PT1425510E

PT1425510E - Aparelho e método para a optimização da transferência de energia produzida por um conversor de energia das ondas

Info

Publication number: PT1425510E
Application number: PT02768448T
Authority: PT
Inventors: Paul Smalser; Joseph R Burns; George W Taylor; Thomas R Welsh
Original assignee: Ocean Power Technologies Inc
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2008-08-22
Also published as: US20020047273A1; US6731019B2; EP1425510B1; CA2458513C; WO2003014560A2; NO328163B1; WO2003014560A3; EP1425510A2; AU2002331009B2; ES2306784T3; NO20040974L; CA2458513A1; NZ531333A; EP1425510A4

Description

DESCRIÇÃO

APARELHO E MÉTODO PARA A OPTIMIZAÇÃO DA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA PRODUZIDA POR UM CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Este Pedido de Patente reivindica a prioridade baseada num Pedido de Patente norte-americana previamente depositada intitulada "APPARATUS AND METHOD FOR OPTIMIZING THE POWER TRANSFER PRODUCED BY A WAVE ENERGY CONVERTER (WEC)"(Aparelho e método para a optimização da transferência de energia produzida por um conversor de energia das ondas (WEC) depositada em 8/6/01 com o número de série S/N 09/922,877.

Esta invenção refere-se à conversão da energia mecânica a partir de fontes de origem natural, como por exemplo a conversão da energia mecânica existente nas ondas da superfície do oceano em energia eléctrica e em particular, à produção e à transferência eficiente desta energia. Vários sistemas de conversores de energia das ondas (WEC) são conhecidos. Por exemplo, faz-se referência ao Pedido de Patente norte-americana S/N 09/379,421 depositada em 21 de Agosto de 1999, intitulada "Wave Energy Converter Utilizing Pressure Differences" (Conversor da energia das ondas que utiliza diferenças de pressão), e ao Pedido de Patente norte-americana S/N 09/922,877, depositada em 6 de Agosto de 2001, intitulada "Apparatus And Method For Optimizing The power Transfer Produced By A Wave Energy Converter (WEC) (Aparelho e método para a optimização da transferência de energia produzida por um conversor de 1/22 energia das ondas (WEC)), tendo as duas sido transferidas ao cessionário da presente invenção. 0 Pedido de Patente norte-americana US-A 4 203 294 (Dl) e a técnica anterior mostram uma armação montada sobre um pistão e um conversor do movimento mecânico em energia eléctrica conectado entre estes de forma a que quando são colocados num corpo de água a energia eléctrica é produzida em resposta às ondas.

Existem numerosos problemas no desenho de um sistema mecânico para aproveitar a energia contida nas ondas do oceano. Particularmente, existe um problema do aproveitamento desta energia eficientemente.

Adicionalmente, há ainda outro problema que é o de converter a energia mecânica em energia eléctrica de uma maneira eficiente. Uma dificuldade significativa para aumentar a eficiência de converter a energia das ondas do oceano em energia eléctrica é devido ao facto de que as ondas variam continuamente em amplitude, frequência e fase em função do tempo.

RESUMO DA INVENÇÃO A invenção do Titular reside em parte no reconhecimento da necessidade de que alguns parâmetros e componentes têm de ser controlados para optimizar a transferência da energia. A invenção do Titular consiste também no reconhecimento de que um sistema mecânico que gere potência pode ser caracterizado como um elemento capacitivo (ou indutivo) efectivo e que um elemento indutivo (ou capacitivo) pode ser adicionado ao sistema para ressonar com a capacitância (indutância) efectiva do sistema mecânico para aumentar a eficiência da transferência de potência. Consequentemente, 2/22 os sistemas que concretizam a invenção incluem elementos indutivos (ou capacitivos) que tendem a causar a ressonância com a capacitância (indutância) efectiva do sistema mecânico que qera a potência para aumentar a eficácia do sistema. A invenção do Titular reside ainda no reconhecimento de que a carga acoplada ao sistema tem um valor óptimo e com o ajustamento da carga a este valor para aumentar a transferência de energia e a eficácia do sistema. A invenção do Titular reside ainda no reconhecimento de que a capacitância (indutância) efectiva de um sistema conversor da energia mecânica varia como uma função da frequência das ondas do oceano. Consequentemente, os sistemas que concretizam a invenção podem incluir um controlador que responde à frequência das ondas do oceano para variar a carga e/ou o valor do elemento indutivo (capacitivo) acoplado ao sistema para ressonar com o conversor mecânico. 0 controlador pode também ser utilizado para variar a carga para garantir que o valor da carga aplicado na sarda de um gerador eléctrico possa ser um valor que varie continuamente, o que assegura a transferência óptima da energia à carga.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Nos desenhos anexos os mesmos caracteres de referência indicam componentes idênticos; e A figura 1 é um esboço de um sistema de um conversor tubular de energia das ondas (WEC) com um pistão colocado no corpo da água para capturar a energia das ondas do 3/22 oceano e que pode ser utilizado para pôr em prática a invenção;

As figuras 2 e 2A são secções transversais dos conversores de energia das ondas que podem ser utilizados para pôr em prática a invenção; A figura 3 é um diagrama esquemático simplificado de um gerador trifásico conduzido por um motor que está no interior do conversor de energia das ondas, para que lhe aplique uma carga óptima de acordo com a invenção; A figura 4 é um diagrama em forma de onda que ilustra a modulação pesada da voltagem de saida do gerador; A figura 5 é um diagrama de blocos simplificado de parte de um sistema que concretiza a invenção; A figura 5A é outro diagrama de blocos de um sistema que concretiza a invenção; A figura 6 é um diagrama esquemático de um circuito rectificador que pode ser utilizado em sistemas que concretizam a invenção; A figura 7 é um diagrama muito simplificado de um elemento indutivo utilizado para ressonar com um conversor de energia mecânica em energia eléctrica que exibe as caracteristicas capacitivas; A figura 8 é um circuito equivalente eléctrico de um sistema que concretiza a invenção; 4/22 A figura 9 é um diagrama de blocos simplificado de um sistema que concretiza a invenção; A figura 9A é outro diagrama de blocos de um sistema que concretiza a invenção; A figura 9B é um diagrama de uma rede indutora adequada para ser utilizada quando a invenção é posta em prática; e A figura 10 é um diagrama de blocos que ilustra como um conversor de energia das ondas (WEC) para ser utilizada quando a invenção é posta em prática pode ser um conversor indutivo (Leff) ou um conversor capacitivo (c EFF ) *

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Para melhor explicar a invenção, primeiro faremos referência aos diagramas simplificados das várias estruturas do conversor da energia das ondas (WEC) mostradas nas figuras 1, 2 e 2A. A figura 1 é um esboço para identificar vários parâmetros dimensionais relevantes de um sistema que pode ser utilizado para pôr em prática a invenção, sendo este colocando num corpo de água.

As figuras 2 e 2A são secções transversais dos conversores de energia das ondas que identificam alguns dos seus elementos chave que são utilizados para pôr em prática a invenção.

Esta invenção ensina e mostra: 5/22 (a) que várias partes de subsistemas mecânicos, hidráulicos, electromecânicos e eléctricos podem ser representadas por um circuito equivalente eléctrico único que pode ser utilizado para também desenvolver o sistema; (b) o desenvolvimento de um modelo matemático para caracterizar um sistema de bóias, e mais particularmente, um conversor de energia das ondas; (c) um método para extrair a energia eléctrica do conversor de energia das ondas e (d) aparelhos e métodos para optimizar a transferência da energia do conversor de energia das ondas a uma carga.

Portanto, em parte a invenção consiste em identificar a relação entre um sistema de bóias gerador de energia e a carga eléctrica no sistema. Para facilitar a ilustração na discussão à continuação, serão feitas referências e suposições as quais especificamente se aplicam a um conversor de energia das ondas com forma cilíndrica (tubular com pistão) do tipo mostrado nas figuras 1, 2 e 2A. No entanto, deverá ser entendido que a invenção é aplicável a outras estruturas utilizadas para converter as forças de origem natural e periódicas em energia eléctrica. 1.0 Equação diferencial do sistema

Com referência às figuras 1, 2 e 2A, a equação diferencial da bóia do conversor de energia das ondas básico é, por equilíbrio de forças, dada por F sin cot = M JV / dt + F (1) IN WC p c 6/22 em que: V é a velocidade do pistão: p é a força diferencial aplicada ao pistão pela onda do oceano;

Mvc é a massa de água no conversor de energia das ondas e é igual ao volume do tubo do conversor da energia das ondas multiplicada pela densidade da água; -Notar que: esta é uma simplificação e que, para ser mais exactos, o termo Mvc deverá incluir a massa de outros componentes como por exemplo a própria massa do tubo e "massa adicionada", é o termo utilizada para estimar a massa de água em movimento à volta do conversor de energia das ondas. Como é utilizado neste caso e nas reivindicações anexas, deverá ser entendido que o termo MT inclui todas estas massas. No entanto, quando Mwc é muito maior que qualquer outro termo, os outros termos podem ser omitidos quando é feito um cálculo aproximado. M õV / õt é a aceleração da água no interior da bóia; e WC p

Fc é uma força oposta exercida no retorno do pistão enquanto que a energia eléctrica é extraida da carga.

Este último termo (Fc^ é altamente significativo, devido a que ele representa toda a força electromecânica de acoplamento importante entre a extracção da energia do gerador e o movimento mecânico da bóia. 7/22

Escrevendo de novo a equação (1) em termos dos parâmetros do sistema, no caso de uma carga resistiva obtemos pgAHô / 2 sin cot = pALÔV / õt + Fc = pALôVp / Õt + KQKT Vp / (¾2) (2) em que: p = densidade da massa de água, g = gravidade, A = área do pistão quando, como o mostrado na figura 1, a área do pistão é essencialmente igual à área do tubo ou armação onde ele está colocado. Geralmente, A é igual à área da secção transversal da armação (tubo) quando a armação está na vertical, H= altura da onda (desde o pico à depressão), L = comprimento da bóia, KG e KT são respectivamente as constantes de voltagem e do

momento de torção do gerador electromecânico (EM) , e rQ (movimento em metros por rotação angular do eixo em radianos) representa a constante de conversão linear a angular do sistema hidráulico; e

Rl o gerador Δ conectado à resistência de carga (como o mostrado na figura 3). 8/22 0 parâmetro δ é derivado directamente a partir da solução da equação da onda e representa a queda da pressão na dimensão vertical. Se δ é definido como uma queda da pressão, os resultados mantêm-se gerais. Aqui os resultados são dados para um cilindro. Desprezando os termos não lineares da equação 2 e considerando que o comprimento do movimento da bóia é pequeno em comparação com o comprimento, L da bóia, o parâmetro δ é dado por

(3) em que: À=ao comprimento de onda da onda da superfície; e D é a profundidade da água

W

Para o movimento sinusoidal, isto é, ondas regulares, podemos mudar a uma notação complexa. Definindo

Fm sin G)t = pgAHô sin como a função de força de entrada efectiva provocada pelo bater da onda no pistão, e a constante de acoplamento electromecânico K=KK / r2, a solução complexa para a velocidade do pistão com uma carga resistiva RL é,

(4) em que

angular da onda de entrada 9/22 t = RlCeff e C = Μ / K é uma capacitância equivalente proporcional à massa do conversor de energia das ondas que inclui a coluna de água no conversor de energia das ondas e "massa adicional" da água que o rodeio.

Para um cilindro alto C é uma capacitância equivalente EFF-- aproximadamente igual a pAL/ K = Μτ / K . 0 reconhecimento de que a massa do conversor de energia das ondas que inclui a coluna de água possa ser caracterizada como uma capacitância efectiva ou equivalente é uma parte significativa da invenção, devido a que ela provê uma base para calcular a carga óptima a ser acoplada ao sistema e o valor de um elemento indutivo que possa ser utilizado para ressonar com a capacitância equivalente para produzir um aumento na transferência de energia. A partir da equação (4) pode ser observado que as dinâmicas do sistema com uma carga resistiva podem ser representadas como um filtro passo baixo de primeira ordem com um ponto 3 dB de ω=1/ τ. Deverá ser salientado que todos os parâmetros mecânicos e eléctricos podem ser derivados a partir da solução da velocidade do pistão dada na equação (4) . Para um sistema particular, as equações correspondentes ao movimento do pistão Sp, à saida de

potência PQut , e à carga resistiva óptima apresentadas abaixo. 1.1 Movimento: 10/22 SP=V j®

Vi*M («(l+jon)) metros (5)

Nota: só tem que ser considerada a parte real da equação (5) .

Optimização da extracção de energia

Um aspecto significativo desta invenção é o de relacionar a extracção da energia eléctrica à equação diferencial do sistema de bóias e determinar a estratégia para a extracção óptima. A figura 3 mostra o circuito equivalente de um gerador eléctrico 42 utilizado nas figuras 2 e 2A. 0 gerador eléctrico é um gerador 3φ colocado na bóia. (As voltagens mostradas são valores RMS). Na figura 3 as únicas voltagens externamente disponíveis são nodos marcados com "A", "B", e "C" desde que o valor neutro "N" não seja calculado. Por este motivo, a energia é extraída por cargas A(Rl ). através da voltagem trifásica conectadas

(V = V 3V V L-L L-N na figura) 1.2 Potência eléctrica produzida (por fase ou 1/3 Pt): P out v' K)= k„! <u' K> K«! Kf1 (2r. 2rl) ρ/ν.2/(2Α!(ί + <»2κ3υυ)) (6) 1.3 Resistência de carga óptima: A resistência de carga óptima é aquele valor RLque maximiza a saída de energia do gerador PQut . Analisando a equação (6), podemos observar que Pqu( tende para zero com 11/22

Rl = 0 e oo e é positivo no meio para que exista um valor óptimo. Por definição, (KL é determinado pela solução deõ^R^ / ô(Rl^= 0 . Executando esta operação na equação (6) dá, (7)

(KL =[/ (raCJ A condição da equação (7) é equivalente a Ceff = 1/ ω = Τ7 (2π). Substituindo esta na equação (6) obtemos o resultado de que a energia produzida é aproximadamente proporcional a Η2 T ou a eficiência é constante desde que o valor da carga esteja de acordo com a equação (7) . (Esta por enquanto ignora o factor de degradação do comprimento da equação (2), o qual é independente de ^ mas que cai significativamente com T.) A substituição de na equação (6), dá a energia máxima disponível para um sistema geral como: (8a) = [(pgHAs) T/ (32TIM, )j [Kg / Kl para um cilindro Pwi„ pode ser expresso como segue:

^ MAX ΡΜΑΧ = Ρ«ίΗ2ΤΑδ2/(32π^ <8) em que PQNDA é a energia total disponível do incidente da onda numa bóia com um diâmetro D e um comprimento L, isto é, P =H2TD(kW). ' ONDA v ' 12/22 A forma da onda da voltagem de saída do gerador eléctrico pode na sua maioria ser modulada como o mostrado na figura 4.

Obtendo a máxima transferência de potência requer que a carga vista pelo gerador seja igual a (R ) . Para obter V lX)pt este resultado, pode ser configurado um sistema que concretize a invenção como o que é mostrado na figura 5. Um motor hidráulico 40 (ou qualquer conversor adequado) conduz um gerador eléctrico 42. A saída do gerador eléctrico 42 é subministrada a um conversor AC para DC 44. O conversor 44 de AC para DC pode ser um circuito rectificador do tipo mostrado na figura. 6. No entanto, deverá ser apreciado que pode ser utilizado qualquer conversor adequado de AC para DC. A saída do conversor de AC para DC é aplicada através de um condensador de armazenagem Cl, que efectivamente armazena a energia capturada pelo conversor de energia das ondas a partir das ondas do oceano. Porque a voltagem através de Cl pode variar significativamente, um conversor de DC para DC (por exemplo, um regulador de comutação) pode ser utilizado para prover uma voltagem DC mais constante ao inversor 50. A saída da secção do conversor DC-para-DC é então aplicada à secção do inversor de energia, que na saída está acoplado a uma rede eléctrica 60 que é a carga definitiva e o fim para o qual o sistema está destinado. O inversor 50 converte a voltagem de entrada DC num sinal AC de fase único ou polifásico, o qual é subministrado à rede eléctrica e que deve cumprir com os requisitos da rede. No entanto, a rede eléctrica representa uma carga variável que é dependente da procura, e pode variar numa ampla escala de valores. Esta carga variável é reflectida via um conversor-inversor 50 através do condensador de armazenagem Cl e volta através da saída do conversor 44 de AC para DC e via conversor 44 ao gerador eléctrico 42. 13/22

Como foi acima salientado, é importante manter a impedância vista pelo gerador eléctrico perto do valor de (R. L . Nos circuitos que concretizam a invenção a condição da carga deve ser percebida e um sinal S5 pode ser subministrado ao controlador 54 indicativo da condição de carga. 0 valor da carga pode seguidamente ser calculado pelo controlador 54. 0 valor da impedância de carga pode seguidamente ser controlada por meio de um controlador 54 que controla o nivel a que o inversor é comutado. Alternativamente, o controlador 54 pode ser utilizado para directamente aumentar ou reduzir o valor da carga por meio de um sinal de controlo S6.

Ao mesmo tempo, a energia disponivel a ser distribuida é também variável porque ela depende da energia da onda aplicada ao conversor de energia das ondas, a qual pode variar consideravelmente. Por exemplo, quando há mais potência disponivel do que a requerida pela carga ou quando a carga diminui abaixo de um determinado nivel, o controlador 54 pode (via um sinal como o S6) ser utilizado para mudar as baterias de armazenagem ou outros meios de absorção de energia que podem sucessivamente ser utilizados para prover mais (ou menos) energia quando mudam as condições de carga. 0 controlador 54 é também responsivo a um sinal, identificado como Sl, desde um sensor 56. 0 sensor 56 pode ser qualquer sensor capaz de indicar e/ou determinar a energia disponivel a partir das as ondas e/ou as condições do sistema do conversor de energia das ondas.

Alternativamente, o sensor 56 pode ser qualquer sensor capaz de sinalizar desde o gerador eléctrico 42 ao controlador a quantidade de energia disponivel. 0 controlador 54 é previamente programado para responder aos sinais Sl gerados pelo sensor 56 que por seu lado gera um 14/22 sinal, ou sinais, identificados como S2, que são subministrados ao inversor 50 e que controla a quantidade de energia que pode ser extraída (tomada) do inversor e subministrada à rede de energia (isto é, a carga definitiva).

Adicionalmente (ou alternativamente), a energia (voltagem e/ou corrente) gerada pelo gerador 42 pode ser subministrada (ver linhas tracejadas S1A na figura 5) directamente ao controlador 54. Normalmente o controlador 54 tem um tempo de resposta muito mais rápido que a onda do oceano ou que a energia eléctrica gerada pela onda do oceano. O controlador 54 pode portanto agir directamente em resposta à entrada da onda do oceano.

Alternativamente, o controlador 54 pode ser previamente programado e carregado com dados estatísticos como as ondas do oceano e as condições climáticas de forma a controlar a resposta do sistema com o fim de optimizar a transferência de energia. Os sinais Sl (ou S1A) e S2 e a acção do controlador no inversor 50 controlam assim eficazmente o valor de Rl visto pelo gerador 42 para que o sistema entra em funcionamento de maneira a que a carga efectiva seja R „ ou mantida igual a R npT . É significativo que nos sistemas que concretizam a invenção a energia de entrada disponível ou média, assim como a carga óptima desejada estejam factorizadas na equação para optimizar a transferência de energia.

Deverá ser salientado que um gerador eléctrico com motor hidráulico giratório particular foi utilizado a título de exemplo e que qualquer outra combinação de gerador e motor adequado (por exemplo, um pinhão e cremalheira combinados 15/22 com um gerador, ou com um gerador electromagnético linear em vez de um gerador hidráulico rotativo) pode ser utilizada. Também, podem ser utilizados muitos tipos diferentes de conversores responsivos a fontes de energia existentes na natureza (por exemplo, uma turbina de circulação de água) em vez do conversor de energia das ondas mostrada na presente invenção. 0 tubo cilíndrico mostrado nas figuras 1, 2 e 2A é meramente ilustrativo. A invenção pode ser utilizada em qualquer sistema que inclua uma armação qualquer (por exemplo, contentor, cilindro, cone) com uma qualquer forma arbitrária para conter um volume de água que em combinação com um pistão como estrutura possa capturar a força das ondas e converter essa força num movimento ou força mecânica a qual seguidamente é convertida em energia eléctrica.

Uma versão ligeiramente modificada e mais detalhada da figura 5 é mostrada na figura 5A. A figura 5A ilustra que quaisquer dos sinais abaixo indicados podem ser aplicados como entradas no controlador para indicar certa energia de entrada ou outras condições de funcionamento: (a) velocidade de rotação (com ] do motor hidráulico 40: do gerador 42 (b) a frequência (c) a amplitude (hc) da voltagem do gerador; (d) uma voltagem rectificada na saida de um filtro 44b. Estes sinais podem adicionalmente ser sinais do sensor de onda e de outros sinais adequados (por exemplo, desde 16/22 0 controlador pode seguidamente enviar um ou mais sinais (por exemplo, S6a, S6b) a um conversor 50a de DC para AC (por exemplo, um inversor), um conversor 50b de DC-para-DC (por exemplo, um regulador de comutação) capaz de transmitir uma carga DC ou um conversor 50c regulado de DC para AC (por exemplo, um inversor) . Os sinais dos controladores (S6a, S6b) podem ser utilizados para controlar automaticamente e/ou selectivamente a operação de quaisquer das cargas para que o gerador 42 "veja" a carga óptima, (KL . O controlador pode também utilizar tabelas de indexação previamente programadas no controlador para manter

quando

MELHORAMENTO DA EFICIÊNCIA COM CARGAS ELECTRICAMENTE RESSONANTES:

Os Titulares reconheceram que o termo de aceleração Kc na equação (2), acima, poderá ser feita ressonante com uma carga de gerador indutivo para aumentar consideravelmente a eficiência da transferência de energia. Os Titulares demonstraram também que cada fase do gerador eléctrico podia ser carregada com um circuito de ressonância em série e seguidamente observaram o comportamento eléctrico e o comportamento mecânico da combinação do sistema que inclui o conversor de energia das ondas, o motor hidráulico e o gerador eléctrico. O esquema muito simplificado de uma carga ressonante particular é mostrado na figura 7.

Foi descoberto que a frequência eléctrica ressonante do circuito de carga mostrada na figura 7 é de 48 Hz que corresponde a uma velocidade do eixo de 16 rps (3 pares de pólos no gerador). A saida eléctrica mostrou um pico pronunciado a esta frequência mas, o mais importante, o 17/22 momento de torção mecânico aplicado mostrou o mesmo pico pronunciado à mesma frequência. Por outras palavras, a corrente de carga eléctrica produz um momento de torção do contador tanto na magnitude como na fase. Isto significa que um componente eléctrico no anel de saida do gerador pode, de facto, ressonar com uma massa de água no conversor de energia das ondas e produzir um ganho de energia aproximando um factor de energia do sistema de unidade. A extensão do melhoramento é também abaixo discutida.

Melhoramento da eficiência na Ressonância

Portanto, noutro aspecto da invenção o Titular refere-se a aparelhos e métodos para controlar a energia de saída distribuída a uma carga resistiva quando ela é modulada indutivamente na frequência de onda dominante ou perto desta. Esta modifica a equação diferencial do sistema (2) e resulta num sistema de 2o ordem na velocidade que pode ser modelado pelo circuito eléctrico equivalente da figura 8.

Na figura 8 a fonte de corrente 80 representa a força aplicada ao pistão da bóia pelas ondas do oceano (1A=1N), a capacitância C2, que é igual a C , é a massa da coluna de água (lF=lKg) e o EMT é um transformador electromecânico imaginário (mas matematicamente correcto) que executa a função de converter o movimento linear do conversor de energia das ondas num movimento de rotação do gerador via sistema hidráulico. As capacidades de geração de energia dos sistemas electricamente ressonantes podem ser agora obtidas e examinadas. A energia de saida como uma função de energia da onda de entrada é P = 12 R / (1 - co2LC )2 +(co(RT +RJCJ2) (9) out M L v E' v v L W' E/ / 18/22 em que I =K KF δ/r e F = pg ΑΗδ / 2 são como o acima M G IN 0 EV Γσ definido, e C é igual a CJ .

E EFF P ( pode ser computado para diferentes tipos de bóias e para diferentes condições de ondas. Numa forma particular de realizar a invenção, o indutor L foi escolhido para ressonar com C no pico do espectro da energia do período da onda. Nos sistemas que concretizam a invenção podem ser incluídos controlos para permitir que o indutor esteja a variar continuamente, como o mostrado abaixo na figura 9.

Também, na figura 8 numa forma de realizar a invenção, RL foi escolhido para ser igual à resistência da bobinagem, Rw do indutor que maximiza a energia na ressonância. A energia disponível PAy e a potência de saída PQut (carga resistiva) e P (carga ressonante) podem então ser computadas. A figura 9 é um diagrama simplificado de um sistema em que o controlador 54 controla e muda a indutância real dos indutores (no inversor 50a) conectados em série à carga 60 (ou executa uma função matematicamente equivalente) para obter um aumento de energia e de eficiência. Em resposta ao sinal do sensor SI desde o sensor 56, o controlador 54 é previamente programado para modificar uma rede de indutância no inversor 50a, que é idêntico ao inversor 50, mas que inclui indutores que podem ser modelados com a carga. Nesta forma de realizar a invenção, como o anterior, a energia de entrada pode variar como uma função do clima e a carga pode variar como função da procura de energia. No entanto, nos dois exemplos, as funções da invenção do 19/22

Titular optimizam a transferência de energia para variar as condições de entrada de energia e a procura de produção de energia. Isto é, pode ser utilizado um sensor 56 para detectar as condições das ondas de entrada. 0 controlador pode ser previamente programado para responder a estas condições numa base estatística. Alternativamente, o controlador pode responder directamente às condições de entrada do sensor 56. Além de que, de forma adicional, as condições de saida do gerador eléctrico podem ser transmitidas ao controlador, como o mostrado pela linha tracejada Sll. Devido a que o período de onda é muito (extremamente) comprido quando comparado com o tempo de resposta do controlador 54 (o qual normalmente poderá ser utilizado), enquanto que a saída eléctrica do gerador está a ser percebida, poderá ser executada muita computação e processamento. A figura 9A é uma versão modificada da figura 5A que mostra a colocação de um elemento indutivo 500 entre a saída do gerador eléctrico 42 e a entrada na secção do rectificador 44a. O elemento indutivo 500 pode ser um indutor que tem um valor fixo, em que o valor fixo é seleccionado para que coL seja aproximadamente igual ao valor médio de 1/ (<oC ) .

Alternativamente, como o mostrado na figura 9A, o elemento indutivo 500 pode ser um indutor variável cujo valor pode ser modificado pelo controlador 54 como função de quaisquer dos sinais de entrada no controlador 54 e/ou como função de qualquer mudança nas ondas do oceano que provocam a mudança de C ; sendo as mudanças na indutância de forma a manter

EFF coL aproximadamente igual a 1/ (roC^) .

Alternativamente, como o mostrado na figura 9, o elemento indutivo pode compreender vários indutores discretos com 20/22 valores diferentes com interruptores controladas pelo controlador 54 para determinar a quantidade de indutância inserida no circuito entre o gerador eléctrico 42 e o rectificador 44a.

De acordo com a invenção o controlador pode enviar sinais de controlo a qualquer uma das cargas diferentes (por exemplo, 60a, 60b, 60c) para que o gerador 42 veja RL(opT).

Ao mesmo tempo o controlador 54 pode mudar no circuito a indutância óptima requerida para obter a ressonância como função de uma entrada (Sl) desde o sensor da onda 56a, ou formar o monitor 57 de (7 ou formar qualquer outra entrada para o controlador 54. O controlador pode utilizar uma função de indexação ou um algoritmo com a frequência das ondas e/ou C como variáveis independentes.

EFF

Alternativamente o controlador 54 pode variar lentamente a indutância nos diferentes períodos (ciclos) da onda durante os quais o sistema "persegue" pontos máximos de transferência de energia. Isto pode ser efectuado por computação periódica da energia por onda a qual por seu lado pode utilizar vários conjuntos diferentes de parâmetros (por exemplo, a potência é igual à corrente dos tempos da voltagem, ou aos momentos de torção dos tempos da velocidade, ou à força de tempos das velocidade).

Alternativamente o controlador pode também ser utilizado para enviar sinais a um conversor de AC para DC para que a voltagem conduza ou retarde a corrente e ao mesmo tempo controle a impedância para que esta seja aproximadamente igual a RL(OPT) . Assim, a indutância efectiva para ressonar com o sistema electromecânico pode ser executado de uma maneira diferente. 21/22

Nas figuras 1, 2 e 2A a impedância equivalente é caracterizada como sendo capacitiva e igual a C .

Para obter a ressonância, no circuito, é inserido um elemento indutivo. No entanto, deverá ser salientado que a impedância equivalente de um conversor de energia das ondas que funciona de uma maneira diferente à dos conversores de energia das ondas das figuras 1, 2 e 2A pode ser caracterizada como sendo indutiva e igual a L . Para um conversor de energia das ondas deste tipo deverá ser inserido um componente capacitivo no anel de saida do gerador que tenha um valor para ressonar com L . Isto é mostrado de uma maneira geral na figura 10, em que uma rede ressonante 510 é colocada no anel de transferência da potência. Se a impedância de saida da força mecânica para o conversor de energia eléctrica 42a é caracterizado como toL , então, a rede ressonante é controlada e tornada capacitiva para que íoL^ seja igual a 1/ ωΐ^.

Relativamente ao pistão mostrado nas figuras 1, 2 e 2A, é de notar que o pistão pode ser qualquer componente interno do corpo desde que o seu movimento numa armação (tubo) faça com que se gere uma resposta mecânica, eléctrica ou electromecânica.

Lisboa, 22/22

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Um conversor de energia das ondas (WEC) que compreende: uma armação (10) montada sobre um pistão (12) que forma uma combinação que quando é colocada num corpo de água é responsiva as ondas no corpo de água para produzir um movimento relativo entre a armação e o pistão; um conversor do movimento mecânico em energia eléctrica, que inclui um gerador eléctrico (20, 22, 24, 40, 42), responsivo ao movimento relativo entre a armação e o pistão para produzir numa saida do gerador eléctrico pelo menos uma voltagem e uma corrente, que é uma função do movimento relativo; caracterizado por: os meios (44, 50) acoplarem uma carga (60) na saída do gerador eléctrico, tendo a dita carga uma impedância, cujo valor é seleccionado para ser uma função do período das ondas no dito corpo de água e da massa efectiva da armação; em que a massa efectiva inclui a água no interior da armação e a água movida pela armação.
2. Um Conversor de energia das ondas (WEC) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a impedância da dita carga ser seleccionada para ser aproximadamente igual a 1 / (<d)(Ce) para optimizar a saída de energia do gerador eléctrico para condições previamente determinadas no corpo de água no qual o conversor de energia das ondas é colocado; em que ω é igual à frequência angular das ondas no dito corpo de água que pode ser expresso como 2π/ T em que T é o período das ondas; e 1/9 CE é aproximadamente igual a ΜΓ/Κ, em que MT é aproximadamente igual à massa da armação e à massa de água movida pela armação, e K é uma constante de acoplamento electromecânico.
3. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 2, caracterizado por a armação (10) ou o pistão (12) serem relativamente fixos e o outro componente que não está fixo, a dita armação (10) ou o dito pistão (12) moverem-se em resposta às ditas ondas.
4. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 3, caracterizado por o conversor do movimento mecânico em energia eléctrica incluir um motor (40) que é responsivo às forças mecânicas devido ao dito movimento relativo entre a armação (10) e o pistão (12) para conduzir o gerador eléctrico (42) e produzir energia eléctrica proporcional ao dito movimento relativo, sendo a energia eléctrica aplicada à dita carga.
5. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 4 caracterizado por a dita carga (60) ser principalmente resistiva.
6. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 5, caracterizado por a parte do conversor de energia das ondas que produz uma voltagem na saida do gerador eléctrico exibir reactância indutiva ou capacitiva, e em que os ditos meios (44, 50) que acoplam a carga (60) na saida do gerador eléctrico incluem um elemento reactivo, que ou exibe uma reactância indutiva ou capacitiva para aumentar a geração de uma condição ressonante na geração de energia do conversor de energia das ondas. 2/9
7. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 6, caracterizado por a impedância equivalente da armação (10) e do pistão (12) e do conversor do movimento mecânico em energia eléctrica ser principalmente capacitiva e em que o elemento reactivo que acopla a carga na sarda do conversor incluir um elemento indutivo (L) cuja reactância (g)L) é aproximadamente igual à reactância exibida na saída do gerador eléctrico para aumentar a geração de uma condição ressonante.
8. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 3, caracterizado por a armação (10) ter uma forma tubular e por o pistão (12) mover-se para cima e para baixo no interior da estrutura tubular.
9. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 7, caracterizado por este adicionalmente incluir um controlador (54) para variar a impedância da carga (60) e para manter o valor da carga vista pelo gerador igual a um valor óptimo (RLOPT) para uma transferência de energia óptima.
10. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 7, caracterizado por este adicionalmente incluir um controlador (54) para variar o elemento indutivo (50a, 500) para manter o sistema em ressonância como uma função de mudanças em pelo menos uma das seguintes magnitudes: amplitude, frequência e fase das ondas.
11. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 7, caracterizado por o dito 3/9 elemento indutivo incluir pelo menos dois componentes (Ll, L2. L3) indutivos diferentes interconectados por um interruptor (S91, S92, S93) para aumentar ou diminuir selectivamente a indutância no anel da potência.
12. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 7, caracterizado por este adicionalmente incluir um sensor (56) para pelo menos detectar uma das condições das ondas e o estado do sistema do conversor de energia das ondas e um controlador (54) responsivo aos sinais do sensor, para variar os valores de pelo menos a carga (60) ou do elemento indutivo (50) para manter um valor óptimo da carga e aumentar a ressonância do sistema.
13. Um conversor de energia das ondas, como o reivindicado na reivindicação 1, caracterizado por este adicionalmente incluir um sensor (56a) para detectar as condições seleccionadas das ondas, um controlador (54) acoplado ao dito conversor do movimento mecânico em energia eléctrica e que está também acoplado à dita carga para controlar a impedância efectiva da carga como função das variações nas ondas.
14. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 1, caracterizado por a parte do conversor de energia das ondas que gera a electricidade exibir as características indutivas e em que os meios (44, 50) que acoplam a carga na saida do gerador eléctrico incluírem um elemento capacitivo (57) para aumentar uma condição ressonante num anel em série, que inclui a parte de geração eléctrica do conversor de energia das ondas, a carga e o elemento capacitivo. 4/9
15. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 14, caracterizado por este adicionalmente incluir um controlador para variar o elemento capacitivo (57) para manter o sistema em ressonância como uma função de mudanças em pelo menos uma das seguintes magnitudes: amplitude, frequência e fase das ondas.
16. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 14, caracterizado por o dito elemento capacitivo (57) incluir pelo menos dois componentes capacitivos diferentes interconectados por interruptor para aumentar ou diminuir selectivamente a capacitância no circuito de potência.
17. Um conversor de energia das ondas como o reivindicado na reivindicação 14, caracterizado por este adicionalmente incluir um sensor para detectar as condições do pico das ondas e um controlador responsivo aos sinais desde o sensor para variar, os valores de pelo menos da carga e do elemento capacitivo para manter um valor óptimo de carga e aumentar a ressonância do sistema.
18. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 6, caracterizado por este adicionalmente incluir um controlador (54) para variar pelo menos uma resistência efectiva da carga e a impedância do elemento que acopla a carga ao gerador eléctrico para optimizar a transferência de energia e manter a ressonância, e que adicionalmente inclui meios sensores para pontos seleccionados sensíveis no circuito de geração de energia e produzir sinais aplicados ao controlador para variar a carga e a impedância do elemento de acoplamento. 5/9
19. Um método para optimizar a transferência de potência num sistema que inclui um conversor de energia das ondas (WEC) que compreende uma armação (10) montada sobre um pistão (12) formando uma combinação que quando esta é colocada no corpo de água é responsiva às ondas no corpo de água para produzir um movimento relativo entre a armação e o pistão e incluindo adicionalmente um conversor que inclui um gerador eléctrico (42) para converter o movimento mecânico em energia eléctrica numa saida do conversor em condições previamente determinadas das ondas caracterizado pelas fases de: (a) determinar 1/ coC : em que ω é igual à frequência angular das ondas que pode ser expresso como 2π / T em que T é o período das ondas; e CE é aproximadamente igual a ΜΓ/ K, em que MT é aproximadamente igual à massa da armação e a massa de água movida pela armação e K é uma constante de acoplamento electromecânico; e (b) seleccionar uma carga (60) que tem um valor aproximadamente igual a (\l coTCE^ e o acoplamento da carga à saida do conversor.
20. Um método como o reivindicado na reivindicação 19, caracterizado por este adicionalmente incluir a fase para determinar o valor de um elemento indutivo (L) que acopla a carga na saída do conversor para sintonizar indutivamente a carga (60) na frequência de onda dominante ou perto desta, tendo a reactância (®L) do elemento indutivo um valor aproximadamente igual a 1/ roCE . 6/9
21. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 1, caracterizado por este adicionalmente compreender meios de controlo para controlar o valor da carga, compreendendo estes meios: (a) meios para estabelecer um valor inicial da dita carga para ter uma impedância cujo valor seja uma função previamente determinada do periodo médio das ondas e da massa de água no conversor de energia das ondas; e (b) meios para variar a impedância da carga como uma função das mudanças em pelo menos uma das seguintes magnitudes, frequência, amplitude e fase das ondas, provendo a potência de entrada ao conversor de energia das ondas para manter a impedância da carga num valor óptimo previamente determinado.
22. 0 Conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 21, caracterizado por os meios para a aplicação da energia eléctrica à carga (60) compreenderem um elemento indutivo (L) que tem um valor que tende a causar ressonância num circuito que inclui componentes que acoplam a energia eléctrica à carga.
23. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 1, caracterizado por a sarda do gerador eléctrico estar acoplada a uma carga (60) por meios reactivos (44, 50) acoplados entre uma sarda do gerador eléctrico e a carga, sendo os ditos meios reactivos seleccionados para terem um valor que cause a sarda do gerador eléctrico que inclui a carga para ressonar com a massa efectiva (M^) do conversor de energia das ondas. 7/9
24. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 23, caracterizado por a carga ter um valor aproximadamente igual a 1/ ot)CE, em que ω é igual à frequência angular das ondas que pode ser expressa como 2π / T, em que T é o periodo das ondas; e CE é aproximadamente igual à massa total movida (M^,) r a qual inclui MWC/ K e a massa do conversor de energia das ondas, em que MWC é aproximadamente igual à massa da água no interior do conversor de energia das ondas e K é uma constante de acoplamento electromagnético.
25. Um conversor de energia das ondas (WEC) como o reivindicado na reivindicação 24, caracterizado por os meios reactivos serem um componente indutivo, cuja impedância (coL) tem um valor de aproximadamente igual a l/coCE. Lisboa, 8/9 REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO Esta lista de referências citadas pelo Titular tem como único obj ectivo ajudar o leitor e não forma parte do documento de patente europeia. Ainda que na sua elaboração se tenha tido o máximo cuidado, não se podem excluir erros ou omissões e a EPO não assume qualquer responsabilidade a este respeito. Documentos de Pedidos de Patente citadas na descrição • US 09922877 B [0001] • US 37942199 A [0003] • US 92287701 A [0003] • US 4203294 A [0004] 9/9