BR112018010957B1 - Sistema, e método de geração ou conversão de energia - Google Patents

Abstract

É apresentado um sistema que compreende um gerador de energia para gerar energia elétrica e um conversor de capacitor chaveado para reduzir a tensão de saída do gerador de energia. O conversor de capacitor chaveado compreende um banco de capacitores e uma disposição de chaves. Um controlador é usado para controlar as chaves, com base em um sinal de retroinformação proveniente do gerador de energia. Isso fornece controle automático do conversor de capacitor chaveado, simplificando assim o circuito de controle geral e otimizando a eficiência.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] Esta invenção refere-se a um gerador de energia elétrica para converter energia mecânica em energia elétrica, bem como métodos de geração de energia.

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 unem o efeito triboelétrico à indução eletrostática. Foi proposto fazer uso de geração triboelétrica para alimentar dispositivos móveis para serem usados junto ao corpo, como sensores e telefones inteligentes, mediante captura da energia mecânica que de outro modo seria desperdiçada, proveniente de fontes como caminhada, movimentos aleatórios do corpo, sopro do vento, vibração ou ondas do mar. Consulte, 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 vidro com peles, ou passar um pente pelos cabelos 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. Um ou mais dos materiais podem ser um isolante. Outros materiais possíveis podem incluir materiais semicondutores, por exemplo, silício compreendendo uma camada de óxido nativo. 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 depositados/dispostos na parte traseira 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. Conforme aumenta a distância entre os respectivos centros de carga das duas placas, diminui o campo elétrico de atração entre os dois ao longo do vão, resultando em um aumento na diferença de potencial entre os dois eletrodos externos, conforme a atração elétrica de carga por meio do carregamento 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 da união 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. Os dispositivos geradores triboelétricos podem, portanto, ser considerados bombas de carga.

[007] 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.

[008] 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 geradores triboelétricos (“TEG”, de “triboelectric generators”).

[009] Desde seu primeiro relato em 2012, a densidade de energia de saída dos TEGs foi muito aprimorada. A densidade de energia em 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 TEG carrega numerosas outras vantagens, como baixo custo de produção, alta confiabilidade e robustez, e baixo impacto ambiental.

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

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

[012] 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. Isso pode ser usado em sapatos, por exemplo, onde a pressão exercida por um usuário à medida que ele pisa é utilizada para colocar as placas em contato. 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. A energia coletada pode, por exemplo, ser usada para carregar dispositivos portáteis móveis.

[013] Um segundo modo de operação é um modo deslizante linear, sendo que as placas são induzidas a deslizar lateralmente uma em relação à outra, a fim de alterar a área de sobreposição entre elas. Uma diferença de potencial é induzida através das placas, tendo uma magnitude instantânea em proporção à taxa de alteração do total da área de sobreposição. 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.

[014] 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.

[015] Um terceiro modo de operação é um modo de eletrodo único no qual uma superfície é, por exemplo, aterrada - por exemplo, uma estrada de piso - e uma carga é conectada entre essa primeira superfície e o solo (consulte, por exemplo, “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.

[016] 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 de passagem, trem de passagem ou um sapato, por exemplo (novamente, consulte “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).

[017] Um subconjunto específico de TEGs de modo de deslizamento linear são TEGs de disco giratório 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 TEGs de disco giratório geralmente consistem em, 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.

[018] As limitações das versões anteriores de TEGs 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 giratória e estacionária exigem a deposição de eletrodos de metal e conexão com condutores elétricos, o que leva a uma operação inconveniente da parte giratória. Além disso, o contato íntimo é obrigatório para se obter uma geração eficiente de eletricidade, o que resulta em um possível desgaste do material, partículas de desgaste, instabilidade da saída e vida geralmente limitada do TEG.

[019] Um TEG de disco com ambos os grupos de eletrodos padronizados fixados sobre um disco estacionário, juntamente com uma camada triboelétrica de sustentação independente sobre um disco giratório, 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.

[020] 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.

[021] Embora o TEG se mostre promissor, ele tem desafios quando a potência de saída do TEG precisa ser convertida em níveis de tensão e corrente para aplicações práticas que incluem componentes eletrônicos, como microcontroladores. Nesses baixos níveis de potência produzidos pelo TEG, é fundamental ter um estágio de conversão de potência eficiente.

[022] Um estágio de conversão de potência é necessário para converter a tensão do TEG na faixa de algumas centenas de volts para uma baixa tensão, como abaixo de 10 V. A conversão desses baixos níveis de potência por meio de uma fonte de alimentação de modo chaveado (SMPS, de “switched-mode power supply”) não é realmente prática, já que é necessário um alto valor de indutância. Além disso, a corrente de alimentação necessária para o controlador está geralmente na mesma faixa que a gerada pelo TEG. Nesse caso, uma fonte de alimentação externa seria tipicamente necessária para alimentar o conversor de SMPS. Esta situação é, conforme esperado, não desejável, uma vez que o consumo de energia do conversor seria da mesma ordem de magnitude que a energia gerada pelo TEG, o que levaria a uma baixa eficiência de conversão de potência do sistema.

[023] Outra desvantagem do uso de conversores de SMPS em aplicações de TEG é a dificuldade de gerar os sinais de acionamento desses conversores. Os sinais de acionamento de um conversor de SMPS devem, por exemplo, ser sincronizados com o sinal de saída gerado de seu TEG. Como os TEGs podem gerar sinais variáveis rápidos ao longo do tempo, essa sincronização não é direta.

[024] Conversores de capacitor chaveados podem, por exemplo, ser implementados como conversores de potência. Embora esses conversores não exijam nenhuma indutância, seus sinais de acionamento ainda precisam ser sincronizados corretamente com o sinal gerado pelos TEGs. Essa sincronização - que também é importante para outros aspectos, como retroinformação para controlar a saída de potência ou para a funcionalidade de detecção - não é direta.

[025] SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[026] A invenção é definida pelas reivindicações.

[027] Os Exemplos de acordo com um aspecto da invenção fornecem:

[028] um gerador de energia para gerar energia elétrica em resposta à atuação mecânica;

[029] um conversor de potência de capacitor chaveado para converter a potência da saída do gerador de energia, sendo que o conversor de capacitor chaveado compreende um banco de capacitores e uma disposição de chave; e

[030] um controlador para controlar a disposição de chave, sendo que o controlador é adaptado para controlar as chaves com base em um sinal de retroinformação proveniente do gerador de energia.

[031] Dessa forma, o gerador de energia cria um sinal de retroinformação que é, então, usado para controlar um conversor de capacitor chaveado para converter a tensão de entrada, por exemplo, para reduzir a tensão de entrada, sem perdas significativas de potência. Observa-se, entretanto, que essa autossincronização será vantajosa para outros sistemas onde, por exemplo, retroinformação, detecção e comunicação precisam ser executadas de modo mais eficiente. Pode haver um conjunto de sinais de retroinformação.

[032] O sinal de retroinformação é, de preferência, gerado diretamente em resposta ao movimento. Isso significa que o sinal de retroinformação não é gerado com base no processamento de sinal da tensão ou potência de saída e, portanto, não exige consumo de energia significativo para gerar o sinal de retroinformação.

[033] O gerador de energia pode compreender um gerador de energia triboelétrico (TEG). A título de exemplo, os padrões adicionais das partes móveis do TEG (estator e/ou rotor) podem ser usados para geração do sinal de controle de retroinformação para o conversor de capacitor chaveado. Portanto, não há necessidade de detectar e sincronizar com a fonte da energia gerada ou da tensão gerada.

[034] O gerador de energia pode compreender um dispositivo de acoplamento de carga, como um fotodiodo, para gerar o sinal de retroinformação. A geração de carga pela geração de energia é, portanto, usada para criar o sinal de retroinformação diretamente.

[035] O gerador de energia pode compreender um gerador de sinal para gerar o sinal de retroinformação em resposta a um movimento mecânico de uma parte do gerador de energia. O movimento de partes do gerador é, dessa forma, usado para criar diretamente o sinal de retroinformação. Nesse caso, o gerador de energia pode, por exemplo, compreender um dispositivo de acoplamento de carga mecânica, como um dispositivo piezoelétrico ou piroelétrico.

[036] O gerador de energia pode compreender um gerador de sinal para gerar o sinal de retroinformação em resposta ao acoplamento magnético detectado por um sensor.

[037] Em um conjunto de exemplos, o gerador de energia compreende um gerador de energia triboelétrico de disco giratório que compreende um rotor e um estator, sendo que um padrão de rotor e/ou estator é fornecido para gerar o sinal de retroinformação.

[038] Isso não requer hardware ou circuito adicional para gerar o sinal de retroinformação necessário.

[039] O rotor ou estator pode, por exemplo, compreender um anel de eletrodos de geração, cada um compreendendo um segmento radial, com os diferentes segmentos isolados um do outro, e um conjunto de eletrodos de controle de geração de carga para gerar o sinal de retroinformação.

[040] Em um exemplo, os eletrodos de controle de geração de carga são posicionados ao redor da periferia dos eletrodos de geração.

[041] Em outro exemplo, os eletrodos de controle de geração de carga são posicionados entre segmentos radiais adjacentes.

[042] Exemplos de acordo com outro aspecto da invenção fornecem um método de conversão ou geração de energia que compreende:

[043] gerar energia elétrica com o uso de um gerador de energia em resposta à atuação mecânica;

[044] implementar a conversão de potência da saída do gerador de energia, com o uso de um conversor de potência de capacitor chaveado que compreende um banco de capacitores e uma disposição de chaves; e

[045] controlar a disposição de chaves com base em um sinal de retroinformação proveniente do gerador de energia.

[046] O sinal de retroinformação pode, por exemplo, ser gerado diretamente em resposta ao movimento. Isso evita a necessidade de circuitos complexos para controlar o conversor de potência do capacitor chaveado.

[047] O sinal de retroinformação pode ser gerado com o uso de:

[048] um dispositivo de acoplamento de carga, como um fotodiodo; ou

[049] um gerador de sinal que gera um sinal em resposta a um movimento mecânico de uma parte do gerador de energia;

[050] um sensor para detectar um acoplamento magnético; ou

[051] um rotor e/ou um padrão de estator de um gerador de energia triboelétrico de disco giratório.

[052] O sinal de retroinformação pode ser gerado com o uso de um padrão de rotor e/ou estator de um gerador de energia triboelétrico de disco giratório em que o rotor ou estator compreende um anel de eletrodos de geração, cada qual compreendendo um segmento radial, com os diferentes segmentos isolados um do outro, e um conjunto de eletrodos de controle de geração de carga para gerar o sinal de retroinformação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

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

[054] a Figura 1 mostra um sistema que inclui um gerador de energia triboelétrico e um conversor de potência de capacitor chaveado;

[055] a Figura 2 mostra a entrada e saída do conversor de potência de capacitor chaveado da Figura 1;

[056] a Figura 3 mostra um design de rotor ou estator conhecido para um gerador de energia triboelétrico;

[057] a Figura 4 mostra um primeiro exemplo de design de rotor ou estator para um gerador de energia triboelétrico;

[058] a Figura 5 mostra um segundo exemplo de design de rotor ou estator para um gerador de energia triboelétrico;

[059] a Figura 6 mostra um gerador de energia triboelétrico de disco giratório, com um circuito de controle de potência; e

[060] a Figura 7 mostra um gerador de energia triboelétrico de modo de passo, com temporização automática de um conversor de potência de capacitor chaveado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

[061] A invenção fornece um sistema que compreende um gerador de energia para gerar energia elétrica e um conversor de capacitor chaveado para reduzir a tensão de saída do gerador de energia. O conversor de capacitor chaveado compreende um banco de capacitores e uma disposição de chaves. Um controlador é usado para controlar as chaves, com base em um sinal de retroinformação proveniente do gerador de energia. Isso fornece controle automático do conversor de capacitor chaveado, simplificando assim o circuito de controle geral e otimizando a eficiência.

[062] Conforme mencionado acima, um conversor de potência de capacitor chaveado é de interesse para aplicações de coleta de energia. A conversão de em série para paralela com o uso de um banco chaveado de capacitores fornece uma maneira de reduzir eficientemente uma alta tensão de saída, por exemplo, da saída de uma aplicação de coleta de energia, como um gerador triboelétrico.

[063] A Figura 1 mostra um circuito conversor de capacitor chaveado 10 para fornecer potência a uma carga 12. Um gerador triboelétrico 14 fornece a potência de entrada, que é retificada por um retificador em ponte completa 16 e alisada por um capacitor compensador 18 antes de ser fornecida como entrada para o circuito capacitor de conversor chaveado 10.

[064] O gerador triboelétrico 14 é de design conhecido e, por exemplo, gera uma forma de onda de tensão alternada com uma magnitude que depende da resistência do movimento. Um gerador triboelétrico é caracterizado pelo fato de que a carga relativa entre o primeiro e o segundo conjuntos de elementos geradores é estabelecida e mantida por meio de períodos intermitentes de contato físico, durante o qual a carga recíproca é construída nos elementos de cada conjunto (um processo de tribocarregamento). Os elementos geradores são compostos por materiais que são ativos de modo triboelétrico (que fazem parte da “série triboelétrica”).

[065] O estator pode compreender uma série de eletrodos dispostos (condutivos), enquanto o rotor compreende uma camada de sustentação independente de material dielétrico, que pode ser metálica ou não metálica. Além disso (conforme discutido 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 giratória, o que melhora drasticamente o aparato operacional do gerador. É claro que os designs do rotor e estator podem ser invertidos.

[066] Alternativamente, tanto o rotor como o estator podem ter disposições de eletrodo.

[067] A Figura 1 mostra um retificador em ponte completa, mas em outros exemplos, um retificador de meia ponte pode ser usado ou, alternativamente, o gerador 1 pode fornecer uma saída CC. Vários designs de gerador triboelétrico são discutidos acima.

[068] O circuito capacitor chaveado 10 compreende uma conexão em série de quatro capacitores C1 a C4 com um diodo D1, D2, D3 entre cada par adjacente. A cadeia em série se estende entre uma linha de sinal alta 20 e uma linha de sinal baixa 22. A linha de sinal alta 20 se conecta ao terminal superior do capacitor compensador 18 e ao terminal superior da carga 12. A linha de sinal baixa 22 é conectada ao terminal inferior do capacitor compensador através de uma primeira chave S1.

[069] É fornecido um primeiro conjunto de chaves S2, S3, S4, com cada chave através de um diodo e o capacitor seguinte na cadeia em série. Um segundo conjunto de chaves S5, S6, S7 é fornecido, com cada chave através de um capacitor e o diodo seguinte. Dessa forma, as chaves do primeiro e do segundo conjuntos são escalonadas. O primeiro conjunto de chaves S2, S3, S4 permite que todos os terminais inferiores do capacitor sejam conectados uns aos outros, e o segundo conjunto de chaves S5, S6, S7 permite que todos os terminais superiores do capacitor sejam conectados uns aos outros.

[070] Uma chave de saída S8 está entre a linha de sinal baixa 22 e um terminal inferior da carga 12.

[071] Quando a tensão máxima é alcançada através do capacitor compensador 18, a primeira chave S1 é fechada (condução) e as chaves S2, S3, S4, S5, S6, S7 e S8 são abertas (não condução). A carga é, dessa forma, isolada do circuito de capacitor chaveado 10.

[072] Durante um curto período de tempo, os capacitores C1, C2, C3 e C4 tornam-se carregados em série.

[073] Uma vez que os capacitores são carregados, a chave S1 abre (modo de não condução), de modo que o circuito de capacitor chaveado 10 seja isolado da entrada.

[074] Os comutadores de ambos os conjuntos S2, S3, S4, S5, S6 e S7 são, então, fechados (condução), resultando em uma configuração paralela dos capacitores C1, C2, C3 e C4.

[075] Como resultado, a tensão de entrada foi dividida por um fator de quatro, que é igual ao número de capacitores, enquanto a carga multiplicada por um fator de quatro também é igual à capacitância paralela total de C1, C2, C3 e C4.

[076] Pouco tempo depois, a chave S8 é fechada (modo de condução). Os capacitores C1, C2, C3 e C4 fornecem a descarga para o capacitor de saída definido pela carga 12, que serve como o capacitor de saída do conversor de capacitor chaveado. Pode haver um capacitor de saída como parte do conversor de capacitor chaveado, ou pode apenas fazer parte da carga acionada. É claro que é possível obter uma razão mais alta de conversão mediante o aumento do número de capacitores e chaves.

[077] A Figura 2 mostra os resultados da simulação para o circuito de conversão de potência da Figura 1. A plotagem 30 mostra a tensão de saída do gerador triboelétrico 14 e a plotagem 32 mostra a tensão de saída fornecida à carga.

[078] A topologia do conversor de capacitor chaveado geral é bem conhecida. Outras implementações de circuito específico também são bem conhecidas.

[079] Esta invenção refere-se à geração dos sinais de controle para controlar as chaves como uma função da tensão gerada pelo TEG.

[080] As chaves devem ser chaveadas do modo em série para o modo paralelo quando os capacitores tiverem carregado completamente. Esta é uma função da corrente fornecida pelo gerador de energia. Dessa forma, um sinal do gerador de energia que é indicativo da corrente usada pode formar a base do controle para as chaves. Entretanto, em vez de confiar na análise detalhada de sinal, um sinal que é derivado diretamente do movimento associado ao gerador de energia pode ser usado, como uma frequência de rotação ou um período de um movimento mecânico pulsado.

[081] Um primeiro exemplo será descrito para um disco giratório TEG. O TEG tem um rotor e um estator que têm superfícies voltadas umas para as outras. A Figura 3 mostra um padrão para os elementos do disco de rotor e/ou estator, sob a forma de porções de superfície que formam regiões do setor 38 circunferencialmente separadas do elemento de disco 36. O padrão específico mostrado é apenas para ilustração e deve-se compreender que o espaçamento, a disposição ou a configuração das regiões do setor 38 podem ser diferentes.

[082] À medida que o rotor gira, a rotação relativa das porções de superfície 38 do rotor e porções correspondentes do estator geram uma corrente de saída.

[083] Conforme discutido anteriormente, um disco giratório TEG é um subconjunto específico de TEGs de modo deslizante lineares nos quais a potência é gerada através da sobreposição sucessiva e, então, a separação de setores de círculo espaçados de material triboeletricamente ativo formado em superfícies opostas de elementos de disco mutuamente giratórios. Conforme descrito acima, uma carga pode ser induzida entre duas camadas - com 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, então (na presença de uma carga), 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. O resultado é uma corrente alternada que tem uma amplitude de pico que está relacionada, entre outros, à área superficial e composição de material das porções de superfície triboelétricas, e tendo uma frequência que está relacionada, entre outros, à velocidade relativa de rotação entre os discos e ao espaçamento ou passo relativo do padrão de porções de superfície triboelétricas.

[084] Um primeiro exemplo do sistema da invenção faz uso de um padrão modificado para o rotor e/ou estator conforme mostrado na Figura 4.

[085] O mesmo padrão de regiões de gerador 38 é mostrado, com eletrodos de controle adicionais 40a, 40b, 40c em torno da periferia externa das regiões de gerador 38. Os eletrodos de controle são projetados de modo que o padrão de chaveamento para o conversor de capacitor chaveado 10 seja sincronizado com a tensão de saída do TEG. Isso significa que há geração automática de um sinal de controle sincronizado, com base no posicionamento ótimo dos eletrodos de controle em relação aos eletrodos de geração de energia. Dessa forma, a conversão de potência pode ser otimizada sem a necessidade de um circuito de detecção e controle especial.

[086] Há diferentes eletrodos de controle, com três conjuntos no exemplo mostrado, de modo que diferentes chaves possam ser controladas independentemente. Por exemplo, a disposição da Figura 4 possibilita que três sinais de controle de chaveamento diferentes sejam gerados. Eles podem ter sincronizações diferentes, mas a mesma frequência, ou podem ainda ter frequências diferentes, por exemplo, tendo números diferentes de eletrodos em um conjunto em comparação com outro, ou com tamanhos diferentes de eletrodos de controle.

[087] Em um conjunto de exemplos, as chaves S1 a S8 que são usadas no conversor de capacitor chaveado são eletricamente controladas em resposta a um nível de carga, de modo que os dispositivos controlados de carga possam ser usados.

[088] Quando uma carga limite adequada é acumulada, o chaveamento ocorre. Por exemplo, um transistor pode ser conectado à chave quando uma carga suficiente é acumulada na porta. Por exemplo, a carga gerada pelos eletrodos de controle pode ser usada diretamente para controlar as chaves do transistor MOSFET. A carga é acumulada a uma taxa dependente da taxa de rotação. As chaves são tipicamente transistores, embora outras chaves de carga controlada possam ser usadas, como chaves MEMS.

[089] A carga fornecida aos dispositivos de chaveamento pode ser gerada por várias abordagens diferentes.

[090] O exemplo da Figura 4 tem como base padrões adicionais de rotor e/ou estator no TEG. Esses funcionam como geradores em miniatura, gerando apenas carga suficiente para controlar as chaves de uma forma automatizada. Entretanto, outras abordagens são possíveis para gerar o sinal de controle desejado.

[091] Uma primeira abordagem alternativa é usar um dispositivo acoplado de carga, como um fotodiodo. Isso pode ser usado para gerar uma saída óptica. As chaves S1 a S8 são, então, sensíveis à luz, por exemplo, implementadas como fototransistores. Nesse caso, o rotor e/ou o estator podem usar o bloqueio de luz e os segmentos de passagem de luz para fornecer luz pulsada aos fototransistores, de modo que a carga seja novamente acumulada nos fototransistores dependendo da rotação física do TEG. Alternativamente, os fotodiodos podem gerar uma saída de luz pulsada diretamente em resposta à rotação do TEG.

[092] Uma segunda abordagem alternativa é fazer uso do movimento mecânico de uma parte do TEG, por exemplo, no caso de um dispositivo de modo de rosqueamento. Nesse caso, um dispositivo acoplado de carga mecânico, como um dispositivo piezoelétrico ou dispositivo piroelétrico, é usado para gerar carga em resposta ao movimento periódico. Novamente, a taxa de geração de carga é uma função da taxa de alteração da entrada mecânica que aciona o gerador de energia. Por exemplo, um material piezoelétrico poderia ser implementado em um lado de um modo de rosqueamento de TEG. Cada contato de tempo é feito entre as duas partes do TEG, o material piezelétrico irá gerar um sinal elétrico. Esse sinal pode ser usado como um sinal de controle.

[093] Uma terceira abordagem alternativa é usar uma disposição magneticamente acoplada, como um ímã permanente e um dispositivo de detecção magnética, como uma bobina ou um sensor resistente a ímã. Se um ímã permanente pequeno é, por exemplo, colocado no rotor e um dispositivo de detecção magnético correspondente é colocado no estator, esse dispositivo de detecção gerará um sinal de controle sempre que o ímã passar acima dele.

[094] A Figura 5 mostra uma configuração alternativa (para o rotor, por exemplo) onde um eletrodo de controle 50 é colocado entre cada par de eletrodos de potência 38. Os eletrodos de controle podem ser conectados um ao outro, formando assim um eletrodo. À medida que o rotor gira em relação ao estator, um sinal de controle é fornecido ao conversor de capacitor chaveado imediatamente antes de um segmento de estator estar prestes a passar sobre um eletrodo de potência.

[095] Dessa forma, o conversor é novamente sincronizado com o sinal de saída do TEG. O número e a posição dos eletrodos de controle 50 podem ser selecionados em conformidade.

[096] Embora os exemplos das Figuras 4 e 5 se relacionem com um dispositivo de TEG giratório, abordagens equivalentes de autossincronização e sincronização podem ser aplicadas favoravelmente aos TEGs de modo deslizante.

[097] A abordagem de autossincronização descrita acima não se limita somente à sincronização do estágio de conversão de potência. Ela também pode ser usada para controlar outros aspectos, como retroinformação para controlar a saída de potência de TEG.

[098] A Figura 6 mostra um diagrama de blocos de uma disposição exemplificadora para esse sistema.

[099] O gerador triboelétrico 14 é novamente mostrado na forma de um TEG de disco giratório, mas os versados na técnica compreenderão que a disposição pode ser igualmente aplicada a outras variedades de gerador triboelétrico (conforme discutido em seções anteriores).

[0100] O gerador tem elementos de gerador sob a forma de um rotor 60 e um estator 62. O rotor 60 do TEG 14 é acoplado de modo operacional com uma saída mecânica de uma disposição de acionamento 64, por exemplo, um motor. A disposição de acionamento mecânico 64 fornece a fonte de entrada de energia cinética ou mecânica, que deve ser convertida em energia elétrica pelo sistema. O sistema é controlado por meio de um controlador 66.

[0101] A disposição de acionamento mecânico 64 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 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.

[0102] De acordo com as modalidades alternativas, como mostrado na Figura 6, a disposição de acionamento mecânico 64 compreende uma fonte interna para o próprio sistema, como, por exemplo, uma unidade de motor. Nesse caso, o sistema pode simplesmente fornecer funcionalidade de conversão de energia.

[0103] Um sinal de controle 70 é fornecido como um sinal de retroinformação, e é o sinal de retroinformação conforme descrito acima.

[0104] O controlador 66 gera um sinal de saída 72 (Vin/Pin) para controlar o motor 64, levando em consideração uma tensão ou potência desejada como entrada para o controlador 66. A potência e/ou tensão de saída do TEG de disco giratório pode, então, ser mantida constante, por exemplo, pelo controle da velocidade de rotação do rotor com base no sinal de saída 72. Uma vez que o sinal de saída do eletrodo de controle de TEG tem uma frequência que é proporcional à velocidade de rotação do rotor, essas informações também podem ser usadas como um sinal de retroinformação para o controlador 66 que controla a velocidade de rotação do rotor, e, dessa forma, a potência de saída do TEG. Em particular, é representativo da tensão e da potência fornecidas pelo TEG.

[0105] Um TEG de modo de rosqueamento é considerado na Figura 7. Nesse caso, uma primeira parte móvel 60a do TEG tipicamente se move para frente e para trás em relação a uma segunda parte estacionária 60b do TEG. O movimento mecânico do TEG pode ser, então, usado como um sinal de acionamento para um conversor de potência usando o ensinamento acima.

[0106] Nessa situação, as chaves MOSFET que são tipicamente implementadas nos conversores de capacitor chaveado podem ser substituídas por chaves MEMS. A porta da chave MEMS pode ser colocada em conexão mecânica com a primeira parte 60a, conforme mostrado pelo acoplamento 80. O conversor de potência é, então, automaticamente sincronizado com o sinal gerado pelo TEG.

[0107] Vários exemplos de gerador triboelétrico foram discutidos acima. Esses geradores têm um modo de contato e um modo sem contato. A invenção pode ser aplicada a outros tipos de geradores de potência.

[0108] Alguns exemplos gerais de disposições de gerador de base triboelétrica incluem geradores triboelétricos de disco giratório, que são um subconjunto de TEGs lineares de modo deslizante. Outro tipo é um dispositivo que opera com 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.

[0109] Outros tipos de gerador de energia incluem geradores de indução ou geradores assíncronos. Estes são geradores elétricos de corrente alternada (CA) conhecidos que usam os princípios de motores de indução eletromagnética para produzir potência. Os geradores de indução operam ligando mecanicamente seus rotores mais rapidamente do que a velocidade síncrona. Os geradores de indução são bem conhecidos em aplicações onde a potência pode ser recuperada com controles relativamente simples.

[0110] Os geradores de indução são frequentemente usados em turbinas eólicas e algumas micro- instalações devido à sua capacidade de produzir energia útil em velocidades de rotor variadas. Os geradores de indução eletromagnética não são, no entanto, geralmente adequados para aplicações de potência muito pequena e de baixo custo, e uma alternativa é a indução eletrostática. Isso possibilita uma estrutura simples e fornece uma alta tensão de saída em velocidades relativamente lentas. Uma área promissora é o uso de indução eletrostática com um eletreto, que é um material dielétrico com uma carga semipermanente.

[0111] Um gerador à base de eletreto cria um fluxo de carga com base na posição do eletreto em relação aos eletrodos de trabalho associados. O eletreto induz uma contracarga nos eletrodos de trabalho, e alterações na posição do eletreto em relação aos eletrodos de trabalho geram um movimento de carga e, portanto, uma corrente de saída.

[0112] A invenção pode ser aplicada a essas várias tecnologias de geração de energia, sempre que for de interesse um conversor de potência de capacitor chaveado.

[0113] 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 (5)

1. SISTEMA, que compreende: um gerador de energia (14) para gerar energia elétrica em resposta à atuação mecânica; um conversor de potência de capacitor chaveado (10) para converter a potência da saída do gerador de energia, sendo que o conversor de capacitor chaveado compreende um banco de capacitores (C1 a C4) e uma disposição de chaves (S1 a S8); e um controlador (66) para controlar a disposição de chaves, sendo que o controlador é adaptado para controlar as chaves a fim de alterar uma configuração do banco de capacitores (C1 a C4) de uma configuração em série de capacitores em uma configuração paralela dos capacitores, com base em um sinal de retroinformação proveniente do gerador de energia, caracterizado pelo gerador de energia (14) compreender um gerador de energia triboelétrico de disco giratório que compreende um rotor e um estator, sendo que um padrão de rotor e/ou estator (40a, 40b, 40c; 50) é fornecido para gerar o sinal de retroinformação.

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo rotor ou estator compreender um anel de eletrodos de geração (38), cada qual compreendendo um segmento radial, com os diferentes segmentos isolados um do outro, e um conjunto de eletrodos de controle de geração de carga (40a, 40b, 40c, 50) para gerar o sinal de retroinformação.

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelos eletrodos de controle de geração de carga (40a, 40b, 40c) serem posicionados ao redor da periferia dos eletrodos de geração.

4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelos eletrodos de controle de geração de carga (50) serem posicionados entre segmentos radiais adjacentes (38).

5. MÉTODO DE GERAÇÃO OU CONVERSÃO DE ENERGIA, que compreende: gerar energia elétrica com o uso de um gerador de energia (14) em resposta à atuação mecânica; implementar a conversão de potência da saída do gerador de energia, com o uso de um conversor de potência de capacitor chaveado (10), o qual compreende um banco de capacitores (C1 a C4) e uma disposição de chaves (S1 a S8); e controlar a disposição de chave para alterar uma configuração do banco de capacitores (C1 a C4) de uma configuração em série de capacitores para uma configuração paralela dos capacitores usando um sinal de retroinformação proveniente do gerador de energia, caracterizado pelo sinal de retroinformação ser gerado com o uso de um padrão de rotor e/ou estator de um gerador de energia triboelétrico de disco giratório, no qual o rotor ou estator compreende um anel de eletrodos de geração, cada qual compreendendo um segmento radial, com os diferentes segmentos isolados um do outro, e um conjunto de eletrodos de controle de geração de carga para gerar o sinal de retroinformação.

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