BR112018004167B1 - Dispositivo e método de geração de energia - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO E MÉTODO DE GERAÇÃO DE ENERGIA. A presente invenção fornece um dispositivo de geração de energia que compreende pelo menos duas disposições de geração, cada qual adaptada para gerar saída de tensão por meio do movimento relativo de dois elementos de geração com carga diferente, em que os elementos de geração possuem alguma distância de separação (que pode ser zero ou diferente de zero). As disposições são configuradas cooperativamente, de forma que as distâncias de separação entre os seus elementos correspondentes sejam reciprocamente relacionadas: o aumento de uma gera redução relativa da outra. Combinandose essas duas saídas de sinal, pode-se fornecer uma única potência, corrente ou tensão de saída de forma autorreguladora pelo dispositivo cuja amplitude é substancialmente independente de quaisquer alterações ou variações da distância de separação entre elementos de qualquer uma das duas disposições.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um método e dispositivo de geração de energia; particularmente, a um método e dispositivo aprovado para converter energia mecânica em energia elétrica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A coleta ou conversão de fontes de energia mecânica em pequena escala em formas úteis de energia elétrica é uma área que atraiu atenção significativa nos últimos anos e, como campo da tecnologia, sofreu desenvolvimento rápido e substancial.

[003] Um campo específico que vem sendo foco de muita atenção é o da geração de energia triboeléterica. O efeito triboelétrico (também conhecido como carregamento triboelétrico) é uma eletrificação induzida por contato na qual um material torna-se eletricamente carregado após ser colocado em contato com material diferente por meio de fricção. A geração triboelétrica é baseada na conversão de energia mecânica em energia elétrica por meio de métodos que acoplam o efeito triboelétrico à indução eletrostática. Propôs-se o uso de geração triboelétrica para alimentar dispositivos vestíveis, tais como sensores e smartphones, capturando a energia mecânica que, de outra forma, é desperdiçada de fontes como caminhadas, movimentos aleatórios do corpo, sopro dos ventos, vibrações ou ondas do oceano (vide, por exemplo: Wang, Sihong, Long Lin e Zhong Lin Wang, Triboelectric Nanogenerators as Self-Powered Active Sensors, Nano Energy 11 (2015): 436-462).

[004] Na sua forma mais simples, o gerador triboelétrico utiliza duas folhas de materiais dissimilares, em que uma delas é um doador de elétrons e a outra é um receptor de elétrons. Um ou mais dos materiais pode ser um isolador. Outros materiais possíveis podem incluir materiais semicondutores, tais como silício que compreende uma camada de óxido nativo. Quando os materiais são colocados em contato, elétrons são intercambiados de um material para o outro, incluindo carga recíproca dos dois materiais. Este é o efeito triboelétrico.

[005] Caso as folhas sejam separadas, cada folha retém uma carga elétrica (com polaridade diferente), isolada pelo espaço entre elas, e é estabelecido um potencial elétrico. Caso eletrodos sejam dispostos sobre as duas superfícies de material e uma carga elétrica seja conectada entre eles, qualquer deslocamento adicional das folhas, seja lateral ou perpendicularmente, induzirá em resposta um fluxo de corrente entre os dois eletrodos. Este é simplesmente um exemplo de indução eletrostática. À medida que a distância entre os centros de carga correspondentes das duas placas aumenta, o campo elétrico atrativo entre as duas, através do espaço, enfraquece-se, resultando em aumento da diferença de potencial entre os dois eletrodos externos, pois a atração elétrica do carregamento por meio da carga começa a superar a força atrativa eletrostática através do espaço.

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

[007] Por meio de aumento e redução cíclicos da separação manual entre os centros de carregamento das placas, a corrente pode ser induzida a fluir para a frente e para trás entre as placas em resposta, de forma a gerar corrente alternada através da carga.

[008] Foi recentemente desenvolvida uma tecnologia de material emergente para geração de energia (coleta de energia) e conversão de energia, que faz uso desse efeito, conforme descrito 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): 9533-9557. Com base neste efeito, foram desenvolvidas diversas configurações de dispositivos dos chamados geradores triboelétricos (“TEGs”) ou nanogeradores triboelétricos (“TENGs”). Nanogeradores triboelétricos constituem um subconjunto de geradores triboelétricos e são caracterizados por certas propriedades de superfície específicas das placas geradoras.

[009] Desde a sua primeira descoberta em 2012, a densidade de energia de saída de TEGs aumentou muito. A densidade de energia em volume pode atingir mais de 400 quilowatts por metro cúbico e demonstrou-se eficiência de cerca de 60% (ibid.). Além do desempenho de alta produção, a tecnologia TEG possui diversas outras vantagens, tais como baixo custo de produção, alta confiabilidade e robustez e baixo impacto ambiental.

[010] O TEG pode ser utilizado como gerador de energia elétrica, ou seja, coleta de energia, por exemplo, de vibrações, vento, água, movimentos aleatórios do corpo ou mesmo conversão de energia mecanicamente disponível em eletricidade. A tensão gerada é um sinal de energia.

[011] Os TEGs podem ser amplamente divididos em quatro classes operacionais principais.

[012] Primeiro modo de operação é um modo de separação de contato vertical, em que duas ou mais placas são colocadas ou retiradas de contato de forma cíclica por uma força aplicada. Isso pode ser utilizado em sapatos, por exemplo, em que a pressão exercida pelo usuário enquanto caminha é utilizada para colocar as placas em contato. Um exemplo desse dispositivo foi descrito no artigo Integrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biochemical Energy from Human Motions, de Peng Bai et al em ACS Nano 2013 7 (4), págs. 3713-3719. Neste ponto, o dispositivo compreende uma estrutura com múltiplas camadas formada sobre um substrato em forma de ziguezague. O dispositivo opera com base em transferência de carga de superfície devido à eletrificação de contato. Ao aplicar-se pressão à estrutura, a forma de ziguezague é comprimida para criar contato entre as diferentes camadas e o contato é liberado quando a pressão é liberada. A energia coletada poderá, por exemplo, ser utilizada para carregar dispositivos portáteis móveis.

[013] Segundo modo de operação é um modo deslizante linear, em que as placas são induzidas para deslizar lateralmente entre si, a fim de alterar a área de sobreposição entre elas. É induzida diferença de potencial através das placas, que possui magnitude instantânea em proporção à taxa de alteração da área de sobreposição total. Colocando-se e retirando-se repetidamente as placas em sobreposição mútua entre si, pode-se estabelecer corrente alternada através de uma carga conectada entre as placas.

[014] Um subconjunto específico de TEGs em modo deslizante linear que foram desenvolvidos são TEGs de discos giratórios que podem ser operados em um contato (ou seja, indução eletrostática e tribocarregamento contínuo) sobre um modo sem contato (ou seja, somente indução eletrostática após eletrificação de contato inicial). TEGs de discos giratórios consistem tipicamente de pelo menos um rotor e um estator, cada qual formado como um conjunto de setores (segmentos) de círculos espaçados. Os setores sobrepõem-se e separam-se em seguida, à medida que os dois discos giram entre si. Conforme descrito acima, pode-se induzir corrente entre duas camadas lateralmente deslizantes (com cargas opostas), com magnitude proporcional à taxa de alteração da área de sobreposição. À medida que cada setor consecutivamente espaçado do rotor entra e sai de sobreposição em seguida com um dado setor estator, é induzida uma corrente entre as duas placas de setores, inicialmente em primeira direção, à medida que aumenta a sobreposição das placas, e, em seguida, na direção oposta, à medida que é reduzida a sobreposição das placas.

[015] Um projeto que permite a coleta de energia de movimentos deslizantes é descrito 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, 28182824. Uma camada móvel independente desliza entre um par de eletrodos estáticos. A camada móvel pode ser disposta para não fazer contato com os eletrodos estáticos (ou seja, em espaçamentos pequenos acima dos eletrodos estáticos) ou pode fazer contato deslizante.

[016] Terceiro modo de operação é um modo de eletrodo isolado no qual uma superfície é, por exemplo, aterrada (por exemplo, uma estrada de terra) e uma carga é conectada entre essa primeira superfície e a terra (vide, por exemplo, Yang, Ya et al, Single-electrode-based Sliding Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Displacement Vector Sensor System, ACS Nano 7.8 (2013): 7342-7351). 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 movida para longe da primeira, o excesso de carga na primeira superfície é dirigido para a terra, fornecendo corrente através da carga. Desta forma, apenas um único eletrodo (sobre uma única camada) é utilizado neste modo de operação para fornecer corrente de saída.

[017] Quarto modo de operação é um modo de camada triboelétrica independente, que é projetado para coleta de energia de um objeto móvel arbitrário ao qual não são realizadas conexões elétricas. Este objeto pode ser, por exemplo, um carro em movimento, trem em movimento ou sapato (novamente, vide Triboelectric Nanogenerators as New Energy Technology for Self-Powered Systems and as Active Mechanical and Chemical Sensors, ACS Nano 7.11 (2013): 9533-9557).

[018] Existem ainda outros projetos de geradores triboelétricos, tais como configurações em forma de arco duplo com base em eletrificação de contato. A pressão faz com que os arcos se fechem para fazer contato entre as camadas de arco e os arcos retornam para a forma aberta quando a pressão é liberada. Também foi proposto um gerador triboelétrico, que é formado como ressonador harmônico para capturar energia de vibrações do ambiente.

[019] Como mencionado, TEGs de discos giratórios e, de fato, TEGs de modo deslizante linear em geral podem ser operados em modo de contato e modo sem contato. Embora se deseje contato para tribocarregar as placas (inicial e também subsequentemente, para combater vazamentos), o próprio processo de indução eletrostática (por meio do qual é gerada a energia elétrica) não necessita de contato entre as placas, mas apresenta boa operação com pequena separação de placas) de, por exemplo, cerca de 0,5 mm - vide, por exemplo, Long Lin et al, Segmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy, Nano Letters, 2013, 13 (6), 2916-2923).

[020] Operação em modo de contato (em que as placas são mantidas em contato por fricção contínua) resulta em fornecimento de energia mais alto, pois as placas estão sendo continuamente carregadas, e, portanto, continuamente mantidas em certa densidade de carregamento de superfície máxima teórica por meio de substituição contínua da carga por meio de vazamento etc. A operação em modo de contato traz consigo, entretanto, diversas dificuldades, que incluem o excesso de produção de ruído e a deterioração de materiais de dispositivos (e, consequentemente, do tempo de vida útil do dispositivo) por meio de abrasão da superfície. Na maior parte dos casos, portanto, é preferível induzir contato apenas intermitente entre as placas, para tribocarregamento quando necessário, e operar em seguida em modo sem contato, a fim de superar as dificuldades descritas com ruído, fricção e vida útil do dispositivo.

[021] Essa operação bimodal, entretanto, traz consigo novas dificuldades, decorrentes do fato de que a distância de separação entre as placas geradoras durante a indução eletrostática possui efeito muito forte sobre a tensão e a amplitude de energia da produção elétrica gerada. Como resultado, o carregamento intermitente das placas, que necessita de reposicionamento frequente entre uma disposição de contato e uma disposição separada, resulta em saída de tensão e energia não uniforme ao longo da operação do gerador. O início de cada fase de tribocarregamento gera aumento temporário ou transitório da saída de energia à medida que as placas são trazidas para perto umas das outras e cada retorno a modo sem contato gera redução equivalente da saída de energia. Ao utilizar o gerador para dirigir um componente elétrico, essa falta de uniformidade de saída claramente não é ideal.

[022] Como forma de ilustração, o gráfico da Figura 1 representa relação medida entre a separação de placas em mm (eixo x 10) e a produção de energia de pico em mW (eixo y 12) para um exemplo de TEG de placa giratória que compreende um rotor de PTFE. Conforme discutido acima, a produção de energia é maior quando as placas estão em contato (ou seja, separação de placas zero), atingindo pico de saída para o exemplo de rotor medido para a Figura 1 de cerca de 0,5 mW. À medida que a separação de placas aumenta, o pico de saída de energia apresenta forte queda, com separação de apenas 0,5 mm incorrendo em redução de saída de cerca de 80% e o pico de potência caindo para apenas 0,1 mW. Para um tipo de dispositivo de TEG de disco giratório específico, em separação de 2 mm, a saída de energia caiu para quase zero.

[023] De forma similar, a Figura 2 ilustra a relação, para o mesmo exemplo de TEG, entre a separação de placas em mm (eixo x 16) e a amplitude entre picos da tensão de saída em V (eixo y 18). Novamente, observa-se forte declínio em resposta ao aumento da separação de placas, em que espaço de 1 mm incorre em redução da tensão pico a pico de cerca de 75% (cerca de 140 V a cerca de 35 V).

[024] Esta forte relação entre a distância de separação de placas e o pico de saída de energia não apenas sustenta os exemplos de geradores triboelétricos representados pelos gráficos das Figuras 1 e 2, mas todas as variedades de geradores elétricos que geram energia de acordo com princípios similares de indução eletrostática. Pequenas variações da distância de separação entre as placas, que podem ser causadas não apenas por meio de alterações induzidas deliberadamente (tais como ao carregar placas de TEG), mas também por meio de influências ambientais externas ou mau alinhamento devido a erros de montagem do dispositivo ou intolerâncias de fabricação (por exemplo, nivelamento e asperezas), geram flutuações da produção gerada de energia.

[025] Existe, portanto, a necessidade de fornecer um dispositivo de geração de energia (ou de conversão de energia) que opere de acordo com esses princípios, mas em que o dispositivo é configurado de tal forma que a saída gerada de energia seja menos criticamente dependente da distância de separação entre elementos de placas móveis.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[026] A presente invenção é definida pelas reivindicações.

[027] Segundo um aspecto da presente invenção, é fornecido um dispositivo de geração de energia, que compreende:

[028] - um gerador de energia elétrica, em que o gerador compreende primeira e segunda disposições de geração, cada disposição é configurada para gerar tensão e/ou corrente de saída e cada qual utiliza pelo menos um primeiro elemento gerador e um segundo elemento gerador, pelo menos um dos quais é adaptado para possuir estado de carregamento, e que são adaptados para serem móveis entre si, a fim de gerar tensão e/ou corrente de saída resultante, em que a tensão e/ou corrente de saída são dependentes da distância de separação entre o primeiro e o segundo elemento gerador;

[029] em que as disposições de geração são configuradas de forma cooperativa, para que o aumento da distância de separação entre os elementos geradores da primeira disposição resulte em redução relativa da distância de separação entre os elementos geradores da segunda disposição e vice-versa; e

[030] em que o gerador de energia elétrica compreende adicionalmente uma unidade combinadora adaptada para combinar as tensões e/ou correntes de saída das primeira e segunda disposições de geração, a fim de gerar um sinal de saída elétrico combinado a partir do gerador de energia elétrica.

[031] Realizações da presente invenção fornecem, portanto, um gerador de energia que compreende pelo menos duas disposições de geração diferentes, cada qual adaptada para gerar saída de tensão e/ou corrente separada por meio do movimento relativo de dois elementos geradores carregados, em que os elementos geradores possuem alguma distância de separação (que pode ser zero ou diferente de zero). As disposições são configuradas cooperativamente, de forma que as distâncias de separação entre os seus elementos correspondentes sejam reciprocamente relacionadas: aumento de uma gera redução relativa da outra.

[032] Combinando-se essas duas saídas, pode-se fornecer uma única saída de corrente ou tensão cuja amplitude é substancialmente independente de quaisquer alterações ou variações da distância de separação entre elementos de qualquer uma das duas disposições. Desta forma, as contribuições acopladas das duas tensões independentes compensam variações de tensão e agregam saída relativamente constante, independentemente da distância de separação das placas e da posição dos elementos configurados entre si.

[033] Observe-se que, no contexto da presente invenção, elemento gerador deve ser compreendido como indicando um elemento, componente ou constituinte do dispositivo, para uso na geração de energia. O elemento gerador pode compreender, por exemplo, uma única parte isolada, tal como um eletrodo isolado ou seção de superfície, ou pode, em exemplos adicionais, compreender uma coleção, disposição ou montagem de partes, tal como padrão ou agrupamento de eletrodos ou partes de superfície, que formam uma unidade coletiva para uso em geração de energia no interior do dispositivo.

[034] Além disso, em alguns exemplos, cada uma dentre as primeira e segunda disposições de geração pode compreender um par separado de primeiro e segundo elementos geradores para seu uso dedicado ou pode compartilhar alternativamente um ou ambos dentre um par comum de primeiro e segundo elementos geradores.

[035] Em alguns exemplos, podem ser fornecidas mais de duas disposições de geração.

[036] Segundo um exemplo de conjunto de realizações, o gerador de energia elétrica compreende primeiro, segundo e terceiro membros geradores, em que pelo menos o terceiro é configurado para ser móvel com relação ao primeiro e ao segundo, em que:

[037] - o primeiro membro gerador compreende o primeiro elemento gerador da primeira disposição de geração, o segundo membro gerador compreende o primeiro elemento gerador da segunda disposição de geração e o terceiro membro gerador compreende os segundos elementos geradores da primeira disposição de geração e da segunda disposição de geração.

[038] Nestas realizações, são fornecidos três membros geradores, em que o primeiro e o terceiro acoplam-se eletrostaticamente para fornecer a primeira disposição de geração e o segundo e o terceiro acoplam-se eletrostaticamente para fornecer a segunda disposição de geração.

[039] Nos exemplos, os membros geradores podem compreender placas geradoras, em que as placas geradoras possuem elementos geradores dispostos sobre uma ou mais superfícies.

[040] O terceiro membro gerador pode ser posicionado entre o primeiro e o segundo e configurado para ser móvel ao longo de um eixo que corre entre os dois.

[041] Neste caso, os primeiro ou segundo elementos geradores da primeira disposição podem estar dispostos sobre um lado do terceiro membro e os primeiro ou segundo elementos geradores da segunda disposição dispostos sobre o lado alternativo do terceiro membro. O movimento do terceiro membro induz, portanto, movimento relativo entre os pares correspondentes de elementos geradores das primeira e segunda disposições de geração.

[042] Além disso, segundo esta disposição, o deslocamento do terceiro membro com relação ao primeiro e ao segundo é inerentemente recíproco entre os dois: o movimento para mais perto de um leva-o para mais longe do outro.

[043] Em alguns exemplos, a posição do terceiro membro de geração ao longo do mencionado eixo pode ser controlada dependendo da aplicação de força externa (por exemplo, fazer uso da folga axial nas Figuras 5 e 6).

[044] O terceiro membro gerador pode ser acoplado a uma portadora, em que a portadora é deslocável ao longo das direções do eixo, de forma a permitir o movimento do terceiro membro ao longo do eixo entre o primeiro e o segundo membro. A portadora pode compreender, por exemplo, uma haste, vara, eixo ou outro meio de suporte.

[045] A portadora pode possuir eixo longitudinal, disposto em alinhamento com o eixo que corre entre o primeiro e o segundo membro. Em alguns exemplos específicos, a portadora pode ser disposta e adaptada de tal forma que a aplicação de força ao longo da direção do mencionado eixo longitudinal possa induzir o deslocamento do terceiro membro ao longo do eixo que corre entre o primeiro e o segundo membro.

[046] O deslocamento da portadora pode ser orientado por mola em uma direção ao longo do eixo. Desta forma, segundo um ou mais exemplos, qualquer força externa aplicada à portadora (por exemplo, para induzir o deslocamento) contra essa direção apresenta resistência elástica. Além disso, a orientação de mola pode, em alguns casos, ser configurada de forma a empurrar o terceiro membro gerador na direção do primeiro ou do segundo membro.

[047] Segundo uma ou mais realizações, cada um dos elementos geradores de cada uma dentre as primeira e segunda disposições de geração pode compreender conjuntos correspondentes de uma ou mais regiões de superfície carregáveis.

[048] Em um conjunto de exemplos, os primeiro, segundo e terceiro membros geradores compreendem elementos de disco correspondentes, em que o terceiro é giratório com relação ao primeiro e ao segundo, ou vice-versa, a fim de gerar uma ou mais tensões e/ou correntes de saída.

[049] O dispositivo pode compreender adicionalmente uma unidade de controle, em que a unidade de controle é adaptada para controlar a posição do terceiro membro ao longo do eixo que corre entre o primeiro e o segundo membro.

[050] O controlador pode, por exemplo, ser adaptado para induzir períodos de contato intermitentes entre o terceiro membro e os primeiro e/ou segundo membros, de forma a induzir contato entre o primeiro e o segundo elemento gerador das primeira e/ou segunda disposições de geração.

[051] Segundo um conjunto específico de exemplos, o controlador pode ser adaptado para mover ciclicamente o terceiro membro para a frente e para trás entre o primeiro e o segundo membro.

[052] Isso pode, por exemplo, possibilitar períodos intermitentes de tribocarregamento, caso o gerador de energia fornecido seja um gerador de energia triboelétrico.

[053] Quando o gerador de energia for um gerador de energia triboelétrico, o controlador pode ser convenientemente utilizado para induzir e controlar períodos intermitentes de tribocarregamento das placas do gerador.

[054] A unidade combinadora pode ser adaptada para somar as tensões e/ou correntes de saída das duas disposições.

[055] Exemplos de acordo com outro aspecto da presente invenção fornecem um método de geração de energia, que compreende:

[056] - operação de um gerador de energia elétrica, em que o gerador compreende primeira e segunda disposições de geração, cada disposição é configurada para gerar tensão e/ou corrente de saída e cada qual utiliza pelo menos um primeiro elemento gerador e um segundo elemento gerador, pelo menos um dos quais é adaptado para ter estado de carregamento e que são adaptados para serem móveis entre si, a fim de gerar tensão e/ou corrente de saída resultante, em que a tensão e/ou corrente de saída são dependentes da distância de separação entre o primeiro e o segundo elemento gerador;

[057] em que as disposições de geração são configuradas de forma cooperativa, para que o aumento da distância de separação entre os elementos geradores da primeira disposição resulte em redução relativa da distância de separação entre os elementos geradores da segunda disposição e vice-versa;

[058] em que o método compreende:

[059] - indução de movimento relativo entre o primeiro e o segundo elemento gerador utilizados por cada uma dentre as primeira e segunda disposições de geração, de forma a gerar, a partir de cada uma dentre as primeira e segunda disposições de geração, tensão e/ou corrente de saída resultantes correspondentes; e

[060] - combinação das tensões e/ou correntes de saída das primeira e segunda disposições de geração, a fim de gerar um sinal de saída elétrico combinado resultante do gerador de energia elétrica. Na presente invenção, essa saída elétrica combinada fornece saída constante autorregulada ao longo de uma pequena distância de separação entre os elementos geradores das duas disposições.

[061] Em alguns exemplos, o gerador de energia elétrica pode compreender primeiro, segundo e terceiro membros de geração, em que pelo menos o terceiro é configurado para ser móvel com relação ao primeiro e ao segundo e:

[062] - o primeiro membro gerador compreende o primeiro elemento gerador da primeira disposição de geração, o segundo membro gerador compreende o primeiro elemento gerador da segunda disposição de geração e o terceiro membro gerador compreende os segundos elementos geradores da primeira disposição de geração e da segunda disposição de geração;

[063] em que o método compreende adicionalmente:

[064] - o controle da posição do terceiro membro gerador com relação ao primeiro e segundo, de forma a movê-lo ciclicamente para a frente e para trás, entre o primeiro e o segundo membro.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[065] Exemplos da presente invenção serão agora descritos em detalhes com referência às figuras anexas, nas quais:

[066] - a Figura 1 exibe um gráfico que ilustra o relacionamento entre a saída de potência de pico e a separação de placas para um exemplo de gerador triboelétrico de disco giratório;

[067] - a Figura 2 exibe um gráfico que ilustra o relacionamento entre a saída de potência de pico a pico e a separação de placas para um exemplo de gerador triboelétrico de disco giratório;

[068] - a Figura 3 ilustra esquematicamente um primeiro exemplo de dispositivo gerador;

[069] - a Figura 4 exibe um esquema que representa saídas de voltagem em função da distância de separação de placas das diferentes disposições de geração do primeiro exemplo de dispositivo;

[070] - as Figuras 5a e 5b ilustram esquematicamente um segundo exemplo de dispositivo gerador;

[071] - as Figuras 6a e 6b ilustram esquematicamente um exemplo de barbeador elétrico que incorpora o segundo exemplo de dispositivo gerador;

[072] - a Figura 7 ilustra esquematicamente um terceiro exemplo de dispositivo gerador;

[073] - a Figura 8 exibe um gráfico que representa saídas de tensão em função da distância de separação de placas das diferentes disposições de geração do terceiro exemplo de dispositivo;

[074] - a Figura 9 ilustra esquematicamente um quarto exemplo de dispositivo gerador; e

[075] - a Figura 10 ilustra esquematicamente um quinto exemplo de dispositivo gerador;

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[076] A presente invenção fornece um dispositivo de geração de energia que compreende pelo menos duas disposições de geração, cada qual adaptada para gerar saída de tensão por meio do movimento relativo de dois elementos de geração com carga igual ou diferente, em que os elementos de geração possuem alguma distância de separação (que pode ser zero ou diferente de zero). As disposições são configuradas cooperativamente, de forma que as distâncias de separação entre os seus elementos correspondentes sejam reciprocamente relacionadas: aumento de uma gera redução relativa da outra. Combinando-se essas duas saídas de sinal, pode-se fornecer uma única corrente ou tensão de saída pelo dispositivo cuja amplitude é substancialmente independente de quaisquer alterações ou variações da distância de separação entre elementos de qualquer uma das duas disposições.

[077] Conforme explicado acima, o pico de potência ou tensão da saída gerada por um gerador com base em indução eletrostática (por exemplo, gerador de TEG) apresenta forte relação com a distância de separação entre os seus dois elementos de placas móveis entre si. Qualquer variação dessa distância de separação causa, portanto, flutuações da saída gerada. Realizações da presente invenção propõem uma solução, em que as saídas de duas disposições de geração diferentes são combinadas para formar um único sinal ou saída de energia e as duas disposições são configuradas mecanicamente, de forma que as suas distâncias de separação sejam reciprocamente relacionadas. As contribuições acopladas das duas tensões e/ou correntes independentes somam-se, portanto, a um valor relativamente constante que não se altera (ou altera-se apenas de forma mínima) em resposta a variações das distâncias de separação da placa geradora.

[078] Segundo um conjunto específico de exemplos de realizações, as disposições de geração de energia constituem ou são compreendidas por um ou mais geradores de energia triboelétricos. Estes são caracterizados porque a carga relativa entre o primeiro e o segundo conjunto de elementos geradores de cada disposição de geração é estabelecida e mantida por meio de períodos de contato físico intermitentes, durante os quais a carga recíproca é acumulada sobre os elementos de cada conjunto (processo de tribocarregamento). Estas realizações exigem que os elementos geradores sejam compostos de materiais que sejam triboeletricamente ativos (que fazem parte da “série triboelétrica”).

[079] Diversos exemplos de realizações que incorporam disposições geradoras com base triboelétrica serão agora particularmente descritos em detalhes, como forma de ilustração dos princípios da presente invenção. Dever-se-á compreender, entretanto, que os conceitos ilustrados por estes exemplos não se limitam à aplicação específica de sistemas com base triboelétrica, mas possam de fato aplicar- se a qualquer uma dentre uma série de disposições geradoras de energia específicas. Esses geradores poderão geralmente incluir qualquer gerador de energia elétrica que opera por meio do movimento relativo de dois ou mais elementos carregados, incluindo, por exemplo, geradores com base em indução que geram energia elétrica por meio de indução eletrostática, mas que não operam por meio de tribocarregamento de elementos móveis entre si, ou geradores com base em material de eletreto, ou geradores sobre os quais cargas superficiais são transferidas ou cargas superficiais são ativadas por uma fonte de carga externa (por exemplo, pistola de carga). Em cada realização descrita, dever-se-á compreender que um gerador com base triboelétrica fornecido pode ser igualmente bem substituído por uma variedade diferente de gerador, sem prejudicar as vantagens fundamentais conferidas pela disposição descrita sobre dispositivos existentes no estado da técnica.

[080] A Figura 3 exibe um primeiro exemplo de dispositivo simples de acordo com realizações da presente invenção. O dispositivo compreende uma configuração de TEG de disco giratório de placas triplas, que possui primeira placa de disco 22, segunda placa de disco 24 e terceira placa de disco 26, todas montadas em um eixo central 28 que liga os três entre si. A terceira placa de disco 26 é disposta entre a primeira 22 e a segunda 24 e é configurada para ser móvel ao longo do comprimento do eixo 28 entre a primeira e a segunda placa. No exemplo específico ilustrado, a primeira e a segunda placa compreendem primeira e segunda placas de estator de TEG e a terceira placa compreende uma placa de rotor de TEG. Dever-se-á compreender, entretanto, que, em exemplos alternativos, as primeira e segunda placas podem compreender duas placas de rotor e a terceira placa compreende uma única placa de estator.

[081] As primeira 22 e terceira 26 placas compreendem, dispostas sobre suas superfícies opostas, disposições cooperativas ou padrões de partes de material triboelétrico ou eletrodos triboelétricos (não exibidos), que formam primeiro elemento gerador e segundo elemento gerador de uma primeira disposição de geração. As segunda 24 e terceira 26 placas também compreendem, dispostas sobre suas superfícies opostas correspondentes, disposições cooperativas ou padrões de partes de material triboelétrico ou eletrodos triboelétricos (não exibidos), que formam primeiro elemento gerador e segundo elemento gerador de uma segunda disposição de geração. A placa de rotor 26 compreende, portanto, dois conjuntos de seções de material triboelétrico (ou eletrodos triboelétricos); um disposto sobre cada uma das suas superfícies planas principais.

[082] Mediante rotação do disco rotor 26, o movimento relativo ao padrão de eletrodos da primeira placa de estator 22 gera primeiro sinal de saída, que possui primeira tensão V1. Simultaneamente, o movimento relativo do rotor 26 com relação ao padrão de eletrodos da segunda placa de estator 24 gera segundo sinal de saída, que possui segunda tensão V2. Uma unidade combinadora 34 combina (ou soma) os dois sinais de saída para formar terceiro sinal de saída resultante que possui tensão V3, igual à soma das duas tensões de saída componentes V1 e V2. Observe-se que o mesmo princípio pode ser aplicado a correntes de saída e a tensões de saída.

[083] À medida que a placa de rotor 26 move-se para a frente ou para trás ao longo do eixo 28, as distâncias de separação correspondentes com relação aos primeiro 22 e segundo 24 estatores alteram-se de forma recíproca, em que qualquer aumento de uma resulta em redução exatamente igual da outra. Estas alterações da distância de separação resultam em alterações equivalentemente recíprocas das tensões de saída geradas V1 e V2.

[084] A Figura 4 exibe um gráfico que ilustra essas variações da saída de tensão V em função do deslocamento da placa de rotor 26 x ao longo do eixo 28. Também é exibida a saída combinada resultante V3 gerada pela unidade combinadora. Como se pode observar, a saída combinada não é completamente uniforme ao longo de toda a largura da disposição, mas sim mergulha à medida que o rotor é movido para longe do primeiro estator 22, atingindo mínimo no ponto central entre os dois estatores, antes de elevar-se novamente à medida que o rotor aproxima-se do segundo estator 24. Se corretamente projetada (por exemplo, selecionando-se quantidade e materiais apropriados de segmentos de rotação), pode-se atingir saída de energia constante ao longo de uma pequena alteração de distância de separação. Valores realistas são cerca de 0,5-1 mm no modo de geração de energia, em que se considera que constitui >95% do tempo de operação dos geradores descritos no presente.

[085] Embora a saída combinada, na maior parte dos casos, não seja completamente uniforme, ela representa aumento significativo da uniformidade em comparação, por exemplo, com a saída das primeira ou segunda disposições de geração isoladamente. Particularmente, o sinal de saída combinado V3 fornece uma saída que varia simetricamente ao longo da separação total entre o primeiro 22 e o segundo 24 estator e que, em nenhum ponto, gera valor próximo de zero. Como resultado, o sinal combinado fornece saída muito mais confiável para conduzir componentes elétricos externos, pois a separação de placas pode variar - seja deliberadamente ou em resposta a fatores ambientais ou subjacentes - sem que a saída de direcionamento caia para nível criticamente baixo (ou seja, nível que não mais possibilite dirigir o componente fornecido, gerando falha do componente).

[086] Esse dispositivo TEG com saída de energia autocompensante possui diversas vantagens práticas sobre uma configuração de TEG de disco giratório convencional. Particularmente, a energia (ou tensão) gerada é menos criticamente sensível a mau alinhamento de rotor-estator, devido, por exemplo, a erros de montagem ou intolerâncias de fabricação (por exemplo, nivelamento ou aspereza). A configuração de dispositivo TEG é mais resistente (com relação à saída de energia) a variações de distância de separação de rotor-estator “maiores”, ou seja, as placas do gerador podem variar até ponto muito maior, sem prejudicar criticamente a saída de energia resultante.

[087] Em TEG com energia de saída autocompensante (como em realizações da presente invenção), existe menos necessidade de circuitos eletrônicos de controle complexos adicionais para maximizar a saída de energia ou atingir saída de energia constante (ou quase constante): o terceiro dispositivo de placa representa solução puramente mecânica que pode ser implementada com circuito eletrônico de conversão de energia adicional mínimo. Além disso, pode-se operar o dispositivo em modo sem contato e iniciar tribocarregamento periódico ou intermitente, sem necessidade de padrão de ranhura em espiral sobre uma das superfícies do gerador. Além disso, pode-se permitir movimento relativo de rotor ou estator durante a operação do TEG. Na prática, esse movimento relativo frequentemente ocorre devido à folga axial. Pode-se explorar essa folga axial e utilizá-la para garantir o tribocarregamento.

[088] A configuração permite a operação do dispositivo em modo de contato intermitente, sem flutuação significativa da energia ou tensão de saída. O rotor 26 pode ser movido ao longo do eixo 28 para colocá-lo em contato com o primeiro 22 ou o segundo 24 estator para tribocarregamento sem que a saída do dispositivo caia para um nível criticamente baixo.

[089] Serão agora descritas em detalhes diversas realizações específicas de dispositivos geradores autocompensadores, cada qual operando de acordo com os princípios realizados pelo exemplo de dispositivo simples da Figura 3.

[090] Segundo primeiro conjunto dessas realizações, é fornecido um dispositivo TEG de placas triplas que compreende dois estatores e um único reator, em que os estatores são compreendidos ou impressos sobre rolamentos mecânicos ou superfícies de rolamentos mecânicos. O rotor, disposto em posição móvel entre os dois, é acoplado por meio de uma portadora a uma ou mais fontes de entrada mecânica externa. Essas entradas podem ser variáveis e não uniformes, de forma a induzir movimento em grande parte irregular ou aleatório do rotor com relação aos dois estatores. Essa força externa semialeatória pode ser convenientemente utilizada em exemplos para empurrar o rotor (em pontos intermitentes) para um ou ambos os estatores, de forma a induzir o tribocarregamento entre ambos. A natureza autocompensante do dispositivo indica que a variação volátil consequente de distâncias de separação estator-rotor não afeta significativamente a magnitude da saída de energia gerada pelo dispositivo devido à autorregulagem de energia fornecida por uma segunda disposição de gerador. Nesse modo de operação, as entradas mecânicas externas podem até ser utilizadas eficientemente para induzir fases de tribocarregamento, mas sem que isso incorra em deterioração consequente da saída elétrica do dispositivo.

[091] Como forma de ilustração, as Figuras 5a e 5b exibem primeiro exemplo simples dessa realização. O dispositivo compreende primeiro rolamento 42 e segundo rolamento 44, em que os rolamentos compreendem, sobre suas superfícies inferior e superior, respectivamente, padrões impressos de partes de material triboelétrico ou eletrodos triboelétricos. Os rolamentos com padrões de eletrodos impressos fornecem primeiro e segundo elementos de placa de estator eficazes. Montado a um eixo ou haste 46, estendendo- se perpendicularmente através do topo do primeiro rolamento 42, encontra-se um elemento de rotor 48, em que a haste 46 dispõe o rotor no espaço entre os dois rolamentos de estator 42, 44. A haste é configurada de forma que compreenda alguma liberdade de movimento ao longo da direção do seu eixo longitudinal. Particularmente, a haste pode ser adaptada para mover-se em resposta à aplicação de força de carregamento 54 aplicada à sua extremidade superior. A carga da haste faz com que a haste mova-se levemente para baixo em resposta, trazendo o elemento de rotor montado 48 com ela ao fazê-lo. Desta forma, a posição do rotor 48 com relação aos primeiro 42 e segundo 44 rolamentos varia.

[092] Além disso, uma mola de compressão 52 fornecida ao eixo 46 fornece um mecanismo de retração mecânica. A mola aplica força ao longo do eixo longitudinal da haste 46 com magnitude tal que, na ausência de carga externa da haste, o rotor 48 é mantido em repouso contra a superfície do primeiro rolamento 42. Segue-se o tribocarregamento do rotor 48 e do primeiro rolamento (ou elemento estator) 42, neste caso. Mediante aplicação de força de carga ao final da haste 46 (vide a Figura 5b), realiza-se trabalho contra a mola 52 e a haste 46 é deslocada para baixo através do centro da disposição 40. Isso induz deslocamento consequente do elemento de rotor acoplado 48, empurrando-o para fora de contato com o primeiro rolamento 42 e, com aplicação de força suficientemente grande, em direção a contato com o segundo rolamento 44. Induz-se em seguida tribocarregamento entre o elemento de rotor e o segundo rolamento (ou elemento de estator) 44.

[093] A rotação relativa entre o rotor 48 e cada um dentre o primeiro 42 e o segundo 44 rolamento gera saída de tensão correspondente de cada um, denominados V1 e V2, respectivamente. Essas saídas são combinadas em seguida para fornecer uma única saída resultante, formada de soma dos dois sinais componentes, que é substancialmente uniforme em termos de potência e tensão, independentemente do posicionamento específico do rotor 48 com relação aos estatores 42, 44.

[094] Conforme indicado na Figura 5a, quando o rotor 48 move-se para mais perto do primeiro rolamento 42, a tensão V1 aumenta, enquanto a tensão V2 diminui de forma proporcional. Como resultado, a saída combinada dos dois (V1 + V2) permanece relativamente constante. Conforme exibido na Figura 5b, quando o rotor 48 aproxima-se mais do segundo rolamento 44, a tensão V1 diminui, enquanto a tensão V2 de forma proporcional. Novamente, isso resulta em saída combinada relativamente constante V1 + V2.

[095] Por meio de sintonia fina do grau específico de liberdade da haste 46 e fornecimento de molas 52 com constantes de mola apropriadas, pode-se garantir tribocarregamento intermitente dos elementos de placa. Quando a haste é acoplada mecanicamente a uma fonte de carregamento mecânico variável e não uniforme, essa força externa pode ser utilizada para induzir o tribocarregamento intermitente frequente (embora irregular) de elementos de placa.

[096] Esta configuração de TEG 40 pode encontrar aplicação particularmente vantajosa, por exemplo, em casos em que o TEG necessita ser integrado em um espaço pequeno e erros de alinhamento durante a montagem são propensos a ocorrer.

[097] Uma aplicação específica poderá ser, por exemplo, como sistema de conversão ou coleta de energia fornecido em barbeadores elétricos ou qualquer outro dispositivo (manual) que possua uma unidade de direcionamento mecânico funcional (por exemplo, uma unidade cortadora em barbeadores) com um eixo e rolamento sustentado por molas. Um exemplo dessa realização é exibido, para ilustração, nas Figuras 6a e 6b.

[098] O dispositivo das Figuras 5a e 5b é montado no interior do corpo 62 de uma unidade de barbeador 60, com a haste de rolamento 46 acoplada mecanicamente, na sua extremidade superior, a um elemento de cabeça de barbeador 64, em que o elemento de cabeça compreende um cortador giratório, uma tampa metálica protetora (a seção transversal de ambos é indicada por 66) e uma "unidade de seguimento de contorno" dedicada. A haste 46 é acoplada, na sua extremidade inferior, a uma unidade motora de barbeador 68, por meio da qual a haste gira, de forma a induzir a rotação do elemento de corte giratório 66 e também da placa de rotor TEG acoplada 48.

[099] A unidade de seguimento de contorno é adaptada para realizar deflexão, pelo menos para cima e para baixo, à medida que se move através da superfície da pele do usuário, a fim de ajustar a orientação ou o posicionamento do cortador para melhor coincidir com os contornos do rosto do usuário, de forma a fornecer ação de corte mais eficaz e/ou mais confortável (barbear mais rente). Essas deflexões para cima e para baixo do elemento de cabeça 64 são utilizadas em exemplos da presente realização para empurrar o rotor 48 para cima e para baixo entre os primeiro 42 e segundo 44 rolamentos (ou estatores), de forma a induzir períodos de contato intermitentes e, portanto, tribocarregamento, com relação aos dois, bem como saída de energia autorreguladora conforme descrito na presente invenção.

[0100] Observe-se que, embora, para os propósitos do exemplo de aplicação específico ilustrado pelas Figuras 6a e 6b, a entrada mecânica variável utilizada pelo dispositivo (a deflexão da unidade de cabeça de barbeador 64 compreende movimento do tipo linear e, em exemplos adicionais, a entrada coletada pode compreender, por sua vez, qualquer tipo de entrada mecânica, incluindo, por exemplo, rotação (por exemplo, do vento ou água), dobra ou deslizamento, por exemplo.

[0101] Além disso, embora, no exemplo específico das Figuras 5a e 5b (e Figuras 6a e 6b), o dispositivo compreenda uma combinação de disposições de geração do tipo disco giratório, utilizando rolamentos giratórios, poderão ser alternativamente utilizadas, em exemplos adicionais, outras variedades de disposição de TEG e rolamentos, incluindo, por exemplo, TEGs em modo de derivação (utilizando, por exemplo, rolamentos deslizantes).

[0102] Um exemplo dessa realização que incorpora uma combinação de disposições TEG em modo de derivação (ou modo de separação de contatos verticais) para fornecer maior uniformidade de sinal, a saída de energia autocompensadora é exibida de forma ilustrativa na Figura 7. O dispositivo 72 fornecido compreende primeiro elemento de placa estática 74 e segundo elemento de placa estática 76, em que os elementos de placa estática compreendem, sobre suas superfícies inferior e superior, respectivamente, padrões impressos de partes de material triboelétrico ou eletrodos triboelétricos. Montado a uma extremidade de um eixo ou haste 46, estendendo-se perpendicularmente através do topo do primeiro elemento de placa 74, encontra-se um elemento de placa móvel 78, em que a haste 46 dispõe a placa móvel no espaço entre as duas placas estáticas 74, 76. O elemento de placa móvel 78 compreende, sobre as suas superfícies superior 80 e inferior 82, padrões correspondentes de partes de material triboelétrico ou eletrodos triboelétricos, dispostos e adaptados para acoplamento aos padrões fornecidos para as primeira 74 e segunda 76 placas estáticas, respectivamente, para geração de primeira e segunda tensões de saída (V1 e V2) em resposta ao movimento da placa móvel com relação às placas estáticas.

[0103] A aplicação de força de carregamento 54 à extremidade superior da haste 46 induz o deslocamento da placa móvel 78 na direção do segundo elemento de placa estática 76. A aplicação de força na direção oposta ou utilizando a força de retração gerada por uma mola (não exibida) induz deslocamento consequente da placa móvel 78 na direção do primeiro elemento de placa 74. Em alguns casos, poderá ser adicionalmente incluído um elemento de mola, para fornecer resistência contra a aplicação para baixo de força externa, estimulando o movimento de retorno para cima da placa móvel após a remoção de qualquer orientação para baixo.

[0104] O movimento (linear) relativo entre a placa móvel 78 e as placas estáticas 74, 76 induz tensão ou corrente entre as suas disposições de eletrodos correspondentes, gerando primeiro sinal de saída V1 entre a primeira placa estática 74 e a placa móvel 78 e segundo sinal de saída V2 entre a segunda placa estática 76 e a placa móvel 78. Como ocorre nos exemplos anteriores, durante a operação (dependendo da resistência de carga ou durante a operação em condição de circuito aberto ou curto circuito), esses dois sinais são combinados para formar um único sinal de saída resultante somado V3, que permanece substancialmente constante/uniforme, independentemente da posição da placa móvel 78 com relação a qualquer uma das placas estáticas 74, 76.

[0105] A Figura 8 exibe um gráfico que ilustra as variações em V1 e V2 em função do deslocamento x do elemento de placa móvel 78 com relação ao primeiro elemento de placa estática 74. Como se pode observar, para este exemplo de TEG em modo de derivação, o sinal de saída de tensão combinado V3 não permanece substancialmente uniforme para todas as posições da placa móvel ao longo da disposição. Gera-se tensão após a separação das placas, depois do acúmulo de carga superficial inicial. Em comparação com os TEGs de disco giratório (Figuras 3-4, 5-6 e 9-10), em condição de circuito aberto, pode-se teoricamente atingir neste ponto tensão constante ao longo de toda a distância de separação quando o elemento de placa móvel central 78 toca repetidamente o primeiro elemento de placa estático 74 e o segundo elemento de placa estático 76.

[0106] Além disso, o movimento linear da haste 46 é adicionalmente utilizado dentro do exemplo para induzir fases de tribocarregamento intermitentes entre os elementos de placa. À medida que a força de carregamento 54 é aplicada para baixo por meio da haste 46, induzindo o deslocamento para baixo do elemento de placa móvel 78, não apenas este movimento é utilizado para gerar os sinais de saída V1, V2 por meio de indução eletrostática, mas o movimento também age para colocar o elemento de placa móvel 78 em contato com o segundo elemento de placa estática 76, de forma a causar tribocarregamento dos dois eletrodos dispostos sobre as superfícies das duas placas 76, 78. De forma similar, o movimento da placa móvel 78 na direção oposta coloca a placa móvel em contato com o primeiro elemento de placa estática 74, induzindo uma instância de tribocarregamento desse elemento de placa.

[0107] Cada uma das realizações específicas descritas acima é caracterizada por utilizar ou empregar as entradas mecânicas externas não uniformes semialeatórias para fornecer eventos de tribocarregamento aleatório intermitentes. A distância de separação entre elementos de placas a qualquer dado momento é, em cada caso, determinada pela influência de forças externas que não estão sob o controle direto de elementos do dispositivo.

[0108] Conforme segundo conjunto de exemplos de realizações, é fornecido um dispositivo TEG de placa tripla com saída de energia autocompensadora, em que a separação entre as diversas placas é controlada com precisão por meio de componentes de controle mecatrônicos dedicados. Estas realizações permitem, em alguns exemplos, movimento contínuo e periódico (ou cíclico) de um elemento rotor para a frente e para trás entre o primeiro e o segundo elemento estator. Essa disposição fornece maior controle sobre o tribocarregamento das placas (o que permite, por exemplo, regime de carregamento mais homogêneo e consistente) e da corrente e/ou tensão de saída combinada gerada do dispositivo.

[0109] Primeiro exemplo de dispositivo de acordo com esta realização é ilustrado na Figura 9. O dispositivo 90 compreende uma configuração de TEG de disco giratório de placa tripla, que possui uma única placa de rotor 92 e duas placas de estator 94, 96, em que a placa de rotor é disposta entre os dois estatores e acoplada a um eixo giratório 98 que corre através do centro de todas as três placas. Os primeiro 94 e segundo 96 estatores compreendem rolamentos giratórios 102, 104, que permitem a rotação do eixo 98, para dirigir a rotação do disco rotor 92. O eixo 98 compreende um eixo ou vara rosqueada cuja rotação é dirigida por um motor de passo 106 (por meio de uma engrenagem 108) fornecido em uma extremidade da disposição de TEG. O motor de passo 106 e o eixo 98 são configurados de tal forma que a rotação do eixo pelo motor de passo induza deslocamento linear suave do eixo ao longo de direções do seu eixo longitudinal, em que o rosqueamento fino da vara (por exemplo, rosqueamento trapezoidal) permite controle preciso pelo motor ao longo da extensão desse deslocamento. Ao reverter-se a direção do motor, a direção do deslocamento pode ser alterada.

[0110] À medida que o motor 106 é dirigido, o rotor 92, acoplado ao eixo, não apenas gira de forma correspondente à rotação do eixo 98, mas também é deslocado linearmente em conjunto com o deslocamento linear do eixo. Desta forma, à medida que o motor 106 é dirigido, o elemento rotor 92 é deslocado de forma contínua ao longo da direção do eixo longitudinal do eixo, entre os primeiro 94 e segundo 96 estatores (ou vice-versa). Esta configuração permite controle preciso sobre a separação de rotor-estator e regulagem da saída de energia gerada, dependendo da distância de separação do rotor-estator.

[0111] Particularmente, o rotor 92 pode ser movido para a frente e para trás de forma periódica contínua, tocando, por sua vez, cada um dos estatores 94, 96. Alterando-se, por exemplo, a polaridade da corrente de motor, este movimento para a frente e para trás pode ser controlado e a direção do movimento de rotor é revertida quando o rotor houver tocado o primeiro ou o segundo estator, causando tribocarregamento. Um sensor de torque 110, sensores de distância e/ou paradas de fim de curso podem ser fornecidos e utilizados para determinar quando o rotor 92 houver atingido a posição final “à esquerda” ou “à direita”.

[0112] O motor de passo 106 pode, em alguns exemplos, ser controlado por uma unidade controladora (não exibida). A unidade controladora pode compreender, por exemplo, circuito ou processador configurado para conduzir instruções de controle de forma autônoma. Alternativamente, uma unidade de controle pode incorporar elementos de controle de usuário para permitir o controle direto pelo usuário do posicionamento do rotor.

[0113] Saídas elétricas V1 e V2 geradas pelos primeiro e segundo estatores, respectivamente, em resposta à rotação da placa de rotor, são combinadas por meio de uma unidade combinadora 34 para formar um único sinal de saída somado V3 que permanece substancialmente uniforme, independentemente da posição específica do rotor com relação aos dois estatores.

[0114] A unidade combinadora 34 pode, em alguns exemplos, compreender dois circuitos de conversão de energia separados, cada qual conectado à saída de um estator diferente. As saídas desses dois circuitos podem ser conectadas em seguida à mesma carga isolada (por exemplo, capacitor). Desta forma, a carga recebe energia dos dois circuitos de conversão.

[0115] Observe-se que o disco de rotação TEG deste exemplo compreende um padrão de conjunto de dois eletrodos alternados sobre cada estator. Essa configuração permite a geração de tensões e/ou correntes de saída geradas ao longo desses eletrodos alternados do estator isoladamente e não entre eletrodos do rotor e estator. Desta forma, pode- se evitar a fiação do rotor. Dever-se-á compreender, entretanto, que, em outros exemplos, podem ser geradas correntes entre as placas de rotor e estator e a fiação fornecida adequadamente ao rotor.

[0116] Embora, no exemplo da Figura 9, o dispositivo compreende duas placas de estator e uma única placa de rotor; em exemplos alternativos, podem ser fornecidas, no seu lugar, duas placas de rotor e uma única placa de estator. Um exemplo dessa realização é exibido na Figura 10. Neste ponto, primeira 120 e segunda 122 placas de rotores são fornecidas em cada extremidade da disposição, acopladas a um eixo rosqueado central 98 que dirige a rotação dos dois rotores por meio de um motor de direcionamento 124 fornecido em uma extremidade do eixo. Um único estator 126 também é fornecido montado sobre o eixo rosqueado 98 e fixado sobre um rolamento de guia deslizante 128 que corre abaixo dele.

[0117] O rolamento de guia deslizante 128 evita a rotação do estator 126, mas permite o movimento linear ao longo das direções do eixo 98. O estator 126 é acoplado de forma rosqueada ao eixo 98. Em virtude disso, como a rotação do estator é inibida, qualquer rotação do eixo induz consequente “rosqueamento” do estator ao longo do comprimento do eixo e, portanto, deslocamento do estator para a frente ou para trás entre os dois elementos de rotor 120, 122, dependendo da direção na qual o motor 124 está sendo dirigido.

[0118] De forma análoga ao exemplo da Figura 9, portanto, à medida que o motor 124 é dirigido, o elemento estator 126 é deslocado de forma contínua ao longo da direção do eixo longitudinal do eixo 98, entre os primeiro 120 e segundo 122 rotores (ou vice-versa). Esta configuração permite controle preciso da separação de rotor-estator.

[0119] Novamente, este mecanismo permite o movimento do estator 126 para a frente e para trás de forma periódica contínua, tocando, por sua vez, cada um dos rotores 120, 122. Alterando-se a polaridade da corrente de motor, este movimento para a frente e para trás pode ser controlado e a direção do movimento de estator é revertida quando o estator houver tocado o primeiro ou o segundo rotor, causando tribocarregamento. Um sensor de torque 110, sensores de distância e/ou paradas de fim de curso podem ser fornecidos e utilizados para determinar quando o estator 126 houver atingido a posição final “à esquerda” ou “à direita”.

[0120] Em cada um dos exemplos descritos acima, são especificamente fornecidas disposições que compreendem três placas geradoras; uma placa disposta de forma móvel entre duas outras. Essa configuração, entretanto, não é essencial para o conceito da presente invenção e podem ser consideradas disposições alternativas adicionais em seu lugar. Em algumas realizações, por exemplo, cada disposição de geração pode fazer uso de um par separado de placas geradoras dedicadas. Pode-se realizar relacionamento recíproco entre as distâncias de separação de placas dessas duas disposições por meio de mecanismo mecânico direto ou de uma ou mais formas de regulagem mecatrônica, controladas, por exemplo, por meio de circuito eletrônico de controle automático. Mecanismo mecânico direto poderá incluir, por exemplo, um ou mais mecanismos de engrenagem, configurados de tal forma que o movimento de primeiro membro de placa induz movimento recíproco no segundo membro de placa.

[0121] Realizações da presente invenção podem ser convenientemente implementadas em ampla variedade de aplicações específicas, incluindo particularmente em quaisquer produtos ou dispositivos, incluindo partes móveis (engrenagens, hastes, rolamentos) dos quais pode ser coletada ou convertida energia mecânica. Particularmente, estes podem incluir, em forma apenas de exemplo não limitador, dispositivos manuais de cuidados pessoais (tais como barbeadores elétricos, escovas de dentes e dispositivos de cuidados com a pele), eletrodomésticos, produtos de cuidado com pisos (tais como aspiradores de pó ou enceradeiras de pisos), máquinas de polimento ou mesmo dispositivos médicos grandes (tais como rolamentos de tubos de raio X ou portais de scanners CT) ou válvulas giratórias.

[0122] Outras variações das realizações descritas podem ser compreendidas e efetuadas pelos técnicos no assunto na prática da presente invenção, a partir do estudo das figuras, do relatório descritivo e das reivindicações anexas. Nas reivindicações, a expressão “que compreende” não exclui outros elementos ou etapas e o artigo indefinido “um” ou “uma” não exclui uma série. O mero fato de que certas medidas são indicadas em reivindicações dependentes diferentes entre si não indica que uma combinação dessas medidas não possa ser utilizada com vantagens. Nenhum sinal de referência nas reivindicações deverá ser interpretado como limitador do escopo.

Claims (15)

1. DISPOSITIVO DE GERAÇÃO DE ENERGIA, que compreende: - um gerador de energia elétrica (22, 24, 26), em que o gerador compreende primeira e segunda disposições de geração, em que cada disposição é configurada para gerar tensão e/ou corrente de saída e cada qual utiliza pelo menos um primeiro elemento gerador e um segundo elemento gerador, pelo menos um dos quais é adaptado para ter estado de carregamento, ou que são adaptados para serem móveis entre si, a fim de gerar tensão e/ou corrente de saída resultante, em que a tensão e/ou corrente de saída são dependentes da distância de separação entre o primeiro e o segundo elemento gerador; em que o gerador de energia elétrica compreende adicionalmente uma unidade combinadora (34) adaptada para combinar as tensões e/ou correntes de saída das primeira e segunda disposições de geração, a fim de gerar um sinal de saída elétrico combinado a partir do gerador de energia elétrica, e caracterizado pelas disposições de geração serem configuradas de forma cooperativa, para que o aumento da distância de separação entre os elementos geradores da primeira disposição resulte em redução relativa da distância de separação entre os elementos geradores da segunda disposição e vice-versa.

2. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo gerador de energia elétrica compreender primeiro (22, 42, 94), segundo (24, 44, 96) e terceiro (26, 48, 92) membros geradores, em que pelo menos o terceiro é configurado para ser móvel com relação ao primeiro e ao segundo; e em que o primeiro membro gerador (22, 42, 94) compreende o primeiro elemento gerador da primeira disposição de geração, o segundo membro gerador (24, 44, 96) compreende o primeiro elemento gerador da segunda disposição de geração e o terceiro membro gerador (26, 48, 92) compreende os segundos elementos geradores da primeira disposição de geração e da segunda disposição de geração.

3. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo terceiro membro gerador (26, 48, 92) ser posicionado entre o primeiro (22, 42, 94) e o segundo (24, 44, 96) e configurado para ser móvel ao longo de um eixo que corre entre os dois.

4. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela posição do terceiro membro gerador (48) ao longo do mencionado eixo ser controlado dependendo da aplicação de uma força externa (54).

5. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo terceiro membro de geração (48, 92) ser acoplado a uma portadora (46, 98), em que a portadora é deslocável ao longo das direções do eixo, de forma a permitir o movimento do terceiro membro ao longo do eixo entre o primeiro (42, 94) e o segundo (44, 96) membro.

6. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo deslocamento da portadora (46) ser orientado por mola em uma direção ao longo do eixo.

7. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelos elementos geradores de cada uma dentre as primeira e segunda disposições de geração compreenderem conjuntos correspondentes de uma ou mais regiões de superfície carregáveis.

8. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 7, caracterizado por primeiro (22, 42, 94), segundo (24, 44, 96) e terceiro (26, 48, 92) membros geradores compreenderem elementos de disco correspondentes, em que o terceiro é giratório com relação ao primeiro e ao segundo, ou vice-versa, a fim de gerar uma ou mais tensões e/ou correntes de saída.

9. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 8, caracterizado pelo dispositivo compreender adicionalmente uma unidade de controle, em que a unidade de controle é adaptada para controlar a posição do terceiro membro (92) ao longo do eixo que corre entre o primeiro (94) e o segundo (96) membro.

10. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo controlador ser adaptado para mover de forma cíclica o terceiro membro (92) para a frente e para trás entre o primeiro (94) e o segundo (96) membro.

11. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo controlador ser adaptado para induzir períodos de contato intermitentes entre o terceiro membro (92) e os primeiro (94) e/ou segundo (96) membros, de forma a induzir contato entre o primeiro e o segundo elemento gerador das primeira e/ou segunda disposições de geração.

12. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo gerador de energia ser um gerador de energia triboelétrico.

13. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela unidade combinadora (34) somar as tensões e/ou correntes de saída das duas disposições.

14. MÉTODO DE GERAÇÃO DE ENERGIA, caracterizado por compreender: - operação de um gerador de energia elétrica, em que o gerador compreende primeira e segunda disposições de geração, cada disposição é configurada para gerar tensão e/ou corrente de saída e cada qual utiliza pelo menos um primeiro elemento gerador e um segundo elemento gerador, pelo menos um dos quais é adaptado para ter estado de carregamento, e que são adaptados para serem móveis entre si, a fim de gerar tensão e/ou corrente de saída resultante, em que a tensão e/ou corrente de saída são dependentes da distância de separação entre o primeiro e o segundo elemento gerador; em que as disposições de geração são configuradas de forma cooperativa, para que o aumento da distância de separação entre os elementos geradores da primeira disposição resulte em redução relativa da distância de separação entre os elementos geradores da segunda disposição e vice-versa; em que o método compreende: - indução de movimento relativo entre o primeiro e o segundo elemento gerador utilizados por cada uma dentre as primeira e segunda disposições de geração, de forma a gerar, a partir de cada uma dentre as primeira e segunda disposições de geração, tensão e/ou corrente de saída resultantes correspondentes; e - combinação das tensões e/ou correntes de saída das primeira e segunda disposições de geração, a fim de gerar um sinal de saída elétrico combinado resultante do gerador de energia elétrica.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo gerador de energia elétrica compreender primeiro (22, 42, 94), segundo (24, 44, 96) e terceiro (26, 48, 92) membros geradores, em que pelo menos o terceiro é configurado para ser móvel com relação ao primeiro e segundo; e em que o primeiro membro gerador (22, 42, 94) compreende o primeiro elemento gerador da primeira disposição de geração, o segundo membro gerador (24, 44, 96) compreende o primeiro elemento gerador da segunda disposição de geração e o terceiro membro gerador (26, 48, 92) compreende os segundos elementos geradores da primeira disposição de geração e da segunda disposição de geração; em que o método compreende adicionalmente: controle da posição do terceiro membro gerador (26, 48, 92) com relação ao primeiro (22, 42, 94) e segundo (24, 44, 96), de forma a movê-lo ciclicamente para a frente e para trás, entre o primeiro e o segundo membro.

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