PT1589643E

PT1589643E - Transmissão de força magnética

Info

Publication number: PT1589643E
Application number: PT52511292T
Authority: PT
Inventors: Edward Spooner
Original assignee: Nat Renewable Energy Ct Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2013-07-17
Also published as: PL1589643T3; EP1589643A2; GB0404329D0; EP1589643A3; EP1589643B1; ES2416631T3; PT2461466E; DK1589643T3; EP2461466B8; EP2461466B1; DK2461466T3; PL2461466T3; ES2488635T3; EP2461466A1

Description

Descrição

Transmissão de força magnética A presente invenção relaciona-se com a transmissão de força magnética, e particularmente, mas não exclusivamente, com a transmissão de força magnética para utilização na geração de energia sustentável. A energia sustentável refere-se à geração de energia usando meios que não usam recursos finitos. A energia solar, eólica, geotérmica e das ondas são exemplos de energia sustentável.

Na energia das ondas, é utilizado o movimento mecânico das ondas para accionar um gerador eléctrico para gerar energia eléctrica. Existem várias formas de converter o movimento mecânico das ondas.

Um dos métodos mais comuns é através de uma Coluna de Água Oscilante (em inglês, Oscillating Water Column - OWC) . Uma OWC utiliza uma coluna aberta ao movimento das ondas na parte inferior. À medida que a água entra e sai da coluna, devido ao movimento das ondas, o ar é sugado e forçado a sair da coluna, consequentemente. É colocada uma turbina no topo da coluna, a qual é accionada pelo movimento do ar e, deste modo, gerando energia eléctrica.

Outros métodos incluem: • gerar electricidade através do movimento harmónico de uma parte flutuante de um dispositivo relativamente a uma peça fixa. Tal dispositivo é conhecido como o "Salter Duck", que tem a forma semelhante a uma cunha. É colocado um gerador fixo 1/16 na parte "larga" da cunha. 0 movimento da onda move a parte "estreita" para cima e para baixo relativamente ao gerador fixo, gerando assim electricidade. • gerar electricidade usando um dispositivo de "galgamento". Os dispositivos de galgamento focam ou canalizam a energia das ondas para um tanque central de armazenamento de água. Ao focar a energia das ondas, o mecanismo de extracção de energia pode capturar e aceder a uma energia das ondas significativamente maior do que as suas dimensões implicam. 0 ponto focal do dispositivo de galgamento consiste num paredão no qual batem as ondas canalizadas que chegam, resultando no facto de a água ser atirada para cima e recolhida num reservatório. A pressão desta água faz com que girem as turbinas localizadas no chão do reservatório. Os dispositivos de galgamento são estruturas flutuantes que requerem amarrações. • gerar electricidade usando um dispositivo de membrana. Os dispositivos de membrana utilizam o diferencial de pressão em máximos e minimos sucessivos para converter a energia das ondas em fluxo e pressão de fluido. É suspensa uma membrana esticada sobre uma estrutura, de modo a que a pressão da água alternada faça com que a membrana atenue e este movimento resultante possa ser usado para bombear água. Apesar de ser proposto principalmente para efeitos de dessalinização, a água pode ser usada para accionar turbinas e geradores. A limitação prática de profundidade que o dispositivo é capaz de operar é cerca de 50 m. Podem ser concebidas estruturas de flutuação neutra para que flutuem a uma profundidade predefinida, oferecendo a possibilidade de capturar a energia das ondas, enquanto estando submersas sem operar no fundo do mar. À medida que as ondas passam pela membrana, ocorre uma compressão e expansão que podem ser usadas para bombear água do mar para terra sob alta pressão. É em terra que esta água sob alta pressão é convertida em energia usando tecnologias hídricas 2/16 convencionais, que não têm de possuir qualificação maritima. Ao estarem profundamente submersos, os sistemas propostos deste tipo não são sujeitos a toda a energia contida na onda à superficie. Como a excitação da onda diminui rapidamente com a profundidade, os sistemas deste tipo têm de possuir maiores proporções dimensionais do que aqueles utilizados mais à superficie ou à superficie, de modo a experienciar niveis de energia semelhantes. • gerar electricidade usando dispositivos hidráulicos e mecânicos. Podem ser usadas bóias de flutuação à superficie, parcial ou totalmente submersas, para converter o movimento de partículas verticais de ondas que se propagam em energia eléctrica. Em água pouco profunda, a força de flutuação hidrostática de uma bóia presa pode ser forçada a reagir contra uma fundação no fundo do mar, através da(s) suas(s) linha(s) de amarração. A força transmitida para a linha de amarração pode ser usada para accionar um gerador através de meios hidráulicos ou mecânicos. 0 documento US 2,790,095 descreve um dispositivo para converter o movimento rotativo em movimento alternativo.

Uma dificuldade que qualquer gerador accionado pelas ondas deve ultrapassar é que as ondas do mar têm uma frequência relativamente baixa, o que não é adequado para utilização directa no accionamento de um gerador eléctrico. Assim, pode ser necessária uma forma de conversão de frequência.

De acordo com a presente invenção, é provido um aparelho de transmissão de força magnética, de acordo com a reivindicação 1. A primeira força é uma força alternativa, a segunda força sendo de uma frequência mais elevada do que a primeira força. 3/16

Preferencialmente o membro é um translador

Preferencialmente, o membro é um rotor.

Preferencialmente, o movimento alternativo da segunda força é provido através de meios resistentes.

Preferencialmente, os meios resistentes são molas helicoidais.

Alternativamente, os meios resistentes são molas magnéticas.

Preferencialmente, a primeira e segunda pluralidade de zonas magnéticas compreendem imanes permanentes.

Preferencialmente, os imanes permanentes são imanes permanentes de terras raras ou imanes permanentes de ferrite. É descrito um sistema de geração de energia que compreende: um membro móvel, em que o membro compreende uma primeira pluralidade de zonas magnéticas de polaridade alternada; e um estator, em que o estator compreende uma segunda pluralidade de zonas magnéticas de polaridade alternada; um gerador de energia eléctrica ligado a um dos estatores ou membro; e uma primeira força aplicada ao outro dos estatores ou membro, em que a primeira ou segunda pluralidade de zonas magnéticas providenciam uma segunda força alternativa ao gerador quando a primeira força é aplicada, providenciando assim uma geração de energia eléctrica.

Preferencialmente, o gerador de energia eléctrica compreende uma pluralidade de bobinas em redor de uma primeira ou segunda 5/16 pluralidade de zonas magnéticas, as bobinas tendo uma voltagem induzida devido à segunda força alternativa.

Preferencialmente, o sistema de geração de energia é um sistema de geração de energia através das ondas.

Preferencialmente, a primeira força é uma força alternativa gerada por meios alternativos.

Preferencialmente, os meios alternativos alternam em qualquer um dos seis graus de liberdade associados às estruturas flutuantes no mar, nomeadamente ondulação horizontal, arfagem, volta, movimento vertical e movimento horizontal.

Preferencialmente, os meios alternativos compreendem um dispositivo flutuante.

Preferencialmente, o dispositivo flutuante é uma bóia na superfície do mar.

Preferencialmente, o dispositivo flutuante é um corpo que incorpora o sistema de geração de energia.

Preferencialmente, o corpo possui flutuabilidade suficiente de modo a que o sistema flutue à superfície do mar.

Preferencialmente, o corpo possui flutuabilidade suficiente de modo a que o sistema flutue abaixo da superfície do mar.

Alternativamente, a primeira força é gerada pelo estator ou massa do membro.

Preferencialmente, um corpo que incorpora o sistema de geração de energia é esférico. 6/16

Alternativamente, um corpo com um sistema de geração de energia é cilindrico.

Preferencialmente, a primeira força é gerada pelo movimento rotativo do corpo.

Preferencialmente, o corpo possui uma pluralidade de pás na sua superfície exterior que providenciam um maior movimento rotativo. A Fig. 1 mostra um estator e translador de acordo com uma forma de realização da presente invenção; A Fig. 2 mostra uma representação gráfica da força magnética versus a deslocação; A Fig. 3 mostra um sistema de geração de energia através das ondas que compreende um dispositivo de transmissão de força magnética de acordo com a presente invenção; A Fig. 4 mostra uma forma de realização alternativa de um sistema de geração de energia através das ondas que compreende um dispositivo de transmissão de força magnética; A Fig. 5 mostra um estator e translador, de acordo com a presente invenção, com uma mola magnética e um gerador com bobina; A Fig. 6 mostra várias configurações diferentes do sistema de geração de energia através das ondas; A Fig. 7 mostra uma configuração horizontal de um sistema de geração de energia através das ondas; e 7/16 A Fig. 8 mostra uma configuração circular de um sistema de geração de energia através das ondas.

Fazendo referência à Fig. 1, um dispositivo de transmissão de força magnética 10 possui um estator 12 e um membro móvel, o qual neste caso é um translador 14. 0 estator 12 não está, necessariamente, totalmente estacionário, mas em vez disso está substancialmente estacionário comparativamente com o membro móvel.

Nesta forma de realização, o estator 12 é mostrado como um primeiro e segundo estator 12 mas deve ser reconhecido que são possíveis outras disposições do estator 12. O estator 12 é composto por imanes permanentes 16, os quais são colocados ao lado de cada um com polaridade alternada. Na Fig. 1, cada iman 16 é indicado com uma extremidade de polaridade positiva marcada e uma extremidade de polaridade negativa em branco. O translador 14 é similarmente composto por imanes permanentes de polaridade alternada 17.

Quando em utilização, o translador 14 é movido por uma força 18 em relação ao estator 12. Para simplificar, caso seja assumido que a força 18 é uma onda sinusoidal, o translador 14 irá mover-se para a frente e para trás dentro do estator 12. Como o translador 14 é movido, cada um dos imanes permanentes 17 é atraído e repelido de acordo com a polaridade dos imanes permanentes 16 no estator 12.

Por exemplo, o translator 14 é puxado na direcção indicada pela força 18. Os imanes permanentes 17 são atraídos, em primeiro lugar, para a posição A. No entanto, uma vez que os imanes permanentes atinjam a posição A, são repelidos e não atingem 8/16 a posição B. Esta atracção e repulsão providenciam um movimento de "ressalto" do translador 14, à medida que se move relativamente ao estator 12.

Um ciclo completo do movimento de ressalto representa duas larguras de imanes permanentes. A Fig. 2 mostra uma força de restabelecimento dos imanes permanentes versus o movimento para um ciclo do movimento de ressalto. A sua forma precisa não será sinusoidal mas a necessidade de folga mecânica irá introduzir espaço para campos magnéticos secundários que atenuam os componentes harmónicos na distribuição de fluxo espacial, por isso a caracteristica será aproximada por uma onda sinusoidal.

Fazendo agora referência à Fig. 3, é mostrado um sistema de geração de energia através das ondas 30. As ondas 32 são geradas naturalmente em grandes quantidades de água pelo vento e maré. Aproveitar o movimento da água é geralmente considerado uma fonte de energia sustentável, ao contrário dos recursos finitos, tal como o petróleo e carvão. Adicionalmente, também é considerado ser ambientalmente positivo pois não existem subprodutos nocivos ao contrário de, por exemplo, a energia nuclear.

Uma bóia 34 é ligada a um translador 36. A bóia 34 flutua nas ondas 32 de modo a que a bóia 34 e o translador 36 sejam impulsionados para cima quando chega ao sistema 30 o pico de uma onda 38. Quando uma parte inferior da onda 40 atinge o sistema 30, a bóia 34 é impulsionada para baixo devido ao peso do translador 36 e da bóia 34. O movimento da onda é então convertido de movimento sinusoidal das ondas 32 para um movimento linear da bóia 34 e translador 36. 9/16

Um estator 42 rodeia o translator 36. 0 estator 42 está ligado de forma resistente a um gerador linear alternativo 44. Neste exemplo, o conector resistente é uma mola 46.

Em utilização, o movimento do translador 36, devido ao movimento das ondas, está a uma frequência relativamente baixa. 0 estator 42 tem algum movimento efectuado pela mola 46 na direcção de, e na direcção oposta ao dispositivo flutuante 34. A atracção e repulsão alternadas do estator 42 face ao translador 36, à medida que o translador 36 se move devido às ondas, introduzem o movimento do estator 42. 0 movimento do estator 42 é de maior frequência do que aquela do movimento original do translador e está relacionado com a largura das forças magnéticas ao longo do comprimento do translador 42 e estator 36.

Fazendo agora referência à Fig. 4, é mostrado um sistema de geração de energia 50 alternativo que compreende um dispositivo de transmissão de força magnética. Uma estrutura externa flutuante 52 que suporta de forma resistente um translador 54. Neste exemplo, o conector resistente é uma mola 56.

Na forma de realização anterior, o translador 36 foi disposto dentro do estator 42. No entanto, nesta forma de realização, o translador 54 é disposto fora de um estator 62. O translador 54 está ligado a uma massa de reacção 58. A massa de reacção 58 está colocada nas calhas 60, o que permite movimento da massa de reacção 58 e do translador 54 dentro da estrutura 52. O estator 62 está ligado de forma resistente a um gerador linear alternativo 64. A estrutura externa flutuante 53 permite que o sistema de geração de energia através das ondas 50 esteja a flutuar 10/16 livremente numa área do mar com movimento de ondas suficiente. 0 sistema de geração de energia através das ondas 50 estaria, tipicamente, ancorado ao fundo do mar, mas como o sistema 50 se suporta a si mesmo, possuiria fantásticas propriedades de sobrevivência.

Fazendo agora referência à Fig. 5, um sistema de geração de energia 120 compreende um translador 122 e um estator 124. O translador 122 possui uma primeira pluralidade de imanes permanentes 126 de polaridade alternada. O estator 124 possui uma segunda pluralidade de imanes permanentes 128 de polaridade alternada. A segunda pluralidade de imanes 128, em que cada possui uma bobina 130, neste caso de fio de cobre, em redor. As bobinas 130 estão ligadas a um circuito eléctrico (não mostrado). O movimento alternativo do estator 124 relativamente ao translador 122 induz uma voltagem nas bobinas 130. A voltagem induzida pode então ser usada pelo circuito eléctrico, para armazenar carga eléctrica, tal como num condensador ou para fornecer energia a circuitos adicionais. Tipicamente, são usados circuitos adicionais para atenuar a voltagem das bobinas 130, como necessário.

Ao possuir um gerador eléctrico dentro do dito estator, é eliminada a necessidade de um gerador eléctrico em separado, como um gerador linear. Isto providencia muitas vantagens, tal como eficiência melhorada e redução de componentes, materiais e peso. O estator 124 também possui uma terceira pluralidade de imanes permanentes 132 de polaridade alternada, fixa de forma oposta à segunda pluralidade de imanes 128. Uma quarta pluralidade de imanes permanentes 134 de polaridade alternada é fixa a uma base 136. A base 136 está relativamente estática em comparação com o estator 124 e o translador 122. Os terceiros e quartos 11/16 imanes permanentes 132, 134 possuem um maior passo polar do que os primeiros e segundos imanes permanentes 126, 128. Isto é, existe um maior espaçamento entre o centro de cada iman nos terceiros e quartos imanes permanentes 132, 134 do que dos primeiros e segundos imanes permanentes 126, 128. Isto permite que os terceiros e quartos imanes permanentes actuem como uma mola magnética e providenciem movimento alternativo resistente do estator 124 quando o translador 122 se move.

Ao utilizar uma mola magnética, é eliminada a necessidade de uma mola tradicional ou outro componente resistente. Para a presente invenção funcionar eficazmente com uma mola tradicional, a massa da mola seria considerável para produzir uma energia adequada. Uma mola magnética reduz a massa necessária para providenciar os meios resistentes e a probabilidade de falha devido a desgaste.

Fazendo agora referência à Fig. 6, são mostradas quatro configurações exemplo de sistemas de geração de energia através das ondas. Uma estrutura que flutua livremente no mar é sujeita a 6 graus de liberdade, três lineares e três rotativos. Estes são conhecidos como movimentos lineares, movimento vertical, movimento horizontal e ondulação horizontal e movimentos rotativos, arfagem, volta e guinada. 0 sistema A é descrito na Fig. 4 acima e é sujeito a elevação vertical (ou movimento vertical) devido ao nivel variante da superfície do mar. 0 sistema B é uma versão submersa do sistema A, mas iria funcionar geralmente sob os mesmos princípios, e está sujeito a uma força vertical pela acção de arrasto entre o movimento vertical do sistema e da água. 0 sistema C está posicionado horizontalmente face à superfície do mar e é sujeito à força horizontal pela acção de arrasto entre o sistema e a ondulação horizontal da água. 0 sistema C é descrito com mais pormenor em baixo com referência à Fig. 7. 0 Sistema 12/16 D é um sistema cilíndrico ou esférico que gira devido ao arrasto entre o sistema D e a rotação geral da água, correspondendo à acção da onda. 0 sistema D é descrito com mais pormenor em baixo com referência à Fig. 8.

Fazendo referência à Fig. 7, um sistema de geração de energia através das ondas 80 compreende um corpo exterior 82 horizontalmente posicionado, um membro móvel 84, um estator 86, uma superfície de baixa fricção 88 e um gerador 90. O membro 84 e o estator 86 compreendem imanes permanentes como descrito previamente para permitir a conversão da frequência magnética. O membro móvel 84 é suportado sem a necessidade de meios resistentes, tal como uma mola. Em vez disso, o membro 84 é suportado pela superfície de baixa fricção 88, que pode ser, por exemplo, um conjunto de rolos esféricos. Se o sistema 80 estiver orientado na direcção do movimento da onda, o membro 84 pode ter um único grau de liberdade e poderia mover-se para trás e para a frente numa única direcção com a ondulação horizontal das ondas. Além disso, o sistema 80 pode também permitir ao membro 84 dois graus de liberdade, isto é, permitir que o membro 84 se mova em redor de um plano. Neste caso, não seria necessário orientar o sistema 80 na direcção do movimento da onda. Por exemplo, o membro 84 pode ser uma massa em forma de disco no corpo externo 82, que é um recipiente em forma de disco oco. O membro 84 também pode ser esférico e pode girar dentro do corpo 82. Se for necessário manter a massa mais ou menos centrada então pode ser mantida através de meios resistentes, tais como molas, ou ao formar o corpo 82 numa forma côncava.

Fazendo referência à Fig. 8, um sistema de geração de energia através das ondas 100 compreende um corpo externo 102, o qual pode ser cilíndrico ou esférico, um membro móvel, neste caso um rotor 104, um estator 106, uma superfície de baixa fricção 13/16 108 e uma pluralidade de pás 110. O rotor 104 e o estator 106 compreendem imanes permanentes como descrito previamente para permitir a conversão da frequência mecânica. Um gerador (não mostrado) pode ser fixo ao estator 106 para extrair energia eléctrica. Como mencionado, o corpo 102 pode ser cilindrico se alinhado perpendicularmente à direcção da onda. Neste caso, o movimento relativo do rotor 104 e o corpo 102 seria em redor de um único eixo. Alternativamente, o corpo 102 pode ser esférico e a fixação ao gerador teria de permitir o movimento de dois-eixos do rotor 104. O sistema 100 mostrado na Fig. 8 pode ser uma secção através de uma versão esférica ou cilíndrica. Em qualquer caso, o sistema 100 utiliza o peso do estator a bordo 106 para providenciar um binário de reacção contra o movimento continuo, enquanto os outros sistemas utilizam a inércia para providenciar uma força de reacção devido à aceleração sob movimento alternativo. O sistema 100 é descrito em termos do estator 106 estando dentro do rotor 104 e como tal, existe fluxo magnético radial. O estator 106 e rotor 104 podem também ser na forma de disco no mesmo eixo com a primeira e segunda pluralidade de imanes em superfícies opostas de cada disco. Neste caso, existiria um fluxo magnético axial. A utilização de intermediários pneumáticos, água, hidráulicos ou mecânicos entre a onda e o gerador, todos impõem uma ineficiência de sistema adicional " wave to wire". A presente invenção oferece a oportunidade de operar um sistema sem impor no sistema a penalização de ineficiência associada a cada um dos intermediários acima. 14/16

Além disso, um sistema de geração de energia através das ondas, que compreende um dispositivo de transmissão de força magnética, providencia vantagens significativas face a um gerador linear típico. Estas vantagens incluem eficiência aumentada relativamente à massa de materiais e subsequentemente uma redução de custo de produção para produção de energia similar. Por exemplo, uma concepção com uma mola magnética requer uma massa de imanes que resulta em 342 kg, uma massa de ferro negro que resulta em 329 kg e uma massa de bobinas, ou enrolamentos, de 13 kg. Esta concepção providencia uma energia de, aproximadamente, 90 kW para uma altura de onda de 3 m, com um período de 7 segundos, a uma eficiência de 75% e de, aproximadamente, 143 kW para uma altura de onda de 4 m, com um período de 8 segundos, a uma eficiência de 71%. Um gerador linear requer uma massa de imanes de 608 kg, massa de ferro negro de 1866 kg, massa de enrolamentos de 1531 kg e uma massa de dentes, em redor dos quais os enrolamentos estão enrolados, de 2116 kg para produzir 77 kW a 75% de eficiência para a mesma onda de 3 m, e 106 kW a 74% de eficiência para a mesma onda de 4 m.

Podem ser incorporadas modificações e melhorias sem se afastar do âmbito da invenção, como definido pelas reivindicações anexas. A presente invenção providencia meios para converter directamente oscilações de baixa frequência em oscilações de alta frequência. Isto é particularmente adequado para geração eléctrica, mas pode ser usado em outros dispositivos. Por exemplo, a transmissão de força magnética pode ser usada para accionar uma bomba.

Lisboa, 5 de Julho de 2013 15/16

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo Titular tem como único objetivo 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 2790095 A 16/16

Claims

Reivindicações 1. Um dispositivo de transmissão de força magnética (10) que compreende: um membro móvel (14), que compreende uma primeira pluralidade de zonas magnéticas (17) de polaridade alternada; e um estator (12) que compreende uma segunda pluralidade de zonas magnéticas (16) de polaridade alternada e dispostas para estarem de encontro à primeira pluralidade de zonas magnéticas (17), em que a primeira e segunda pluralidade de zonas magnéticas (17, 16) possuem o mesmo passo polar; caracterizado pelo facto de que o membro (14) e o estator (12) estão dispostos para se moverem relativamente um ao outro num único grau de liberdade; em que o dispositivo de transmissão de força magnética (10) é concebido de tal forma que quando uma primeira força alternativa (18) é aplicada ao membro para mover o mesmo num movimento alternativo correspondente, a primeira força alternativa é transmitida ao estator (12) por atracção e repulsão alternada entre a primeira e segunda pluralidade de zonas magnéticas (17, 16), durante o dito movimento, para mover alternativamente o estator (12) e providenciar uma segunda força alternativa do estator (12) de mais elevada frequência relativamente à primeira força.
2. Um dispositivo de transmissão de força magnética como reivindicado na reivindicação 1, em que o membro é um translador (14) .
3. Um dispositivo de transmissão de força magnética como reivindicado na reivindicação 1, em que o membro é um rotor (104) . 1/2
4. Um dispositivo de transmissão de força magnética como reivindicado na reivindicação 2, em que o estator (12) está colocado fora do membro (14).
5. Um dispositivo de transmissão de força magnética como reivindicado na reivindicação 1 ou 2, em que o movimento alternativo do estator (12) está limitado por meios resistentes.
6. Um dispositivo de transmissão de força magnética como reivindicado na reivindicação 5, em que os meios resistentes compreendem uma mola helicoidal (46).
7. Um dispositivo de transmissão de força magnética como reivindicado na reivindicação 5, em que os meios resistentes compreendem uma mola magnética (132, 134).
8. Um dispositivo de transmissão de força magnética como reivindicado em qualquer reivindicação precedente, em que a primeira e segunda pluralidades de zonas magnéticas compreendem imanes permanentes.
9. Um dispositivo de transmissão de força magnética como reivindicado na reivindicação 8, em que os imanes permanentes são imanes permanentes de terras raras ou imanes permanentes de ferrite. Lisboa, 5 de Julho de 2013 2/2