros parâmetros do gerador, possibilitando que um usuário responda diretamente, fornecendo comandos de controle de entrada para controlar o sistema.

[098] De acordo com uma ou mais modalidades, o sistema pode proporcionar tribocarregamento totalmente ‘manual’ e funcionalidade de geração: as temporizações e/ou a duração de fases de modo de carregamento e sem carregamento, bem como o controle mecatrônico, ou de outro modo, controle da separação relativa entre as placas, são totalmente controlados por um usuário por meio de diferentes elementos de saída/entrada de dados pelo usuário. Alternativamente, o sistema pode proporcionar uma funcionalidade de ‘modo misto’, sendo que o controle do sistema é parcialmente automatizado e parcialmente controlado pelo usuário (manualmente). Por exemplo, o controle das temporizações e/ou duração de fases de modo de contato e sem contato podem ser fornecidos manualmente, selecionáveis em resposta aos comandos de entrada de dados pelo usuário, enquanto o controle/acionamento mecatrônico, ou de outro modo, o controle da separação de placa pode ser automatizado.Portanto, um controlador pode ser adaptado para automaticamente controlar a iniciação ou transição de ou para um modo de carregamento ou sem carregamento, em resposta a comandos de entrada de dados pelo usuário dedicados determinados. Nesse caso, o usuário controla quando o modo é alterado, mas o controlador controla automaticamente o processo de reconfiguração física das placas, por exemplo.

[099] Ainda em modalidades alternativas, o sistema pode ser comutável entre um modo de operação completamente automatizado, um modo de operação completamente manual e/ou um ou mais modos de operação de ‘modo misto’. Dessa maneira, um usuário pode decidir deixar que o sistema se autorregule automaticamente, ou pode escolher comutar o sistema para possibilitar ou exigir controle de usuário.

[0100] As aplicações para as modalidades do sistema de conversão de energia triboelétrico acima descritas são extremamente numerosas. Em particular, a capacidade de gerar pequenas fontes de corrente para a alimentação dos componentes pequenos dentro de um dispositivo, sem a necessidade de fornecer uma fonte de alimentação dedicada, ou uma linha de alimentação para a fonte de alimentação primária do dispositivo, é extremamente valiosa. Qualquer dispositivo que, durante o curso de suas operações normais, ou gera ou, de outro modo, tem acesso a fontes de energia de motor, pode proporcionar corrente ou tensão de um componente ou partes de componente através de geradores TENG posicionados localmente.

[0101] A invenção pode ser usada em muitos geradores de potência, especialmente aqueles que operam em um modo sem contato e perdem carga que é necessária para a geração de energia. Tais geradores são de fato geradores TENG, conforme conhecido a partir dos tipos abaixo.

[0102] Um primeiro modo de operação é um modo de separação de contato vertical, no qual se estabelece ou interrompe ciclicamente o contato entre duas ou mais placas por uma força aplicada. Um exemplo desse tipo de dispositivo foi descrito no artigo “Integrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motions” de Peng Bai et al. em ACS nano. 2013 7(4), páginas 3713 a 3719. Aqui, o dispositivo compreende uma estrutura em múltiplas camadas formada sobre um substrato em formato de zigue-zague. O dispositivo opera com base na transferência de carga de superfície, devido à eletrificação por contato. Quando uma pressão é aplicada à estrutura, o formato de zigue-zague é comprimido para criar o contato entre as diferentes camadas, e o contato é liberado quando a pressão é liberada.

[0103] Um design que possibilita que a energia seja coletada dos movimentos de deslizamento é revelado no artigo “Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object of Human Motion in Contact and Non-Contact Modes” em Adv. Mater. 2014, 26, 2818 a 2824. Uma camada móvel de sustentação independente desliza entre um par de eletrodos estáticos. A camada móvel pode ser disposta para fazer contato com os eletrodos estáticos (isto é, em um pequeno espaçamento acima dos eletrodos estáticos) ou pode fazer contato deslizante.

[0104] Um terceiro modo de operação é um modo de eletrodo único em que uma superfície é, por exemplo, aterrada - por exemplo, um piso de rodovia - e uma carga é conectada entre a primeira superfície e o terra (consulte, por exemplo, Yang, Ya, et al. “Single-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vector sensor system.” ACS nano 7.8 (2013): 7342 a 7351). A segunda superfície - não conectada eletricamente à primeira - é colocada em contato com a primeira superfície e a tribocarrega. À medida que a segunda superfície é, então, movida para longe da primeira, o excesso de carga na primeira superfície é dirigido para o terra, fornecendo uma corrente através da carga. Por conseguinte, apenas um único eletrodo (em uma única camada) é utilizado nesse modo de operação para fornecer uma corrente de saída.

[0105] Um quarto modo de operação é um modo de camada triboelétrica de sustentação independente, que é projetado para coletar a energia de um objeto em movimento arbitrário ao qual não são feitas conexões elétricas. Este objeto pode ser um carro em movimento, um trem em movimento ou um calçado, por exemplo. (Novamente, consultar “Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors.” ACS nano 7.11 (2013): 9533 a 9557).

[0106] Há ainda outros designs do gerador triboelétrico, como uma configuração em formato de arco duplo baseado na eletrificação por contato. A pressão faz com que os arcos se fechem para fazer contato entre as camadas de arco, e os arcos retornam para o formato aberto quando a pressão é liberada. Também foi proposto um nanogerador triboelétrico que é formado como um ressonador harmônico para capturar a energia de vibrações ambientes.

[0107] Outras variações às modalidades reveladas podem ser compreendidas e realizadas pelos versados na técnica na prática da invenção reivindicada a partir de um estudo dos desenhos, da revelação e das reivindicações anexas. Nas reivindicações, a expressão “que compreende” não exclui outros elementos ou outras etapas, e o artigo indefinido “um” ou “uma” não exclui uma pluralidade. O simples fato de certas medidas serem mencionadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação dessas medidas não possa ser usada com vantagem. Nenhum sinal de referência nas reivindicações deve ser interpretado como limitador do escopo da invenção.

Claims (15)

1. SISTEMA que compreende: um gerador de energia elétrica (24) para gerar uma energia elétrica, sendo que o gerador de energia elétrica compreende um primeiro elemento (26) e um segundo elemento (28) configurados para terem um estado de carregamento e configurados para serem móveis um em relação ao outro, para gerar a energia elétrica quando os elementos compreenderem o estado de carregamento, sendo que o primeiro elemento (26) e o segundo elemento (28) são adicionalmente configurados de modo que se possa estabelecer e interromper o contato de um com o outro; um mecanismo de acionamento para estabelecer e interromper o contato entre o primeiro elemento (26) e o segundo elemento (28), sendo que o sistema é configurado para ser operado em: - um modo de carregamento no qual o primeiro elemento e o segundo elemento estão em contato para alterar o estado de carregamento, e - um modo de geração de energia no qual o primeiro elemento e o segundo elemento não estão em contato; sendo que o sistema é caracterizado por compreender adicionalmente: um dispositivo para determinar o estado de carregamento; e um controlador para: - controlar a temporização e/ou duração do modo de carregamento em dependência do estado de carregamento; ou - fornecer informações para uso no controle da temporização e/ou duração do modo de carregamento em dependência do estado de carregamento.

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dispositivo para determinar o estado de carregamento compreender um circuito comparador (42) para receber um sinal de saída do gerador de energia elétrica.

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo circuito comparador (42) compreender um circuito disparador Schmitt.

4. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo primeiro elemento (26) e o segundo elemento (28) compreenderem um primeiro elemento de disco e um segundo elemento de disco, giratórios um em relação ao outro.

5. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo primeiro elemento e o segundo elemento serem móveis um em relação ao outro a uma distância em movimento que é fixa em um valor específico no modo de geração de energia.

6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo mecanismo de acionamento compreender um ou mais recursos topográficos dotados de um padrão espiral, formados sobre a superfície (ou superfícies) do primeiro elemento de disco (26) e/ou do segundo elemento de disco (28), sendo que os recursos topográficos dotados de um padrão espiral têm a função de gerar uma distância entre o primeiro e o segundo elementos, em resposta à rotação.

7. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender adicionalmente uma unidade de motor (66) para gerar o movimento relativo entre o primeiro elemento (26) e o segundo elemento (28).

8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo controlador compreender um circuito controlador de motor (68), conectado à unidade de motor (66), para controlar uma tensão de entrada de acionamento para a unidade de motor.

9. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo mecanismo de acionamento compreender um elemento de atuação mecatrônico (34).

10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo controlador compreender um circuito de controle de atuação mecatrônico (36).

11. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo controlador compreender um módulo de entrada de dados pelo usuário, para receber comandos de um usuário.

12. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo controlador compreender um módulo de saída de dados de usuário para fornecer a um usuário informações para uso no controle manual da temporização e/ou duração do modo de carregamento.

13. MÉTODO PARA OPERAÇÃO DE UM GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA (24, 52), para gerar energia elétrica, sendo que o gerador de energia elétrica compreende um primeiro elemento (26) e um segundo elemento (28) configurados para terem um estado de carregamento e configurados para serem móveis um em relação ao outro para gerar a energia elétrica, sendo que o primeiro elemento e o segundo elemento (26) (28) são adicionalmente configurados de modo que se possa estabelecer e interromper o contato de um com o outro, sendo que o método é caracterizado por compreender: estabelecer e interromper o contato entre o primeiro elemento (26) e o segundo elemento (28), de modo a realizar um modo de carregamento, sendo que os elementos estão em contato para alterar o estado de carregamento, e um modo sem carregamento, sendo que os elementos não estão em contato, e controlar a temporização e/ou duração do carregamento em dependência do estado de carregamento, ou fornecer informações para uso no controle da temporização e/ou duração do modo de carregamento em dependência do estado de carregamento.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo primeiro elemento (26) e o segundo elemento (28) serem colocados em contato em resposta a uma queda de uma tensão de saída (40) do gerador de energia elétrica (24) de acima de um limiar inferior para abaixo do dito limiar inferior, e sendo que o contato entre o primeiro e o segundo elementos é interrompido em resposta à elevação de uma tensão de saída do gerador de abaixo de um limiar superior para acima do dito limiar superior.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado por se estabelecer e/ou interromper o contato entre o primeiro elemento (26) e o segundo elemento (28) por meio de um elemento de controle mecatrônico (34).