PT1436847E

PT1436847E - Sensores para sistemas de conversâo de energia

Info

Publication number: PT1436847E
Application number: PT02748229T
Authority: PT
Inventors: Joseph R Burns; George W Taylor; Thomas R Welsh
Original assignee: Ocean Power Technologies Inc
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2011-02-02
Also published as: EP1436847A1; EP1436847A4; WO2003017390A1; JP2005500790A; EP1436847B1; CA2457810C; CA2457810A1; NO20040742L; ES2354202T3; US6522048B1; JP4369750B2

Description

DESCRIÇÃO

SENSORES PARA SISTEMAS DE CONVERSÃO DE ENERGIA

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Esta invenção refere-se a um sistema para controlar a transferência de energia de um gerador de energia a uma carga para aumentar a eficácia da transferência.

Em muitas aplicações de conversão de energia, são usados transdutores, os quais funcionam como geradores de energia, e que são sensíveis às fontes naturais recorrentes (oscilantes) de energia (por exemplo, ondas do oceano, vento, redemoinho de água) para converter a energia capturada destas fontes de energia em energia eléctrica.

Em muitas aplicações, tais como aquelas que implicam extrair energia das ondas do oceano, é preciso e/ou desejável detectar a incidência de pelo menos um de valor máximo, amplitude e frequência das ondas do oceano para optimizar a transferência de energia das ondas do oceano.

Por exemplo, um gerador de energia eléctrica capacitiva pode incluir um dispositivo piezoeléctrico que funciona como um gerador capacitivo piezoeléctrico (PEG) que produz um sinal eléctrico quando está submetido a tensões e esforços mecânicos. Os sinais eléctricos de um ou mais destes dispositivos piezoeléctricos podem ser processados para produzir uma energia eléctrica que pode ser usada para operar dispositivos eléctricos/electrónicos e/ou que podem formar parte de uma rede de energia eléctrica. Os sistemas que usam dispositivos piezoeléctricos para produzir energia eléctrica estão por exemplo mostrados nos Pedidos Patentes norte-americanas Nos. US-5,552,656 e US 5, 703, 474 publicadas em 3 de Setembro de 1996 e em 30 de Dezembro 1997, respectivamente, e que foram cedidas ao cessionário do presente Pedido de Patente. 1/32

Os dispositivos piezoeléctricos usados como geradores de energia eléctrica estão caracterizados por uma ineficiência inerente na transformação ("acoplamento") dos esforços e das tensões mecânicas numa carga eléctrica. Como resultado, muitas vezes uma pequena parte (por exemplo, aproximadamente 10%) da tensão/esforço mecânico aplicado a um dispositivo piezoeléctrico está disponível como energia eléctrica quando uma carga constante é aplicada ao dispositivo piezoeléctrico. É portanto desejável aumentar a eficácia com a qual a energia gerada por um dispositivo piezoeléctrico é transferida a uma carga para compensar e ultrapassar o factor de "acoplamento" baixo dos dispositivos piezoeléctricos.

Um método conhecido para aumentar a eficácia da transferência do gerador piezoeléctrico a uma carga inclui formar um circuito ressonante. Este é por exemplo mostrado na figura 1 que é uma representação de um diagrama de blocos muito simplificado de um circuito do gerador piezoeléctrico de energia eléctrica da técnica anterior. As tensões e/ou esforços aplicados ao dispositivo piezoeléctrico são providos por fontes de energia (por exemplo, ondas do oceano, vento, remoinhos de água) que podem variar lentamente (por exemplo, poucos ciclos por segundo). Consequentemente, os dispositivos piezoeléctricos podem ser accionados a frequências muito baixas e a frequência dos sinais eléctricos produzidos por estes dispositivos piezoeléctricos é também da ordem de poucos ciclos por segundo. Estas baixas frequências de funcionamento apresentam problemas significativos para a transferência eficaz da energia do dispositivo piezoeléctrico a uma carga. O Pedido internacional de Patente wo 007/74224 descreve um dispositivo de energia das ondas que inclui um transdutor do qual a energia é extraída usando um circuito eléctrico controlado de acordo com o estado mecânico medido. 2/32

Por exemplo é difícil formar indutores e transformadores com um tamanho razoável e a um custo razoável que possam funcionar com estas frequências. Referindo a figura 1, a título de exemplo notar que o circuito inclui um dispositivo piezoeléctrico 22 acoplado por um indutor 16 a uma carga 27. A frequência ressonante (fo) do circuito pode ser expressa como fo =1/2π(ΙΧ!ρ)·5; em que Cp é a capacitância do dispositivo piezoeléctrico 22; e L é a indutância do indutor 16, com o valor de L seleccionado para ressonar com a capacitância do dispositivo piezoeléctrico. [Nota: para facilitar a explicação e discussão, a contribuição de outras capacitâncias no circuito foi ignorada na descrição e nas reivindicações anexas]. Podemos presumir que a capacitância de Cp está dentro da margem de 0.01 a 10 microfarads (10 6 farads). Presumir agora que a frequência do sinal eléctrico produzido pelo dispositivo piezoeléctrico em resposta à força motriz mecânica é da ordem de 2Hz. Então, para ter um circuito que ressone a 2 Hz, será necessário um indutor 16 que tenha um valor na ordem de 12,000 henries. Um indutor deste valor seria do tamanho de um quarto pequeno. Além disso, a ressonância eléctrica directa não é prática pela variabilidade prevista da frequência devido à natureza aleatória das ondas do oceano.

Como o descrito e reivindicado nos Pedidos de Patentes divisionais intituladas "Apparatus And Method For Optimizing The Power Transfer Produced By A Wave Energy Converter (WEC)" depositada em 8/6/01 e com o número de série 09/922877 e "Switched Resonant Power Conversion Electronics" depositada em 20 de Agosto de 2001 com o número de série 09/933, 158 agora publicada como Pedido de Patente norte-americana US 6,528,928 e ambas cedidas ao cessionário da presente invenção, os Titulares reconheceram que é vantajoso o facto de comutar selectivamente uma carga em circuito com o dispositivo gerador de energia que está desenhado para ressonar a uma frequência mais alta do que a frequência da força de entrada. No entanto, é importante determinar o ponto onde a comutação se deverá dar. 3/32

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Uma combinação que inclui: um gerador de energia (22, PEG1, 414) responsivo a uma força de entrada oscilante que choca no dito gerador de energia para converter a força em energia eléctrica, onde a dita força de entrada tem uma frequência variável, fl, e uma amplitude variável; um sensor (200, 303, PEG2, 410, 412, 130, 130A para pelo menos detectar uma da amplitude e frequência da força de entrada que choca no dito gerador de energia; meios comutadores (Sl) para acoplar selectivamente uma carga através do dito gerador de energia; estando a dita carga formada de forma a que quando os ditos meios comutadores sejam desligados, a carga e o dito gerador de energia formam um circuito desenhado para ressonar a uma frequência mais alta do que fl ; caracterizado por: o dito sistema incluir também meios para a produção de um sinal de saida que se correspondem às condições negativas e positivas dos picos da amplitude da força de entrada e meios (controlador 301, 301A) responsivos ao dito sinal de saida para controlar o fecho dos meios de comutação.
2. O sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito gerador de energia ser um primeiro transdutor e o dito sensor ser um segundo transdutor. 1/3 3. 0 sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito sensor ser colocado para detectar a força de entrada antes de que esta choque contra o gerador de energia. 4. 0 sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a força de entrada ser a energia das ondas do oceano e o gerador de energia incluir uma bóia responsiva às ondas do oceano para converter a energia das ondas do oceano em energia eléctrica. 5. 0 sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a força de entrada ser a energia das ondas do oceano e o sensor incluir um ondógrafo para detectar os picos e os vales das ondas antes que estas choquem na bóia. 6. 0 sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a força de entrada ser a energia das ondas do oceano e o sensor incluir meios electromagnéticos para detectar os picos e os vales das ondas que chocam na bóia. 7. 0 sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o primeiro e o segundo transdutor terem tamanhos diferentes, sendo o primeiro transdutor geralmente maior do que o segundo transdutor. 8. 0 sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os meios responsivos ao dito sinal de saída incluírem meios para controlar o ligar e o desligar dos ditos meios de comutação. 9. 0 sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o dito gerador de energia ser um primeiro transdutor e o sensor ser um segundo transdutor e sendo o primeiro e o segundo transdutores dispositivos piezoeléctricos.
10. O sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o dito sensor e gerador de energia estarem fisicamente colocados um em relação ao outro para fazer com que o sensor seja 2/3 submetido e detecte as mesmas forças externas que estão a ser aplicadas ao gerador de energia; e o sensor estar isolado electricamente dos efeitos de ligar e desligar dos meios de comutação. 11. 0 sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por os ditos meios que produzem o dito sinal de saida incluírem um detector de picos. 12. 0 sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o dito sensor e os ditos meios que produzem o dito sinal de saída incluírem um detector de picos e um microprocessador acoplado aos ditos meios de comutação para controlar o ligar e desligar dos ditos meios de comutação. 13. 0 sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a força de entrada ser uma fonte de energia natural recorrente oscilante e os ditos meios que produzem o dito sinal de saída incluírem meios de computação para detectar os picos e os vales da fonte de energia natural recorrente oscilante que choca nos ditos primeiro e segundo transdutores para gerar os sinais para desligar os meios de comutação. 14. 0 sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por os ditos meios produtores do dito sinal de saída pelo menos incluírem meios de circuito de integração e diferenciação para processar o dito sinal de saída para controlar o ligar e desligar dos ditos meios de comutação. Lisboa, 25 de Janeiro de 2011 3/3 RESUMO Os sistemas e os circuitos para realizar a invenção incluem meios para detectar pelo menos um dos picos, da amplitude e da frequência de uma força de entrada oscilante que choca num dispositivo gerador de energia para controlar a ligação de um interruptor usado para transferir a energia acumulada pelo dispositivo gerador de energia a uma carga associada. 0 gerador de energia pode ser um transdutor tal como um dispositivo piezoeléctrico ou um conversor da energia das ondas (WEC). Para realizar a invenção são usados sensores e meios de detecção para controlar o ponto temporal onde os circuitos de extracção de energia são comutados no circuito com o dispositivo gerador de energia. 0 circuito de extracção de energia pode incluir componentes que podem ressonar com o circuito gerador de energia a uma frequência mais alta e independente da frequência na que o dispositivo gerador de energia está a ser operado. Assim, o dispositivo gerador de energia eléctrica operado e controlado por uma fonte de energia que muda lentamente (por exemplo, ondas do oceano, vento, redemoinhos de água) pode desenvolver energia a uma frequência e pode ser operado para transferir a energia, a um ponto temporal seleccionado, noutra frequência. 1/1

FIG.1 TÉCNICA ANTERIOR 1/27

27 FIG.2 2/27 24 ____ r ~ ~ η

FIG. 3A 3/27 -vW- RELÉCTRODO Rp

^ Rcarga FIG.3B 4/27

FIG. 3C 5/27

FIG.3D 6/27

TO Γ'· uim CD LX_ to o u -n

£ ro & o «D ÍO Λ C > Ο c 7/27 Cp(Ep Voltagem no condensador não comutado vs. tempo

8/27

w r Vpz S IV Rs L 165Ω 11.6H OUT o Voc 424V/2Hz/900eg 4 Rp f 10ΜΩ R1(CARGA) 345Ω

9/27

FIG.7 10/27 BASE TEMPORAL ' - * 1 · · 1111' 001 s/div A. ▼ POS X 0.00 V Ml B/A A/B CANAL A 200 V/Dív τ POSY 10.00 T AC 1B FIG.8 11/27 < t WQ LU Ο □ '< ^ O· < u Q LU

< C3 aí < u aí O (Λ z LU to < g '< LO CJ5CD 12/27

FIG. 10 χ 13/27

FIG.11 1 1 14/27

ELÉCTRODOS TENSÃO MECÂNICA FIG.12A 15/27

123 V33 FIG.12B 16/27 —*w— RELÉCTRODO \ rO iRp Voc \ 33 22 PEG / FIG. 12C 17/27 Voc 0 Volts

18/27

19/27

FIG.12F 20/27 VOLTS

FIG. 12F1 PICOS E FUNDOS FALSOS 21/27

Rcarga 22/27

Rcarga 23/27 BOIA DO SENSOR

CONTROLADOR SENSOR OU INTERRUPTOR ELECTROMAGNÉTICO FIG.13 24/27

AO 4 INTERRUPTOR 25/27

FIG.15 26/27

(303)

FIG. 16 27/27