BRPI0914421B1

BRPI0914421B1 - Circuito e método para extração de energia direta de um feixe de partícula carregada

Info

Publication number: BRPI0914421B1
Application number: BRPI0914421-8A
Authority: BR
Inventors: Keyue Smedley; Frank Wessel; Mingying Gu; In Wha Jeong
Original assignee: The Regents Of The University Of California
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2019-05-07
Also published as: AU2009261947B2; IL210101A; KR20110023896A; US9343189B2; MY159421A; BRPI0914421A2; IL210101A0; CN102265498A; KR101490302B1; EP2297841A2; AU2009261947A1; MX2011000031A; EP2297841A4; JP2011527084A; JP5809558B2; CN102265498B; WO2009158720A2; PE20110472A1; US9929667B2; JP2014212129A

Abstract

circuito e método para extração de energia direta de um feixe de partícula carregada é fornecido no presente documento um dispositivo de circuito de extração de energia de fusão (feec) que tem um componente bidirecional fixado 5 à rede e um conversor ressonante. o conversor ressonante pode incluir um conversor ciclotron inverso com duas ou mais ou placas quádruplas e uma pluralidade de comutadores de circuito. o conversor bidirecional converter pode incluir um conversor trifásico fixado à rede. o dispositivo feec é capaz de desacelerar feixes de partícula de plasma, extraindo assim a energia da desacele10 ração, converter a energia extraída em energia elétrica e enviar a energia elétrica para uma rede de energia.

Description

Diretora de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados “CIRCUITO E MÉTODO PARA EXTRAÇÃO DE ENERGIA DIRETA DE UM FEIXE

DE PARTÍCULA CARREGADA”

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção refere-se geralmente a circuitos elétricos e, mais particularmente, a um circuito elétrico que facilita a extração de energia de partículas carregadas como um resultado de uma reação de fusão controlada e envia a energia para a rede de potência com um fator de fator de potência unitário, fator de potência adiantado ou fator de potência atrasado de acordo com a necessidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A geração de potência de fusão controlada irá abrir a porta para fontes de energia limpa e abundante. Este tópico atraiu esforços de pesquisa significativos nos Estados Unidos e no mundo. As abordagens relatadas são tipicamente baseadas na conversão de energia de fusão em energia térmica e, então, energia elétrica.

Em uma abordagem alternativa descrita na patente US n° 6.611.106 (a patente '106), intitulada Controlled fusion in a field reversed configuration and direct energy conversion, que é incorporada ao presente documento a título de referência, a energia de fusão controlada, realizada por feixes de partícula carregada sob a forma de impulso, pode ser diretamente convertida em eletricidade ao desacelerar as partículas carregadas usando um conversor ciclotron inverso quadrupolo (ICC). Deste modo, a conversão de energia mais alta é esperada. Uma tecnologia principal que é necessária extrai a energia do ICC e injeta a mesma na rede de utilidade.

Consequentemente, pode ser desejável proporcionar um circuito eletrônico de potência usado para desacelerar as partículas de plasma, extrair a energia da ação de desaceleração, converter a energia de plasma diretamente em energia elétrica e enviar a eletricidade para a rede de energia.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

As modalidades de um dispositivo de circuito de extração de energia de fusão (FEEC) descritas no presente documento representam apenas alguns exemplos das muitas implantações possíveis do dispositivo FEEC e não se destinam de modo alguma a limitar o assunto da presente descrição.

Em uma modalidade, o dispositivo FEEC compreende preferencialmente um componente conversor bidirecional fixado à rede e um componente conversor ressonante. O componente conversor bidirecional pode implantar conversores fixados à rede de fator de potência unitário, fase adiantada ou fase atrasada para propósitos diferentes.

O conversor ressonante compreende, de preferência, um conversor ciclotron inverso (ICC), um indutor e uma pluralidade de comutadores de circuito que formam uma ponte que corta a tensão cc em uma forma de onda de pulso. O ICC é preferencialmente configuPetição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 10/24 rado com duas ou mais placas quadrupolos que funcionam como um capacitor junto com um indutor para atuar como um tanque ressonante. As placas são preferencialmente alongadas com um corte transversal arqueado que forma uma câmara cilíndrica anular alongada com aberturas alongadas que se estendem axialmente formadas entre as placas.

Durante a partida do dispositivo FEEC, a energia flui a partir da rede de utilidade através do componente conversor bidirecional fixado à rede até o conversor ressonante. Isto estabelece a ressonância e excita o campo elétrico quadrupolo formado através das aberturas entre as placas. Durante a geração de potência ou extração de energia, as partículas carregadas de feixes de partícula de carga, por exemplo, a partir de um processo de fusão, são desaceleradas pelo campo elétrico quadrupolo à medida que os feixes de partícula se deslocam através do ICC. Também, durante a geração de potência, a energia perdida será coletada pelas placas quadrupolos do ICC sob a forma de uma corrente de imagem. A corrente de imagem irá, então, fluir através do conversor ressonante e do componente conversor bidirecional fixado à rede até a rede de utilidade.

O conversor fixado à rede funciona como um retificador ca/cc durante o tempo de partida e como um inversor fixado à rede cc/ca durante a geração de potência. Em ambos os casos, o conversor fixado à rede irá operar com fator de potência unitário, fator de potência adiantado ou fator de potência atrasado para proporcionar potência ativa e potência reativa (VAR) de acordo com a necessidade.

Para realizar a excitação de campo elétrico e a extração de energia, a frequência e tensão ressonante do conversor ressonante são, de preferência, precisamente controladas. A frequência, neste caso, é fixada ligeiramente acima da frequência ressonante do tanque ressonante, enquanto o controle de tensão pode ser obtido comutando-se a regulação de modulação e realimentação padrão. Dois métodos de modulação, modulação por deslocamento de fase (PSM) e modulação por largura de pulso (PWM), são capazes de fornecer controle de tensão. A regulação por retroalimentação é alcançada ao comparar a tensão ressonante percebida a uma referência, enquanto seu erro é usado para modular a fase ou a largura de pulso dos comutadores no conversor ressonante. Com esta modulação, é garantido o fluxo de energia bidirecional automático de acordo com o modo de operação.

Em uma modalidade alternativa do dispositivo FEEC, o condutor ressonante pode implantar múltiplos indutores de ferrita conectados em série para otimizar a operação do dispositivo FEEC. Os indutores ressonantes conectados em série têm diversas vantagens sobre um único indutor ressonante.

A regulação por retroalimentação é atingida ao comparar a tensão ressonante percebida com uma referência, enquanto seu erro é usado para modular a fase ou a largura de pulso da pluralidade de comutadores no conversor ressonante.

Em outra modalidade exemplificadora, uma malha de controle de retroalimentação

Petição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 11/24 do conversor ressonante pode ser usada para facilitar o fluxo de potência bidirecional automático. A malha de controle de retroalimentação é composta por um circuito de percepção de tensão ressonante, um compensador de erro, e um gerador de pulso de PSM ou de

PWM.

Outros sistemas, métodos, recursos e vantagens da invenção serão ou se tornarão evidentes a um elemento versado na técnica após exame das seguintes figuras e da descrição detalhada. Pretende-se que todos os sistemas, métodos, recursos e vantagens adicionais incluídas nesta descrição se situem no escopo da invenção e sejam protegidos pelas reivindicações em anexo. Conforme mencionado acima, também se pretende que a invenção não se limite aos detalhes das modalidades exemplificadoras.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Os detalhes da invenção, incluindo fabricação, estrutura e operação, podem ser adquiridos, em parte, através do estudo das figuras em anexo, nas quais as referências numéricas iguais se referem às partes iguais. Os componentes nas figuras não se encontram necessariamente em escala, ao invés disso, a ênfase é colocada após ilustrar os princípios da invenção. Além disso, todas as ilustrações se destinam a transmitir conceitos, onde as dimensões relativas, formatos e outros atributos detalhados podem ser esquematicamente ilustrados ao invés de precisa ou literariamente.

A Figura 1 é uma vista esquemática de um circuito de extração de energia de fusão (FEEC).

A Figura 2 é uma vista esquemática de um circuito de conversor ressonante com uma fonte de corrente de imagem equivalente.

A Figura 3 é um gráfico que mostra um diagrama de Bode do tanque ressonante paralelo.

A Figura 4 é um gráfico que mostra uma ilustração do método de Modulação por Largura de Pulso.

A Figura 5 é um gráfico que mostra um mecanismo de geração de Modulação por Largura de Pulso.

[021] Figura 6 é um gráfico que fornece uma ilustração de Modulação por deslocamento de fase.

A Figura 7 é uma vista esquemática de um circuito de geração de Modulação por Deslocamento de Fase.

A Figura 8 é uma vista esquemática de uma malha de retroalimentação do circuito de extração de energia de fusão.

A Figura 9 é uma vista esquemática de um circuito de percepção de tensão ressonante.

A Figura 10 é um gráfico que retrata um resultado de simulação para a forma de

Petição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 12/24 onda dinâmica do fluxo de potência que responde à injeção de feixe de partícula.

A Figura 11 é um gráfico que retrata resultados experimentais da tensão ressonante no capacitor (emulando as placas quádruplas).

DESCRIÇÃO DETALHADA

Os sistemas e métodos descritos no presente documento estão direcionados para uma extração direta de energia de fusão.

A Figura 1 é um diagrama de bloco de retrata uma modalidade preferencial do dispositivo de circuito de extração de energia de fusão (FEEC) 100. O dispositivo FEEC 100 é composto de um componente conversor bidirecional fixado à rede 110 e um conversor ressonante 120. Em uma modalidade preferencial do dispositivo FEEC 100 na Figura 1, o componente conversor bidirecional 110 implanta um conversor trifásico fixado à rede 1 12. No entanto, observa-se que o componente conversor bidirecional 110 pode implantar conversores fixados à rede de fase de fator diferente para diferentes finalidades. Por exemplo, um conversor fixado à rede de fase única (não mostrado) pode ser implantado para aplicações de potência inferior. Em uma modalidade preferencial do dispositivo FEEC 100, o conversor ressonante 120 compreende um ciclotron inverso (ICC) 122 e uma pluralidade de comutadores S1 a S4. O ICC 122, que está descrito e maiores detalhes na '106 patente (que está incorporada ao presente documento a título de referência), está, de preferência, configurada com uma pluralidade de placas 124 mostrada neste exemplo em uma configuração de quadrupolo. As placas quadrupolos 124 da ICC 122 funcionam como um capacitor e, juntamente com um indutor L, formam um tanque ressonante 130, que será descrito em maiores detalhes abaixo. As placas 124 são, de preferência, alongadas com uma seção transversal arcada formando uma câmara cilíndrica anular alongada com aberturas alongadas que se estendem axialmente formadas entre as placas. Quando é aplicada a corrente à placa, é formado um campo elétrico multipolo ao longo dos intervalos entre as placas.

Durante a inicialização do dispositivo, a energia flui da rede de utilidade 1 14 através do componente conversor bidirecional fixado à rede 110 para o conversor ressonante 120 para estabelecer a excitar o campo elétrico quadrupolo do conversor ressonante 120. Durante extração de energia/geração de potência, os feixes de partículas carregadas de, como, por exemplo, um processo de fusão, percorrem através do ICC 122 e desacelerados pelo campo elétrico quadrupolo formado ao longo dos intervalos entre as placas 124 do ICC 122. Também durante geração/extração, a perda de energia será coletada pelas placas quadrupolos 122 na forma de corrente de imagem is. A corrente de imagem irá, então, fluir através do conversor ressonante 120 e o componente conversor bidirecional fixado à rede 110 para a rede 114. O conversor fixado à rede 110 funciona como um retificador ca/cc durante o instante de inicialização e como um componente inversor fixado à rede cc/ca durante tempo de geração. Em ambos os casos, o conversor fixado à rede 110 irá operar com fator

Petição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 13/24 de potência unitário, fator de potência adiantado ou fator de potência atrasado para fornecer potência ativa e potência reativa (VAR) de acordo com a necessidade.

A fim de que o conversor ressonante 120 realize excitação de campo elétrico e extração de energia, é preferível que a frequência e tensão ressonante sejam precisamente controladas. A frequência, neste caso, é fixa levemente acima da frequência ressonante do tanque ressonante 130 para assegurar leve comutação de tensão zero, enquanto o controle de tensão pode ser alcançado ao comutar a modulação padrão e a regulação por retroalimentação. São examinados abaixo dois métodos de modulação, modulação por deslocamento de fase (PSM) e modulação por largura de pulso (PWM). Ambos são capazes para a tarefa de controle de tensão; no entanto, o método de PSM rende uma faixa mais ampla de operação para manobra dinâmica. A regulação por retroalimentação é alcançada ao comparar a tensão ressonante percebida com uma referência, enquanto seu erro é usado para modular a fase ou a largura de pulso dos comutadores S1-S4 no conversor ressonante 120. Com esta modulação, é garantido o fluxo de energia bidirecional automático de acordo com o modo de operação.

A Figura 2 é um diagrama esquemático que relata uma modalidade exemplificadora do conversor ressonante 120, onde a tensão cc Vd_C é fornecida pelo componente bidirecional fixado à rede 110 (Vd_C também é ilustrada na Figura 1). No presente documento, o conversor ressonante 120 inclui uma pluralidade de comutadores S1, S2, S3 e S4. Os comutadores S1, S2, S3 e S4 formam uma ponte que corta a tensão cc Vd_C para uma forma de onda de pulso Vab ao longo de AB a uma frequência de comutação f_s, que é muito mais elevada que a frequência da rede de energia 114. Um capacitor C representa as placas quadrupolos 124 do ICC 122. Conforme indicado acima, o capacitor Ceo indutor L formam o tanque ressonante 130. Apenas o necessário de fundamental de Vab irá atravessar o tanque ressonante 130, onde o mesmo ganha H(s) e irá aparecer ao longo das placas quadrupolos 122 como uma forma de onda sinusoidal v_s A fonte de corrente i_s representa a corrente de imagem corrigida quando as partículas carregadas são desaceleradas e o resistor R_c representa as perdas de calor e de radiação das partículas carregadas.

O ganho H(s) do tanque ressonante é:

>/. + — /'/ A\ s²LC+ x — + 1

Portanto, a magnitude (ganho de tensão) é:

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I (2)

A frequência de amplitude máxima é co_m na qual a tensão de saída tem o valor máximo:

(U

JK

Para o dispositivo FEEC 100, R_c é tipicamente muito grande, deste modo:

A Figura 3 ilustra um diagrama de Bode do tanque ressonante paralelo 130. O ganho máximo aparece aproximadamente na frequência ressonante cor. Outro parâmetro importante para o circuito ressonante é o Fator de Qualidade Q:

onde RO é a impedância característica do tanque ressonante 130:

(6)

Portanto:

Γ)

V c

A partir da equação (7), observa-se que um R_c maior resulta em um Q mais elevado 10 e uma inclinação escarpada de mudança no ganho de tensão fora da ressonância.

Conforme mencionado acima, o controle de tensão de saída do conversor ressonante 120 pode ser alcançado ao comutar a modulação padrão e a regulação por retroalimentação. Tanto a modulação por deslocamento de fase (PSM) quanto a modulação por largura de pulso (PWM) são capazes para a tarefa de controle de tensão.

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Modulação por Largura de Pulso (PWM): com PWM, as larguras de pulso dos comutadores S1 , S2, S3 e S4 nas duas pernas são ajustadas. A diferença de tensão resultante está em um formato de escadaria cujo componente fundamental é ajustável pela largura de pulso.

A Figura 4 mostra a forma de onda de pulso do disparador para todos os comutadores S1, S2, S3 e S4 ilustrada na Figura 2. O tempo de inicialização dos comutadores Si e S2 é ajustado entre 0 a 50%. Os comutadores S4 e S3 são complementares aos comutadores Si e S2, respectivamente. A Figura 4 também ilustra a forma de onda de pulso de tensão nos nodos A(va) θ B(vb) da modalidade de circuito ilustrada na Figura 2.

O fundamental da tensão de ponte Vab (conforme ilustrado na Figura 4) está expresso como segue:

D<0.5

Os sinais do disparador apropriados para todos os comutadores podem ser realizados através de um circuito simples e frequentemente usado.

Conforme descrito na Figura 5, duas ondas dente de serra 151 e 152, cujo deslocamento de fase é igual Ts/2, são comparadas com o mesmo sinal de controle Vc. A razão de trabalho D igual à porção de tempo quando Vc for maior que a magnitude do dente de serra. Os dois pulsos resultantes são usados para disparar os comutadores MOSFET Si e S2, respectivamente. Conforme mencionado acima, os comutadores S4 e S3 são acionados pelos sinais complementares dos comutadores S1 e S2, respectivamente. Observou-se que a razão de trabalho D pode variar apenas entre 0 a 50%. Em uma modalidade preferencial, o conversor ressonante 120 está configurado com comutadores MOSFET S1 a S4. Observa-se que o conversor ressonante 120 pode ser configurado com uma variedade de comutadores de circuito que poderíam alcançar o mesmo resultado.

Modulação por Deslocamento de Fase (PSM): No método de PSM, a tensão de saída do conversor ressonante 120 é regulada através do ajuste da diferença de fase entre os pulsos do disparador para os comutadores das duas pernas. A Figura 6 ilustra as formas de onda de PSM típicas da rede de comutação, em que b α é o deslocamento de fase entre a perna A e B. Observou-se que a largura de pulso dos comutadores não altera. Enquanto α altera, a largura de pulso da tensão de ponte vab altera. Consequentemente, o componente fundamental altera e a tensão ressoante vs é regulada. O fundamental da tensão de ponte VAB é a função de a:

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É evidente que o deslocamento de fase α pode controlar a amplitude de Vab

A Figura 7 ilustra uma modalidade exemplificadora de um circuito capaz de implantar um deslocamento de fase ajustável entre va e vb. Observou-se que outras modalidades de circuito podem alcançar o mesmo objetivo. Por exemplo, vários circuitos digitais podem ser usados para o propósito de implantação de um deslocamento de fase ajustável. Conforme ilustrado na Figura 7, uma onda dente de serra 170 é usada como um transportador para comparar duas tensões CC - sinais de controle vc e sinal CC fixo vfix. Quando a onda dente de serra 170 é comparada ao sinal de controle vC, a comparação resulta em um valor de deslocamento de fase. Quando a onda dente de serra 170 é comparada ao sinal CC fixo Vfix, a comparação resulta em um sinal de clock para todos os componentes digitais no circuito de controle. A frequência do dente de serra é duas vezes a frequência de comutação que é dividida por 2 após atravessar o circuito biestável do tipo D flip-flop.

Implantação do Indutor Ressonante: em uma modalidade alternativa do dispositivo FEEC 100, o condutor ressonante 120 pode implantar múltiplos b indutores de ferrita conectados em série para otimizar a operação do dispositivo FEEC 100. Os indutores ressonantes conectados em série têm diversas vantagens sobre um indutor ressonante único. Primeiramente, a perda de potência pode ser reduzida devido ao fato de que cada indutor conectado em série pode ser realizado por um núcleo de ferrita de alta freqüência de pequeno tamanho com baixa perda de núcleo e pequena oscilação de fluxo. Em segundo lugar, é possível fazer cada indutor ressonante com uma estrutura de camada única, eliminado a necessidade de isolamento de alta tensão entre as camadas. Mais adicionalmente, também são eliminadas a capacitância parasita e a indução ao acoplamento entre camadas. Estas capacitâncias parasitas e induções ao acoplamento podem ter um grave efeito no circuito ressonante 120 do dispositivo FEEC 100. Em terceiro lugar, A estrutura de camada única pode fornecer uma solução de resfriamento eficaz para os indutores ressonantes sem sobreaquecer as camadas internas. Finalmente, os indutores ressonantes conectados em série podem ser implantados através de núcleos de ferrita de pequeno tamanho, que estão comercialmente disponíveis para aplicações de potência de alta frequência.

Malha de Controle de Retroalimentação: conforme mencionado acima, o controle de tensão de saída do conversor ressonante 120 pode ser alcançado ao comutar a modulação padrão e a regulação por retroalimentação. Os dois métodos de modulação foram descritos detalhadamente acima. A regulação por retroalimentação é alcançada ao comparar a tensão ressonante percebida com uma referência, enquanto seu erro é usado para modular a fase e a largura de pulso dos comutadores S1 a S4 no conversor ressonante 120.

A Figura 8 ilustra uma modalidade exemplificadora de uma malha de controle de retroalimentação 180 do conversor ressonante 120. A malha de controle de retroalimentação

180 do conversor ressonante 120 é um elemento crucial do dispositivo FEEC 100 devido ao

Petição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 17/24 fato de que a mesma facilita o fluxo de potência bidirecional automático. A malha de controle de retroalimentação 180 é composta por um circuito de percepção de tensão ressonante 182, um compensador de erro 184 e o gerador de pulso de PSM ou de PWM 186. Durante o modo de inicialização, A tensão ressonante vS é, inicialmente, zero. Este valor zero da ten5 são ressonante vs resulta em um grande erro e uma elevada saída do compensador 184 e o gerador de pulso de PSM ou de PWM 186 irá produzir, então, uma elevada razão de trabalho ou pequeno deslocamento de fase, respectivamente, para aumentar a tensão ressonante vs.

Durante o modo de geração ou extração, os feixes de partícula carregada irão per10 correr através do ICC 122 e são desaceleradas enquanto os mesmos giram através do campo elétrico quadrupolo formado ao longo dos intervalos entre as placas quadrupolos 124. A energia perdida coletada nas placas quadrupolos 124 será forçada a fluir para o conversor ressonante 120 pela malha de retroalimentação 180.

De modo similar, a malha de retroalimentação 180 do componente bidirecional fixa15 do à rede 110 irá forçar a energia coletada no barramento cc 181 a fluir de volta para a rede de energia.

A Figura 9 ilustra uma modalidade exemplificadora do circuito de percepção de tensão ressonante 182. A entrada v0 da corrente de percepção de tensão ressonante está acoplada ao terminal de saída ressonante vs cujo tensão ressonante modula a corrente de foto20 diodo. A saída da corrente de percepção de tensão ressonante (retroalimentação v0”) está acoplada ao compensador de erro do controlador de PWM ou PsM com isolamento ótico de alta tensão. Portanto, as variações na tensão ressonante podem ser opticamente transferidas como o sinal de retroalimentação para a malha de controle 180.

Os benefícios destes métodos incluem isolamento de alta tensão de baixo custo e simples implantação. Especificamente, o fotoacoplador de entrada de CA com resistores divisores de alta tensão impõe pequeno efeito na operação ressonante já que os resistores divisores de HV têm resistência muito elevada.

Simulação e Experimentos: a Figura 10 ilustra resultados de simulações para várias resistências de partícula. Com o dispositivo de componente conversor FEEC 100, ilustrado 30 na Figura 1, a extração direta de energia de fusão é demonstrada pelo resultado de simulação mostrado Figura 10. Os valores de Idc de corrente de ligação de CC durante o tempo de inicialização e o tempo de geração são ilustrados de forma correspondente à intensidade da injeção de feixe de partícula, que é modelada pela fonte de corrente de imagem L Na Figura 10, as partículas carregadas foram injetadas para o ICC 122 a 300 ps. Quando as partículas 35 carregadas são desaceleradas pelo ICC 122, a energia de fusão é aproximadamente proporcional à corrente de imagem. Nesta simulação, as perdas de radiação e calor são modeladas pelo resistor Rc que é 1 ΜΩ. Durante o tempo de inicialização, o valor de Idc de cor

Petição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 18/24 rente de ligação de CC é 117,5 mA que representa as perdas do circuito. Após a corrente de imagem ser injetada, o valor Idc diminui devido à entrada de energia de fusão. Por exemplo, o valor de Idc de corrente ligação de CC é reduzido a 87.5 mA quando uma corrente de imagem de 3 mA é injetada ao conversor ressonante 120, que é um caso de injeção de 5W. A partir da Figura 10, espera-se que quando a energia de fusão estiver entre 15W e 2OW, o Idc de corrente de ligação de CC alcance zero (ponto de equilíbrio) e seja, então, reduzido ao valor negativo (geração de potência).

O dispositivo FEEC 100 apresentado é capaz de fornecer energia às placas quadrupolos 124 do ICC 122 para iniciar o processo de desaceleração. Quando a corrente de 10 imagem é coletada nas placas quadrupolos 124, a energia será enviada de volta à rede de energia através do componente conversor fixado à rede 110.

A Figura 11 ilustra uma forma de onda experimental medida ao longo do capacitor ressonante C (ilustrado na Figura 2). Neste experimento, o valor do indutor ressonante L é de cerca de 370 μΗ E O valor do capacitor emulado C das placas quadrupolos é 70 pF. O 15 resistor estimado Rc das perdas de radiação e calor é 2ΜΩ e a frequência da corrente de imagem é 1 MHz que é igual à da frequência de comutação do conversor ressonante. Com o controle de malha fechada 180, a tensão de ligação de CC de 126V Vdc do conversor ressonante pode gerar tensão ressonante de 3 kV, 1 MHz durante o tempo de inicialização mostrado na Figura 11.

Os sistemas e métodos fornecidos no presente documento estão descritos apenas para propósitos exemplificadores em relação à extração direta de energia de fusão. No entanto, um elemento versado na técnica prontamente observaria que os sistemas e os métodos fornecidos no presente documento para extração de energia cinética de partículas carregadas poderiam ser usados para a recuperação de energia em aceleradores de íon de 25 alta corrente. Como é de conhecimento para um elemento versado na técnica, os feixes de íon de alta potência dos aceleradores de íon de alta corrente são usados em várias pesquisas acadêmicas e comerciais configuradas na área da ciência e engenharia. Todas estas aplicações são energia intensiva. Atualmente, a maioria da energia é simplesmente desperdiçada. O processo de extração de energia descrito no presente documento fornece um 30 meio de recuperação de tal energia e de redução do consume de energia de tais instalações. Para alcançar isto, o projeto de extração seria simplesmente adicionado à extremidade da linha de feixe após a área alvo.

Um elemento versado na técnica também observaria prontamente que os sistemas e métodos fornecidos no presente documento poderiam ser usados em combinação com 35 outros sistemas para a recuperação e extração de energia. O pedido de publicação PCT

U.S. n° 2006/008251, intitulado Plasma Electric Generation System, que está incorporado ao presente documento a título de referência, se refere a um sistema gerador de energia

Petição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 19/24 usado para fornecer propulsão a plasma de espaço direto. Um elemento versado na técnica prontamente reconhecería que o processo de extração de energia descrito no presente documento facilitaria a recuperação e a extração do feixe de energia de fusão quando a propulsão não é desejada.

Um elemento versado na técnica reconheceria também que o processo para a extração da energia cinética de partículas carregadas poderia ser usado para acentuação da eficácia em aceleradores de feixe neutros. Os feixes de átomo neutro de alta potência de fonte de íon negativo e/ou positivo são usados para diagnósticos ou como fontes de átomos energéticos em configurações acadêmicas e comerciais diferentes. Em todas estas aplica10 ções, as fontes de feixe são caracterizadas pelas restrições eficazes que surgem das seções transversais de troca de carga suficientemente pequenas. Para alcançar feixes de átomo neutro puro, todos os íons residuais, após a neutralização de célula, são defletados e descartados. Esta energia desperdiçada é geralmente a metade da potência de plugue. Os sistemas de extração do tipo descrito no presente documento podem ajudar a recuperar a 15 maioria da energia destes íons “filtrados”.

[061] No relatório descritivo supracitado, a invenção foi descrita com referência às modalidades específicas do mesmo. Tornar-se-á, no entanto, evidente que várias modificações e alterações podem ser feitas ao mesmo sem se distanciar do espírito e do escopo da invenção. Por exemplo, o leitor deve entender que a combinação e ordem específica de 20 ações do processo mostrado nos fluxogramas do processo descritos no presente documento são meramente ilustrativas, salvo se especificado de outro modo, e a invenção pode ser realizada com o uso de ações de processo adicionais ou diferentes, ou um ordenamento ou combinação diferente de ações do processo. Como outro exemplo, cada recurso de uma modalidade pode ser misturado ou ser correspondido com outros recursos mostrados em 25 outras modalidades. Os recursos e processos conhecidos por aqueles versados na técnica podem ser similarmente incorporados se desejado. Adicional e obviamente, os recursos podem ser adicionados ou subtraídos se desejado. Consequentemente, a invenção não deve ser restringida exceto à luz das reivindicações em anexo e seus equivalentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Circuito de extração de energia (100), para extrair energia de um feixe de partículas carregadas, compreendendo:

um conversor bidirecional acoplável a uma rede elétrica (114); e um conversor ressonante (120) que compreende um conversor ciclotron inverso multipolo (122), um indutor (L) e uma pluralidade de comutadores de circuito (S1, S2, S3, S4) eletricamente acoplado ao conversor bidirecional, em que o conversor ciclotron inverso multipolo inclui duas ou mais placas alongadas (124) com seções transversais arcadas formando uma câmara cilíndrica anular alongada com aberturas alongadas que se estendem axialmente formadas entre as duas ou mais placas, em que as duas ou mais placas funcionam como um capacitor (C) que, combinado com o indutor (L), forma um tanque ressonante (130), CARACTERIZADO pelo fato de que a pluralidade de comutadores de circuito (S1, S2, S3, S4) é configurada para formar uma ponte que corta a tensão de corrente direta (dc) em uma forma de onda de pulso, em que o conversor ciclotron inverso multipolo quando a corrente é aplicada às duas ou mais placas alongadas (124), forma um campo elétrico multipolo através das aberturas entre as placas que desaceleram as partículas carregadas dos feixes de partículas carregadas que passam pela câmara cilíndrica para extrair energia elétrica da energia cinética das partículas carregadas, em que a energia elétrica convertida, recebida do conversor bidirecional ligado à rede estabelece a ressonância do conversor cíclotron inverso multipolo.
2. Circuito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o componente bidirecional fixado à rede é configurado para fazer interface com uma tensão de corrente alternada (ca) da rede.
3. Circuito, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o conversor bidirecional fixado à rede é controlado para alcançar o fluxo de potência bidirecional e potência reativa.
4. Circuito, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o conversor ressonante (120) é configurado por um conversor ressonante Meia-Ponte ou ponte-H.
5. Circuito, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o conversor ressonante (120) é regulado por uma malha de controle de retroalimentação (180) que tem um circuito de percepção de tensão ressonante (182), um compensador (184), um gerador de modulação (186), e uma interface para o conversor ressonante (120).
6. Circuito, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o gerador de modulação é um gerador de modulação por largura de pulso.
7. Circuito, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o gerador de modulação é um gerador de modulação por deslocamento de fase.

Petição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 21/24
8. Circuito, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o gerador de modulação ajusta a tensão ressonante do conversor ressonante (120).
9. Circuito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o conversor fixado à rede é configurado para funcionar como um retificador ca/cc durante mo-

5 do de inicialização de operação e como um componente inversor fixado à rede cc/ca durante modo de geração de operação.
10. Circuito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o conversor fixado à rede é configurado para operar com ao menos um dentre fator de potência unitário, fase adiantada ou fase atrasada.

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11. Método para extrair energia de partículas carregadas de feixes de partículas carregadas passando por um conversor ressonante (120) em um sistema que compreende um conversor ressonante (120) e um conversor bidirecional fixado à rede, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de:

receber energia elétrica de uma rede de utilidade através do conversor bidirecional 15 fixado à rede do sistema que compreende um conversor ressonante (120) eletricamente acoplado ao conversor bidirecional fixado à rede acoplável a uma rede de energia elétrica, em que o conversor ressonante (120) compreende um conversor ciclotron inverso multipolo, um indutor (L) e uma pluralidade de comutadores de circuito (S1, S2, S3, S4), em que o conversor ciclotron inverso multipolo inclui duas ou mais placas alongadas (124) com 20 seções transversais arcadas que formam uma câmara cilíndrica anular alongada com aberturas alongadas que se estendem axialmente formadas entre as duas ou mais placas, em que as duas ou mais placas funcionam como um capacitor (C) que, combinado com o indutor (L), forma um tanque ressonante (130), em que a pluralidade de comutadores de circuito (S1, S2, S3, S4) é configurada para formar uma ponte que corta a tensão de corrente direta 25 (dc) em uma forma de onda de pulso, em que o conversor ciclotron inverso multipolo quando a corrente é aplicada às duas ou mais placas alongadas (124), forma um campo elétrico multipolo através das aberturas entre as placas que desaceleram as partículas carregadas dos feixes de partículas carregadas que passam pela câmara cilíndrica;

estabelecer a ressonância do conversor ciclotron inverso multipolo com energia elé30 trica convertida, recebida do conversor bidirecional fixado à rede; e excitar um campo elétrico multipolo ao longo das aberturas das duas ou mais placas.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda as etapas de:

35 receber partículas carregadas no conversor ressonante (120);

desacelerar as partículas carregadas para extrair energia elétrica da energia cinética das partículas carregadas; e

Petição 870190000074, de 02/01/2019, pág. 22/24 coletar energia perdida da desaceleração das partículas carregadas sob a forma de corrente de imagem através das duas ou mais placas alongadas (124).
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda as etapas de:

5 fluir a corrente de imagem através do conversor ressonante (120); e fluir a corrente de imagem de volta para a rede de utilidade através do conversor fixado à rede.
14. Método, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda a etapa de enviar a energia elétrica extraída de volta para a rede de uti-

10 lidade.