BR112018012644B1

BR112018012644B1 - Gerador de energia triboelétrico

Info

Publication number: BR112018012644B1
Application number: BR112018012644-6A
Authority: BR
Inventors: Hans KROES; Lutz Christian Gerhardt; Mark Thomas Johnson
Original assignee: Koninklijke Philips N.V.
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2023-05-09
Also published as: CN108476002B; JP2018538777A; RU2018126884A3; JP7030697B2; EP3394976A1; US11569760B2; BR112018012644A2; WO2017108546A1; RU2719361C2; CN108476002A; EP3394976B1; RU2018126884A; US20210211070A1

Abstract

GERADOR DE ENERGIA TRIBOELÉTRICO. A presente invenção refere-se a um gerador de energia triboelétrico (1) que compreende um primeiro elemento gerador (8) e um segundo elemento gerador (10). O primeiro elemento gerador compreende um primeiro material triboelétrico (9) e o segundo elemento gerador compreende um segundo material triboelétrico (13). O movimento do segundo elemento gerador em relação ao primeiro elemento gerador resulta em uma tensão de saída como consequência do efeito triboelétrico. Um tampão (7) é configurado para restringir a rotação do segundo elemento gerador, de maneira que o segundo elemento gerador pode girar apenas através de um ângulo desejado.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se a um sistema de conversão de energia para converter energia mecânica em energia elétrica e a métodos de conversão de energia.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Um exemplo desse tipo de sistema, através do qual a energia mecânica pode ser convertida em energia elétrica, é um sistema de geração de energia triboelétrico. O efeito triboelétrico (também conhecido como carregamento triboelétrico) é uma eletrificação induzida por contato na qual um material se torna eletricamente carregado depois de ser colocado em contato com um material diferente através de atrito. A geração triboelétrica se baseia na conversão de energia mecânica em energia elétrica, através de métodos que acoplam o efeito triboelétrico com indução eletrostática. Foi proposto fazer uso de geração triboelétrica para alimentar dispositivos para serem usados junto ao corpo como sensores e smartphones pela captura da energia mecânica desperdiçada de outro modo, de tais fontes como caminhada, movimentos aleatórios do corpo, sopro do vento, vibração ou ondas do mar (consultar, por exemplo: Wang, Sihong, Long Lin e Zhong Lin Wang. “Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors” Nano Energy 11 (2015): 436-462).

[003] O efeito triboelétrico se baseia em uma série que classifica vários materiais de acordo com sua tendência de ganhar elétrons (se tornar negativamente carregado) ou perder elétrons (se tornar positivamente carregado). Essa série é, por exemplo, revelada em A.F. Diaz e R.M. Felix-Navarro, a semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials: the influence of chemical structure and properties, Journal of Electrostatics 62 (2004) 277-290. As melhores combinações de materiais para criar eletricidade estática são um da lista de carga positiva e um da lista de carga negativa (por exemplo, politetrafluoroetileno (PTFE) com cobre, ou etileno- propileno fluorado (FEP) com alumínio). Esfregar o vidro com a pele ou um pente pelo cabelo são exemplos bem conhecidos de triboeletricidade no dia a dia.

[004] Em sua forma mais simples, um gerador triboelétrico usa, dessa forma, duas folhas de materiais dissimilares, uma como um doador de elétrons, a outra como um receptor de elétrons. Quando os materiais são colocados em contato, os elétrons são trocados de um material para o outro. Isso é simplesmente o efeito triboelétrico. Se as folhas são, então, separadas, cada folha comporta uma carga elétrica (de diferente polaridade), isolada pelo vão entre elas. Caso uma carga elétrica seja conectada entre os eletrodos dispostos nas bordas externas das duas superfícies do material, qualquer deslocamento adicional das folhas, tanto lateral quanto perpendicular, induzirá, em resposta, um fluxo de corrente entre os dois eletrodos. Isto é simplesmente um exemplo de indução eletrostática. À medida que a distância entre os respectivos centros de carga das duas placas aumenta, o campo elétrico de atração entre eles, ao longo do vão, enfraquece, resultando em um aumento na diferença de potencial entre os dois eletrodos externos, à medida que a atração elétrica de carga através da carga começa a vencer a força de atração eletrostática ao longo do vão.

[005] Em sua forma mais simples, um gerador triboelétrico usa, dessa forma, duas folhas de materiais dissimilares, uma como um doador de elétrons, a outra como um receptor de elétrons. Um ou mais dos materiais podem ser um isolante. Outros materiais possíveis podem incluir materiais semicondutores, por exemplo, silício que compreende uma camada de óxido nativo. Quando os materiais são colocados em contato, elétrons são trocados de um material para o outro. Isso é simplesmente o efeito triboelétrico. Caso as folhas sejam então separadas, cada folha comporta uma carga elétrica (de diferente polaridade), isolada pelo vão entre elas, e um potencial elétrico é consolidado. Caso uma carga elétrica seja conectada entre os eletrodos dispostos na parte posterior das duas superfícies do material, qualquer deslocamento adicional das folhas, tanto lateral quanto perpendicularmente, induzirá em resposta um fluxo de corrente entre os dois eletrodos. Isto é simplesmente um exemplo de indução eletrostática. À medida que a distância entre os respectivos centros de carga das duas placas aumenta, o campo elétrico de atração entre eles, ao longo do vão, enfraquece, resultando em um aumento na diferença de potencial entre os dois eletrodos externos, à medida que a atração elétrica de carga através da carga começa a vencer a força de atração eletrostática ao longo do vão.

[006] Desta forma, os geradores triboelétricos convertem energia mecânica em energia elétrica através de um acoplamento entre dois mecanismos físicos principais: eletrificação por contato (tribocarregamento) e indução eletrostática.

[007] Aumentando-se e diminuindo-se ciclicamente a separação mútua entre os centros de carga das placas, de modo que a corrente possa ser induzida a fluir para frente e para trás entre as placas em resposta, gera- se, assim, uma corrente alternada através da carga. A potência de saída pode ser aumentada pela aplicação de padrões de microescala às folhas de polímero. A padronização aumenta eficazmente a área de contato e, desse modo, aumenta a eficácia da transferência de carga.

[008] Recentemente, foi desenvolvida uma tecnologia de material emergente para geração de energia (coleta de energia) e conversão de potência que faz uso desse efeito, conforme revelado em Wang, Z. L,. “Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors.” ACS nano 7.11 (2013): 9533 a 9557. Com base nesse efeito, várias configurações de dispositivo foram desenvolvidas dos assim chamados nanogeradores triboelétricos (“TENG”, triboelectric nanogenerators) ou geradores triboelétricos (“TEG”, triboelectric generators).

[009] Desde seu primeiro relato em 2012, a densidade de potência de saída dos TEGs foi bastante melhorada. A densidade de potência de volume pode alcançar mais de 400 quilowatts por metro cúbico, e uma eficiência de ~60% foi demonstrada (ibid.). Em adição ao alto desempenho de saída, a tecnologia de TEG carrega numerosas outras vantagens, como baixo custo de produção, alta confiabilidade e robustez e baixo impacto ambiental.

[0010] O TEG pode ser usado como um gerador de energia elétrica, isto é, coleta de energia de, por exemplo, vibração, vento, água, movimentos aleatórios do corpo ou mesmo conversão de energia disponível mecanicamente em eletricidade. A tensão gerada é um sinal de potência.

[0011] Os TEGs podem, em geral, ser divididos em quatro classes operacionais principais.

[0012] Um primeiro modo de operação é um modo de separação de contato vertical, no qual se estabelece ou interrompe ciclicamente o contato entre duas ou mais placas por uma força aplicada. Isso pode ser usado em sapatos, por exemplo, onde a pressão exercida por um usuário ao pisar é usada para colocar as placas em contato. Um exemplo desse tipo de dispositivo foi descrito no artigo “Integrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motions” of Peng Bai et. al. em ACS Nano 2013 7(4), páginas 3713-3719. Aqui, o dispositivo compreende uma estrutura em múltiplas camadas formada sobre um substrato em formato de ziguezague. O dispositivo opera com base na transferência de carga de superfície, devido à eletrificação por contato. Quando uma pressão é aplicada à estrutura, o formato de ziguezague é comprimido para criar o contato entre as diferentes camadas, e o contato é liberado quando a pressão é liberada. A energia coletada pode ser, por exemplo, usada para carregar dispositivos portáteis móveis.

[0013] Um segundo modo de operação é um modo de deslizamento linear, sendo que as placas são induzidas para deslizar lateralmente uma em relação à outra para alterar a área de sobreposição entre elas. Uma diferença de potencial é induzida através das placas, que tem uma magnitude instantânea em proporção à taxa de alteração da área de sobreposição total. Ao se colocar e retirar repetidamente as placas de sobreposição mútua uma com a outra, uma corrente alternada pode ser estabelecida através de uma carga conectada entre as placas.

[0014] Um design que possibilita que a energia seja coletada dos movimentos de deslizamento é revelado no artigo “Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object of Human Motion in Contact and Non-Contact Modes” em Adv. Mater. 2014, 26, 2818 a 2824. Uma camada móvel de sustentação independente desliza entre um par de eletrodos estáticos. A camada móvel pode ser disposta para fazer contato com os eletrodos estáticos (isto é, em um pequeno espaçamento acima dos eletrodos estáticos) ou pode fazer contato deslizante.

[0015] Um terceiro modo de operação é um modo de eletrodo único no qual uma superfície é, por exemplo, aterrada - por exemplo, uma rodovia pavimentada - e uma carga é conectada entre a primeira superfície e a terra (consulte, por exemplo, Yang, Ya, et al. “Single-electrodebased sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vector sensor system.”, ACS nano 7.8 (2013): 7342-7351). A segunda superfície - não conectada eletricamente à primeira - é colocada em contato com a primeira superfície e a tribocarrega. À medida que a segunda superfície é, então, movida para longe da primeira, o excesso de carga na primeira superfície é dirigido para o terra, fornecendo uma corrente através da carga. Por conseguinte, apenas um único eletrodo (em uma única camada) é utilizado nesse modo de operação para fornecer uma corrente de saída.

[0016] Um quarto modo de operação é um modo de camada triboelétrica de sustentação independente, que é projetado para coletar a energia de um objeto em movimento arbitrário ao qual não são feitas conexões elétricas. Este objeto pode ser um carro em movimento, um trem em movimento ou um calçado, por exemplo. (Novamente, consultar “Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors.” ACS nano 7.11 (2013): 9533-9557).

[0017] Há ainda outros designs do gerador triboelétrico, como uma configuração em formato de arco duplo baseado na eletrificação por contato. A pressão faz com que os arcos se fechem para fazer contato entre as camadas de arco, e os arcos retornam para o formato aberto quando a pressão é liberada. Foi proposto também um gerador triboelétrico que é formado como um ressonador harmônico para capturar a energia de vibrações ambientes.

[0018] Um subconjunto específico de TEGs de modo de deslizamento linear que foi desenvolvido são TEGs de disco rotacional que podem ser operados tanto em um modo de contato (isto é, tribocarregamento e indução eletrostática contínuos) como em um modo sem contato (isto é, apenas indução eletrostática após eletrificação por contato inicial). Os TEGs de disco rotacional geralmente consistem de, ao menos, um rotor e um estator, sendo que cada um é formado como um conjunto de setores de círculo espaçados (segmentos). Os setores se sobrepõem e, então, se separam à medida que os dois discos giram um em relação ao outro. Conforme descrito acima, uma corrente pode ser induzida entre duas camadas - de cargas opostas - que deslizam lateralmente, com uma magnitude proporcional à taxa de alteração da área de sobreposição. À medida que cada setor sucessivamente espaçado do rotor é colocado e em seguida retirado de sobreposição com um dado setor de estator, uma corrente é induzida entre as duas placas de setor, inicialmente em uma primeira direção, conforme as placas aumentam em sobreposição e, em seguida, na direção oposta, conforme as placas diminuem em sobreposição.

[0019] As limitações das versões iniciais de TEGs de disco estruturados de modo segmentar, (Long Lin et al., Segmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy, Nano Lett., 2013, 13 (6), páginas 2916 a 2923) residem em que as camadas triboelétricas rotacional e estacionária exigem deposição de eletrodos de metal e conexão com condutores elétricos, o que leva a uma operação inconveniente da parte rotacional.

[0020] Um TEG de disco com ambos os grupos de eletrodos dotados de um padrão fixados sobre um disco estacionário, juntamente com uma camada triboelétrica de sustentação independente sobre um disco rotacional, pode resolver esses problemas, conforme revelado em Long Lin et al., Noncontact Free-Rotating Disk Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), páginas de 3031 a 3038.

[0021] Com esse tipo de estrutura, não há necessidade de deposição de eletrodo ou conexão elétrica para a parte rotacional, o que dramaticamente melhora a facilidade de operação do coletor de energia.

[0022] Os TEGs de disco rotacional, e de fato, os TEGs de modo de deslizamento linear, de modo geral, podem ser operados tanto em um modo de contato quanto em um modo sem contato. Embora um contato seja desejado para se tribocarregar as placas (tanto inicialmente como também subsequentemente, para neutralizar o vazamento), o próprio processo de indução eletrostática (por meio do qual a energia elétrica é gerada) não exige contato entre as placas, mas funciona bem com uma pequena separação de placa (de, por exemplo, aproximadamente 0,5 mm).

[0023] A operação em um modo de contato - no qual as placas são mantidas em contato constante de modo que haja atrito entre as mesmas - resulta em uma potência de saída maior, uma vez que as placas estão sendo continuamente carregadas e, portanto, continuamente mantidas a uma capacidade de carga máxima teórica (definida pela capacitância do sistema de biplaca) por substituição contínua de carga perdida através de vazamento etc. Quanto maior for a carga que pode ser mantida nas placas, maior a saída de indução eletrostática que pode ser gerada, uma vez que uma densidade de carga naturalmente maior induz uma força eletrostática maior entre os elétrons nas placas.

[0024] Os TEGs giratórios convencionais dependem da rotação completa contínua, geralmente alta, de 360 graus do elemento de rotor próximo ao elemento estator. Esses dispositivos funcionam mal quando apenas um pequeno movimento giratório oscilante é aplicado; é, portanto, difícil colher energia desse tipo de movimento mecânico. Existe, portanto, uma necessidade por um dispositivo TEG que produza potência de saída otimizada de oscilações angulares pequenas.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0025] A invenção é definida pelas reivindicações.

[0026] De acordo com exemplos, de acordo com um aspecto da invenção, é apresentado um gerador de energia triboelétrico, conforme definido na reivindicação 1.

[0027] O gerador de energia triboelétrico compreende um primeiro elemento gerador e um segundo elemento gerador, que são dispostos de modo que o movimento relativo entre o primeiro e o segundo elementos geradores produza uma tensão de saída. O movimento relativo pode resultar em uma alteração na separação entre o primeiro e o segundo materiais triboelétricos ou uma alteração na área de sobreposição entre o primeiro e o segundo materiais triboelétricos.

[0028] Em uso, o gerador de energia triboelétrico pode ser usado para alimentar um circuito externo conectando o primeiro e o segundo elementos geradores ao circuito externo. O primeiro e o segundo materiais triboelétricos são materiais triboelétricos dissimilares (um é um doador de elétrons, enquanto o outro é um aceptor de elétrons). O contato entre o primeiro e o segundo materiais triboelétricos causa um acúmulo de carga no primeiro e no segundo elementos geradores, de modo que o primeiro e o segundo elementos geradores se tornem cargas opostas. O movimento do segundo elemento gerador em relação ao primeiro elemento gerador resulta em uma tensão de saída como consequência de uma combinação do efeito triboelétrico e da indução eletrostática.

[0029] Em uso, o segundo elemento gerador gira enquanto o primeiro elemento gerador é estacionário. O segundo elemento gerador gira a partir de uma posição inicial através de um ângulo em relação ao primeiro elemento gerador e, então, gira de volta para a posição inicial. Dessa forma, o segundo elemento gerador realiza uma oscilação giratória e se move entre uma primeira configuração e uma segunda configuração. O tampão é configurado para restringir a rotação do segundo elemento gerador, de modo que o segundo elemento gerador possa girar apenas através de uma faixa angular desejada, até um ângulo máximo de rotação.

[0030] Quando o gerador de energia triboelétrico está conectado a um circuito externo, a rotação do rotor em relação ao estator gera um fluxo alternado de elétrons. O tampão restringe a rotação do rotor em torno do coeixo até uma faixa angular desejada.

[0031] Além disso, ao restringir o movimento giratório a uma faixa angular específica, o tampão fornece um amortecedor giratório gerador de energia que pode remover frequências indesejadas, por exemplo, ruído vibratório. O tampão é disposto de modo a limitar a rotação do rotor a um nível máximo de deslocamento angular. O ângulo máximo é o maior ângulo permitido de rotação do rotor em relação ao estator.

[0032] Deve-se observar que o eixo de rotação pode ser estático ou pode se mover, por exemplo, para possibilitar um movimento de rolamento. O eixo de rotação pode se mover em pequenos movimentos axiais lineares; isso pode ser particularmente útil para operar em um modo sem contato (em que o primeiro e o segundo materiais triboelétricos não entram em contato uns com os outros) ou para recarga periódica.

[0033] O gerador de energia recebe energia mecânica a partir de uma fonte de entrada. A fonte de entrada de energia se move de maneira oscilante, por exemplo, em forma de vibração. Geradores triboelétricos giratórios convencionais são ineficientes na conversão de movimentos oscilantes em energia elétrica.

[0034] Em algumas modalidades, mediante a restrição do movimento do segundo elemento gerador, possibilita-se a geração eficiente de energia a partir de pequenos movimentos, uma vez que a duração do contato ou o período de duração durante o qual o primeiro e o segundo materiais triboelétricos se sobrepõem é maximizado.

[0035] Em algumas modalidades, o tampão fornece uma área de contato ou sobreposição aumentada para uma tribocarga e geração de energia aprimoradas.

[0036] O gerador de energia triboelétrico é particularmente eficaz na conversão de pequenos movimentos giratórios periódicos em eletricidade. Por exemplo, o gerador é otimizado para movimentos angulares menores que 360 graus, em vez de rotações completas de 360 graus contínuas e repetidas. O gerador de energia triboelétrico pode, portanto, ser usado para gerar eletricidade a partir de uma fonte de entrada que oscila com uma pequena amplitude. Em exemplos, o gerador é otimizado para uso com movimentos angulares menores que ou iguais a 60 graus ou menores ou iguais a 15 graus.

[0037] O gerador de energia triboelétrico pode compreender adicionalmente: um estator compreendendo o primeiro elemento gerador, e um rotor que compreende o segundo elemento gerador, sendo que o rotor e o estator são coaxiais e o rotor é disposto de modo a girar ao redor de um coeixo e o tampão é disposto de modo a limitar a rotação do rotor em torno do coeixo.

[0038] Quando o gerador de energia triboelétrico está conectado a um circuito externo, a rotação do rotor em relação ao estator gera um fluxo alternado de elétrons. O tampão restringe a rotação do rotor em torno do coeixo até uma faixa angular desejada.

[0039] Além disso, ao restringir o movimento giratório a uma faixa angular específica, o tampão fornece um amortecedor giratório gerador de energia que pode remover frequências indesejadas, por exemplo, ruído vibratório. O tampão é disposto de modo a limitar a rotação do rotor a um nível máximo de deslocamento angular. O ângulo máximo é o maior ângulo permitido de rotação do rotor em relação ao estator.

[0040] O rotor pode compreender uma ou uma pluralidade de aletas que se projeta para fora a partir do coeixo, e o tampão pode ser disposto de modo a restringir o movimento das aletas. As aletas podem se projetar radialmente a partir de um ponto central do rotor. Ao limitar o movimento das aletas, o rotor é impedido de girar em torno do eixo fora de uma faixa angular desejada.

[0041] Pelo menos uma aleta pode compreender o segundo elemento gerador, e o estator pode compreender o primeiro elemento gerador disposto de modo a fazer interface com o segundo elemento gerador em uso. Uma ou cada uma das aletas pode implementar um segundo elemento gerador. Cada aleta pode compreender uma porção, dotada do segundo material triboelétrico, que é disposta para se sobrepor a uma área do estator compreendendo o primeiro material triboelétrico em uso. Nos exemplos que compreendem uma pluralidade de aletas, as aletas podem ser dotadas tanto do primeiro quanto do segundo materiais triboelétricos, e o estator pode também ser dotado tanto do primeiro quanto do segundo materiais triboelétricos. Por exemplo, uma aleta pode ser dotada do primeiro material triboelétrico e a próxima aleta adjacente pode ser dotada do segundo material triboelétrico, de modo que as aletas sejam dotadas do primeiro e do segundo materiais triboelétricos alternadamente. O estator pode ser dotado do primeiro e do segundo materiais triboelétricos alternativamente, em uma disposição que corresponde à disposição do primeiro e do segundo materiais triboelétricos nas aletas.

[0042] O tampão pode ser configurado para restringir o rotor a girar dentro de uma faixa angular de 0 grau a 360 graus, de 0 a 180 graus, de 0 a 120 graus, de 0 a 90 graus, de 0 a 60 graus, de 0 a 45 graus, de 0 a 30 graus, de 0 a 15 graus, de 0 a 10 graus, de 0 a 5 graus ou de 0 a 1 grau. O tampão pode compreender uma pluralidade de porções de tampão que são dispostas para restringir o movimento do rotor. Uma pluralidade de porções de tampão pode definir um ângulo através do qual uma aleta do rotor pode girar livremente. As porções de tampão podem ser dispostas radialmente a fim de restringir o movimento do rotor a uma faixa angular definida pela posição das porções de tampão.

[0043] O tampão pode ser implementado pelo estator. Por exemplo, o tampão pode ser fornecido por meio de protuberâncias ou por uma parede.

[0044] Uma superfície do tampão, disposta para entrar em contato com o segundo elemento gerador em uso, pode ser dotada do primeiro material triboelétrico. O rotor pode ser girado em direção ao tampão até que o segundo elemento gerador e o tampão entrem em contato um com o outro. Nesse ponto, quando o gerador de energia triboelétrico está conectado a um circuito externo, o impacto entre o primeiro e o segundo materiais triboelétricos produz um sinal elétrico. À medida que o rotor se afasta do tampão, a separação entre o primeiro e o segundo materiais triboelétricos aumenta, produzindo um outro sinal elétrico de polaridade oposta ao sinal elétrico inicial.

[0045] O rotor pode compreender um primeiro elemento de travamento, e o tampão pode ser conformado para receber o primeiro elemento de travamento.

[0046] O primeiro elemento de travamento pode compreender o segundo elemento gerador. O tampão pode compreender o primeiro elemento gerador. O elemento de travamento pode compreender uma pluralidade de projeções que são conformadas para complementar o formato do tampão. Dessa maneira, uma área de sobreposição máxima eficaz entre o primeiro e o segundo elementos geradores pode ser aumentada. Dessa forma, a eficiência da geração de energia pode ser otimizada.

[0047] O primeiro elemento gerador pode compreender um primeiro eletrodo fixado ao primeiro material triboelétrico e o segundo elemento gerador pode compreender um segundo eletrodo fixado ao segundo material triboelétrico.

[0048] Quando o primeiro material triboelétrico e o segundo material triboelétrico entram em contato um com o outro, cada material acumula uma carga de polaridade oposta à do outro material. O movimento relativo entre o primeiro e o segundo materiais triboelétricos causa indução eletrostática em um eletrodo correspondente.

[0049] De acordo com outro aspecto da invenção, é fornecido um gerador de energia triboelétrico que compreende: um primeiro elemento gerador e um segundo elemento gerador, que tem um eixo central, que compreende : uma primeira porção em um primeiro lado do eixo central e uma segunda porção em um segundo lado do eixo central oposto ao primeiro lado, sendo que o segundo elemento gerador é disposto de modo a oscilar em torno do eixo central a partir de uma primeira posição, na qual a primeira porção entra em contato com o primeiro elemento gerador, até uma segunda posição na qual a segunda porção entra em contato com o primeiro elemento gerador.

[0050] O primeiro e o segundo elementos geradores compreendem materiais triboelétricos. A segunda porção pode ser disposta para executar um movimento de oscilação, de maneira que, quando a primeira porção entra em contato com o primeiro elemento gerador, a segunda porção é separada do primeiro elemento gerador e vice-versa. Quando a primeira porção entra em contato com o primeiro elemento gerador, o primeiro e o segundo materiais triboelétricos ficam tribocarregados. Ao mesmo tempo, à medida que a primeira porção se aproxima do primeiro elemento gerador, a segunda porção se afasta do mesmo, de maneira que uma diferença de potencial é produzida entre a segunda porção e o primeiro elemento gerador. Da mesma forma, quando a segunda porção entra em contato com o primeiro elemento gerador, uma carga é produzida (a segunda porção é tribocarregada). À medida que a segunda porção se aproxima do primeiro elemento gerador, a primeira porção se move na direção oposta a ele, de modo que uma diferença de potencial é construída entre a primeira porção e o primeiro elemento gerador.

[0051] A primeira porção e a segunda porção podem compreender uma superfície de carga disposta para entrar em contato com o primeiro material triboelétrico em uso.

[0052] O segundo elemento gerador pode ser adaptado de modo que, em uso, o ângulo subtendido pela superfície de carga da porção em contato com o primeiro material triboelétrico seja igual a ou menor que 180 graus, ou de preferência menor que ou igual a 90 graus.

[0053] A primeira porção pode compreender uma primeira superfície de carga disposta para fazer face a uma superfície do primeiro elemento gerador, e, em uso, o ângulo subtendido pela primeira superfície de carga e a superfície oposta do primeiro elemento gerador pode ser menor que ou igual a 180 graus, ou de preferência menor que ou igual a 90 graus.

[0054] A segunda porção pode compreender uma segunda superfície de carga disposta para fazer face a uma superfície do primeiro elemento gerador, e sendo que, em uso, o ângulo subtendido pela primeira superfície de carga e a superfície oposta do primeiro elemento gerador pode ser igual a ou menor que 180 graus, ou de preferência menor que ou igual a 90 graus.

[0055] O segundo elemento gerador pode ser configurado para girar em torno de um eixo central. Por exemplo, o segundo elemento gerador pode girar em torno de um eixo perpendicular ao primeiro elemento gerador. Portanto, o gerador de energia triboelétrico pode executar um movimento de rolar, bem como um movimento de rolamento. Dessa maneira, o tempo de vida do produto pode ser prolongado, uma vez que diferentes partes do primeiro e do segundo materiais triboelétricos entram em contato umas com as outras dependendo do rolamento do segundo elemento gerador.

[0056] O primeiro elemento gerador pode compreender um primeiro eletrodo e o segundo elemento gerador pode compreender um segundo eletrodo.

[0057] O primeiro elemento gerador pode compreender um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo.

[0058] O gerador de energia triboelétrico pode compreender adicionalmente um tampão, sendo que o segundo elemento gerador entra em contato com o tampão na primeira posição e na segunda posição.

[0059] O ângulo de rotação do segundo elemento gerador na primeira e na segunda posição é menor que 45 graus.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0060] Exemplos da invenção serão agora descritos em detalhes com referência aos desenhos anexos, nos quais: a Figura 1 mostra um gerador de energia triboelétrico a de acordo com um primeiro exemplo; Figura 2 mostra um gerador de energia triboelétrico a de acordo com um segundo exemplo; Figura 3 mostra um gerador de energia triboelétrico a de acordo com um terceiro exemplo; Figura 4 mostra um gerador de energia triboelétrico a de acordo com um quarto exemplo; Figura 5 mostra um gerador de energia triboelétrico a de acordo com um quinto exemplo; Figura 6A mostra um gerador de energia triboelétrico a de acordo com um sexto exemplo; Figura 6B mostra um gerador de energia triboelétrico de acordo com um sétimo exemplo; a Figura 7 mostra um gerador de energia triboelétrico a de acordo Figura 8 com um oitavo exemplo; mostra um gerador de energia triboelétrico a de acordo Figura 9 com um nono mostra exemplo e um gerador de energia triboelétrico de acordo com um décimo exemplo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0061] A invenção fornece um gerador de energia triboelétrico compreendendo um primeiro elemento gerador e um segundo elemento gerador. O primeiro elemento gerador compreende um primeiro material triboelétrico e o segundo elemento gerador compreende um segundo material triboelétrico, que é diferente do primeiro material triboelétrico. O movimento do segundo elemento gerador em relação ao primeiro elemento gerador resulta em uma tensão de saída e uma corrente de saída, como consequência de uma combinação do efeito triboelétrico e da indução eletrostática. Portanto, a oscilação do segundo elemento gerador em resposta à perturbação mecânica no ambiente pode ser usada para gerar eletricidade. O gerador de energia triboelétrico inclui um tampão que é configurado para restringir a rotação do segundo elemento gerador, de modo que o segundo elemento gerador possa girar apenas através de um ângulo específico determinado pela posição do tampão. O gerador de energia triboelétrico é adaptado para maximizar e/ou otimizar a geração de energia a partir de pequenos movimentos rotacionais periódicos.

[0062] A Figura 1 mostra um exemplo de um gerador de energia triboelétrico 1, que compreende um estator 3 e um rotor 5. O rotor 5 é posicionado dentro de uma cavidade do estator 3 em uma disposição coaxial, e o rotor 5 é disposto de modo a girar em torno do coeixo (mostrado pela linha tracejada). O estator 3 compreende uma pluralidade de protuberâncias que se estende a partir da periferia do estator 3 em direção ao centro do estator. Além de implementar um tampão 7, as protuberâncias implementam um primeiro elemento gerador 8, uma vez que as superfícies laterais das protuberâncias, que são perpendiculares à base do estator, são cobertas com o primeiro material triboelétrico 9. O segundo elemento gerador 10 é fornecido pelo rotor 5 que compreende uma pluralidade de aletas 11. As aletas 11 divergem para fora a partir do centro do rotor 5 e são posicionadas para se estender entre protuberâncias consecutivas do estator. Dessa maneira, o rotor 5 e o estator 3 são dispostos de modo que o rotor possa girar apenas em um ângulo desejado antes de atingir uma parte do tampão 7. As superfícies laterais de cada aleta 11 são cobertas com o segundo material triboelétrico 13. Em uso, as aletas 11 oscilam entre as protuberâncias que implementam o primeiro elemento gerador 8 em cada lado da aleta 11. Quando as aletas 11 encaixam-se no tampão 7, o primeiro material triboelétrico 9 e o segundo material triboelétrico 13 entram em contato e geram um sinal elétrico.

[0063] Tanto o rotor quanto o estator podem ter disposições de eletrodo posicionadas abaixo ou atrás do material triboelétrico. O estator 3 pode compreender um primeiro eletrodo posicionado abaixo ou atrás do primeiro material triboelétrico 9 e o rotor 5 compreende um segundo eletrodo posicionado abaixo ou atrás do segundo material triboelétrico 13.

[0064] Alternativamente, o estator pode compreender uma série de eletrodos (condutivos) dispostos, enquanto o rotor compreende uma camada de sustentação independente de material dielétrico, que pode ser metálica ou não metálica. Além disso (conforme discutido em Long Lin et al., Noncontact Free-Rotating disc Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), páginas de 3031 a 3038), com esse tipo de estrutura, não há necessidade de deposição de eletrodo ou conexão elétrica para a parte giratória, o que melhora drasticamente o aparato operacional do gerador. É claro que os designs do rotor e do estator podem ser invertidos.

[0065] Quando as aletas 11 se movem para trás, na direção oposta ao tampão 7, a separação entre o primeiro e o segundo materiais triboelétricos aumenta. Isso induz um outro sinal elétrico que tem uma polaridade oposta em comparação com o sinal de impacto. Com oscilações giratórias subsequentes, o gerador de energia triboelétrico 1 produz um sinal elétrico alternado.

[0066] As protuberâncias têm formato de cunha e complementam o formato das aletas 11 do rotor 5, de modo que a área de sobreposição entre o primeiro material triboelétrico 9 e o segundo material triboelétrico 13 seja maximizada.

[0067] Ambas as superfícies laterais do tampão 7 e as aletas 11 do rotor são dotadas de material triboelétrico. Portanto, quando um lado da aleta 11 entra em contato com uma superfície do tampão 7 dotada do segundo material triboelétrico 13, o outro lado da aleta 11 está na separação máxima da superfície de tampão correspondente.

[0068] O dispositivo forma um círculo completo, que é dividido em setores pelos tampões. O exemplo mostrado tem seis aletas de rotor 11, cada uma com uma faixa de movimento de cerca de 35 graus. Os tampões, dessa forma, se estendem até cerca de 25 graus, de modo que cada tampão e espaçamento entre os tampões seja de 60 graus. Pode haver mais ou menos aletas dispostas ao redor do círculo completo. A liberdade angular do rotor pode ser aumentada ou diminuída mediante a alteração do número de elementos de tampão e aletas.

[0069] O tampão pode ser disposto de modo que, quando o segundo elemento gerador oscilante atinge o tampão, seja produzida uma tensão, que pode ser usada como um sinal de disparo para sincronização, por exemplo, para sincronização da conversão de energia. Dessa forma, a conversão de energia pode ser feita de modo mais eficiente.

[0070] A Figura 2 mostra outro exemplo de um gerador de energia triboelétrico 1, que compreende novamente um estator 3 e um rotor 5, que são dispostos coaxialmente. O rotor 5 é fornecido dentro do estator 3, e a parede externa do estator fornece um tampão 7. Uma seção da parede externa dotada do primeiro material triboelétrico 9 implementa o primeiro elemento gerador 8. O estator 3 compreende um primeiro eletrodo posicionado abaixo ou atrás do primeiro material triboelétrico 9. O rotor 5 compreende duas aletas 11, que implementam o segundo elemento gerador 10. As aletas 11 giram em torno do coeixo (mostrado pela linha tracejada) entre uma primeira configuração na qual um primeiro par de superfícies de aletas dotadas do segundo material triboelétrico 13 entra em contato com uma parede externa do estator 3 dotado do primeiro material triboelétrico 9, e uma segunda configuração na qual um segundo par de superfícies de aletas dotadas do segundo material triboelétrico 13 entra em contato com uma porção da parede externa dotada de um primeiro material triboelétrico 13. O rotor 5 compreende um segundo eletrodo posicionado abaixo ou atrás do segundo material triboelétrico 13.

[0071] Esse design tem um formato de gravata borboleta geral, e há apenas duas aletas diametralmente opostas 11, cada uma alojada dentro de uma câmara. A aleta pode ocupar um ângulo de apenas menos da metade da extensão angular da cavidade formada pelo tampão 7.

[0072] A Figura 3 mostra um gerador de energia triboelétrico que oscila de forma giratória 1 no qual um ou mais segmentos do primeiro material triboelétrico 9 são fornecidos na base do estator 3, sob o rotor 5. O estator 3 compreende um primeiro eletrodo posicionado abaixo ou atrás do primeiro material triboelétrico 9. O dispositivo 5 compreende uma pluralidade de aletas 11. O segundo material triboelétrico 13 é fornecido em uma superfície inferior das aletas, que fica voltada para a base do estator 3. Os tampões em formato de cunha 7 se projetam para cima a partir da base do estator 3 e se estendem a partir de uma borda periférica da superfície do estator em direção ao centro do estator 3. À medida que o rotor 5 gira entre os tampões 7, a superfície inferior das aletas 11 dotada do segundo material triboelétrico 13 e os segmentos do primeiro material triboelétrico 9 fornecidos na base do estator 3 são colocados dentro e fora de sobreposição. O rotor 5 compreende um segundo eletrodo posicionado abaixo ou atrás do segundo material triboelétrico 13. À medida que cada setor sucessivamente espaçado do rotor é colocado e em seguida retirado de sobreposição com um dado setor de estator, uma corrente é induzida entre as duas placas de setor, inicialmente em uma primeira direção, conforme as placas aumentam em sobreposição e, em seguida, na direção oposta, conforme as placas diminuem em sobreposição.

[0073] O rotor 5 pode ser disposto de modo a estar em contato físico com o primeiro material triboelétrico 9 ou pode ser separado da base do estator por um vão de ar. Neste exemplo, o gerador de energia triboelétrico 1 gera um sinal elétrico alternado que depende da frequência de oscilação do rotor e do número de segmentos triboelétricos na base do estator 3, entre as partes consecutivas do tampão 7.

[0074] Pode haver apenas um eletrodo de estator para cada câmara de estator (entre um par de tampões 7). O eletrodo de estator pode, então, ocupar apenas menos da metade da área angular de modo que o rotor se mova entre a sobreposição total do eletrodo de estator e nenhuma sobreposição. Alternativamente, pode haver um conjunto de eletrodos de estator espaçados em cada câmara, conforme mostrado. A Figura 3 mostra cinco eletrodos de estator em cada câmara. Em todos os casos, os eletrodos de estator podem corresponder em tamanho e formato ao eletrodo da aleta do rotor.

[0075] A Figura 4 mostra um gerador de energia triboelétrico que oscila de forma giratória 1 com uma parede externa do invólucro que se estende ao redor da periferia do estator 3. Os segmentos do primeiro material triboelétrico 9 são colocados sobre uma superfície interna da parede externa que fica voltada para o centro do estator 3. O rotor 5 compreende uma pluralidade de aletas 11, sendo que as pontas radialmente externas são cobertas pelo segundo material triboelétrico 13. O rotor 5 pode ser disposto de modo a entrar em contato com o estator, para deslizar ao longo dos segmentos do primeiro material triboelétrico 9 ou, em um exemplo alternativo, pode ser disposto de modo a ser separado dos segmentos por um vão de ar. O gerador de energia triboelétrico 1 gera um sinal elétrico alternado, dependendo da frequência da oscilação e do número de segmentos triboelétricos entre partes consecutivas do tampão 7.

[0076] A Figura 5 mostra um gerador de energia triboelétrico 1 novamente compreendendo um rotor 5 e um estator 3. Nesse exemplo, o rotor 5 e o estator 3 são adaptados para se encaixar em um ângulo de rotação específico. O rotor 5 compreende uma pluralidade de aletas 11 que se estendem radialmente a partir do centro do rotor. As aletas 11 compreendem elementos de intertravamento arqueados 14 que são conformados para se entrelaçar com o estator 3. Dessa forma, o rotor pode ser considerado como tendo um conjunto de troncos radiais 11 a partir dos quais se estende um conjunto de ramificações circunferenciais 14. O estator 3 compreende uma pluralidade de protuberâncias concêntricas que fornecem um tampão 7 pela pressão contra as aletas radiais 11. Nos exemplos, as ramificações se projetam a partir de ambos os lados das aletas 11. As protuberâncias são conformadas para complementarem o formato dos elementos de intertravamento 14, de maneira que o tampão 7 e os elementos de intertravamento 14 se conectam entre si quando são unidos. As superfícies das protuberâncias que implementam o tampão 7 são dotadas do primeiro material triboelétrico 9 e as superfícies externas dos elementos de intertravamento são dotadas de um segundo material triboelétrico 13. O estator 3 compreende um primeiro eletrodo posicionado abaixo ou atrás do primeiro material triboelétrico 9 e o rotor 5 compreende um segundo eletrodo posicionado abaixo ou atrás do segundo material triboelétrico 13. Os materiais são fornecidos nas superfícies curvas. Quando o rotor e o estator são intertravados, um conjunto de áreas de contato concêntricas é definido. A faixa de movimento angular do rotor é, por exemplo, suficiente para intertravar completamente o rotor e o estator e liberar totalmente o rotor do estator.

[0077] Em uso, quando o rotor 5 é girado em uma primeira direção, as superfícies das aletas que compreendem o segundo material triboelétrico e as superfícies das protuberâncias do tampão que implementam o segundo material triboelétrico são unidas, de maneira que a área de sobreposição é aumentada. Quando o rotor 5 é girado em uma segunda direção, oposta à primeira direção, as aletas e as protuberâncias do tampão se movem na direção oposta uma à outra, de maneira que a área de sobreposição entre o primeiro e o segundo materiais triboelétricos diminui. Ao se fornecer essa disposição, possibilita-se uma área superficial triboelétrica mais eficaz entre o rotor e o estator. O rotor 5 pode ser disposto de modo a entrar em contato físico com o estator e deslizar ao longo dos segmentos triboelétricos ou pode ser separado dos segmentos por um vão de ar.

[0078] Ao girar o rotor em direções alternadas, um sinal elétrico alternado é gerado, o que depende da frequência da frequência de oscilação. A potência de saída do gerador dependerá da frequência de oscilação e do número de pares de protuberâncias e dos elementos de travamento 14 dotados do primeiro e do segundo materiais triboelétricos, respectivamente.

[0079] Cada câmara de rotor pode ter duas ou mais partes arqueadas 14. Três são mostradas na Figura 5, mas pode haver mais para aumentar a área de sobreposição. Por exemplo, pode haver entre 2 e 10 porções concêntricas arqueadas e um número correspondente de porções de estator arqueadas 7 que funcionam como tampões. As ramificações de rotor podem ser flexíveis; as ramificações podem ser construídas a partir de um material flexível ou podem ter uma estrutura fina, por exemplo, as ramificações podem compreender uma folha metálica fina, para possibilitar que as ramificações sejam flexíveis.

[0080] Deve-se observar que os designs gerais circulares das Figuras 3, 4 e 5 podem ser modificados para fornecer um par de câmaras opostas apenas, da maneira da Figura 2. Isso fornece um fator de forma diferente que pode ser benéfico para alguns designs.

[0081] Os exemplos acima são baseados na rotação entre o rotor e o estator em torno de um eixo fixo. Essa não é a única opção.

[0082] A Figura 6A mostra um outro exemplo de um gerador de energia triboelétrico 1 de acordo com um exemplo. O gerador de energia triboelétrico 1 compreende um primeiro elemento gerador 8 que compreende uma porção de base e duas paredes laterais que são fornecidas em lados opostos de um eixo central e um segundo elemento gerador 10 que compreende um corpo circular do segundo material triboelétrico. O primeiro elemento gerador compreende o primeiro material triboelétrico. As paredes laterais do primeiro elemento gerador 8 fornecem um tampão 7 que restringe o movimento do segundo elemento gerador 10 de modo que possa apenas girar em um ângulo desejado, que é menor que, por exemplo, 60 graus.

[0083] A rotação é em torno de um eixo em movimento, uma vez que a rotação é acompanhada pela translação, pelo fato de que o segundo elemento gerador 10 (que pode ser considerado como sendo o rotor) realiza uma ação de rolamento. A faixa angular da rotação depende do raio do segundo elemento gerador e da largura do eletrodo. Essa disposição pode ser usada para movimentos rotacionais menores que 45 graus, por exemplo. Em algumas modalidades, o diâmetro do segundo elemento gerador (d) pode ser igual à largura do eletrodo (W). Em outras modalidades, o diâmetro do segundo elemento gerador situa-se na faixa de W < d > 1,5 W.

[0084] Em particular, o segundo elemento gerador 10 é disposto de modo a rolar entre as paredes laterais do primeiro elemento gerador 8. O segundo elemento gerador compreende, de preferência, um material condutor para facilitar uma distribuição igual de carga sobre a superfície. Em uma primeira configuração, uma primeira porção do segundo material triboelétrico entra em contato com uma primeira parede do primeiro elemento gerador 8 (diagrama superior). Em uma segunda configuração, uma segunda porção do segundo material triboelétrico entra em contato com uma segunda parede do primeiro elemento gerador (diagrama inferior). O segundo elemento triboelétrico oscila entre a primeira e a segunda configurações. Em uma configuração de equilíbrio (diagrama do meio), apenas uma parte do segundo elemento gerador entra em contato com o primeiro elemento gerador, enquanto que na segunda configuração duas seções do segundo elemento gerador entram em contato com o primeiro elemento gerador.

[0085] Um primeiro eletrodo 15 é fornecido em um primeiro lado do primeiro elemento gerador 8 e um segundo eletrodo 16 é fornecido em um segundo lado do primeiro elemento gerador 8, oposto ao primeiro lado.

[0086] Um dos eletrodos poderia ser usado também para sincronizar o sistema de geração de energia. Conversores com capacitor chaveado podem, por exemplo, ser implementados como conversores de energia. Embora esses conversores não exijam indutância alguma, seus sinais de acionamento ainda precisam ser sincronizados corretamente com o sinal gerado pelos TEGs. Nesse caso, o gerador pode ser usado com um conversor com capacitor chaveado para reduzir a tensão de saída do gerador de energia. O conversor com capacitor chaveado compreende um banco de capacitores e uma disposição de chave. Um controlador é usado para controlar as chaves, com base em um sinal de retroalimentação proveniente do gerador de energia. Dessa forma, o gerador de energia cria um sinal de retroalimentação que é, então, usado para controlar um conversor com capacitor chaveado para converter a tensão de entrada, por exemplo, para reduzir a tensão de entrada, sem perdas significativas de energia. O sinal de retroalimentação é gerado diretamente em resposta ao movimento. Isso significa que o sinal de retroalimentação não é gerado com base no processamento de sinal da tensão ou potência de saída e, portanto, não exige consumo de energia significativo para gerar o sinal de retroalimentação. Isso fornece controle automático do conversor com capacitor chaveado, simplificando, assim, o circuito de controle geral e melhorando a eficiência. A autossincronização pode ser usada em outras aplicações além da conversão de energia, por exemplo, a autossincronização que controla a saída de energia. Uma vez que o sinal de saída do eletrodo de controle TEG tem uma frequência proporcional à velocidade de rotação do rotor, essas informações podem ser usadas como um sinal de retroalimentação para um controlador disposto de modo a controlar a velocidade de rotação do elemento gerador de carga oscilante, e, dessa forma, a potência de saída do TEG.

[0087] A Figura 6B mostra uma disposição na qual um eletrodo de controle adicional 15', 16' é fornecido em cada lado para facilitar a sincronização do sistema de geração de energia. Os eletrodos de sincronização são projetados de modo que o padrão de chaveamento do conversor com capacitor chaveado seja sincronizado com a tensão de saída do TEG. Isso significa que há geração automática de um sinal de controle sincronizado, com base no posicionamento ótimo dos eletrodos de controle em relação aos eletrodos de geração de energia. Dessa forma, a conversão de energia pode ser otimizada sem a necessidade de um circuito de detecção e controle especial.

[0088] A Figura 7 mostra um exemplo de um gerador de energia triboelétrico 1 que é projetado para fornecer uma tensão de saída a partir de pequenos movimentos de oscilação, por exemplo, para movimentos que têm um ângulo de oscilação α, onde sin(α)=α. Por exemplo, os movimentos de oscilação podem ter um ângulo de oscilação igual a ou menor que 15 graus. O gerador de energia triboelétrico 1 compreende um primeiro elemento gerador 8 que compreende um primeiro material triboelétrico 9 e um primeiro eletrodo 15, e um segundo elemento gerador 10 que compreende um segundo material triboelétrico 13 e um segundo eletrodo 16. O segundo elemento gerador 10 é adaptado para oscilar em torno de um eixo central em um movimento de oscilação; ele compreende uma primeira porção 17 e uma segunda porção 19 que são dispostas em lados opostos de um eixo através do centro do segundo elemento gerador na posição de equilíbrio (diagrama do meio). Uma superfície externa de cada uma das porções é disposta para entrar em contato com o primeiro material triboelétrico nas extremidades da oscilação e define uma superfície de carga 20. O segundo elemento gerador 13 é disposto de modo a oscilar em torno do eixo central a partir de uma primeira posição (diagrama superior) através de uma posição de equilíbrio (diagrama do meio) até uma segunda posição (diagrama inferior). Na primeira posição, a primeira porção entra em contato com o primeiro elemento gerador.

[0089] Em uso, o gerador de energia triboelétrico realiza um movimento de oscilação, de modo que nas posições extremas da oscilação, uma dentre a primeira e a segunda porções está em contato com o primeiro elemento gerador 8. Quando a primeira porção entra em contato com o primeiro elemento gerador 8, o segundo material triboelétrico 13 fornecido na primeira porção entra em contato com o primeiro material triboelétrico 9. Enquanto a segunda porção entra em contato com o primeiro elemento gerador 8, o segundo material triboelétrico 13 fornecido na segunda porção entra em contato com o primeiro material triboelétrico 9. Enquanto uma dentre a primeira e a segunda porções está se movendo em direção ao primeiro elemento gerador, a outra dentre a primeira e a segunda porções está se afastando. O gerador é projetado de modo que, enquanto uma porção do segundo elemento gerador está sendo carregada via eletrificação, uma diferença de potencial é produzida entre a outra porção do segundo elemento gerador e o primeiro elemento gerador. Esta é uma tensão de circuito aberto, que aumenta à medida que a capacitância diminui de acordo com:

ou seja,

onde C é a capacitância, ε é a constante dielétrica, o é a densidade de carga da superfície, V é tensão, Q é carga, A é a área de contato entre o primeiro elemento gerador e a primeira ou segunda porção do segundo elemento gerador, e d é a distância de separação vertical entre o primeiro elemento gerador e a primeira ou segunda porção do segundo elemento gerador.

[0090] Uma vez que apenas uma porção relativamente pequena do primeiro e do segundo elementos geradores 8, 10 entra constantemente em contato entre si, a durabilidade do dispositivo e o tempo de vida podem ser otimizados.

[0091] A figura central mostra o gerador de energia triboelétrico 1 na posição de equilíbrio. O primeiro e o segundo elementos geradores podem ser projetados de modo que a porção do elemento gerador que entra em contato com o outro dentre o primeiro e o segundo elementos geradores na posição de equilíbrio não seja dotada de material triboelétrico, de modo que, na posição de equilíbrio, o segundo material triboelétrico não entre em contato com o primeiro material triboelétrico.

[0092] A figura inferior mostra o gerador de energia triboelétrico na segunda posição. A segunda porção do segundo elemento gerador 10 entra em contato com o primeiro material triboelétrico 9 do primeiro elemento gerador 8.

[0093] A Figura 8 mostra um gerador de energia triboelétrico 1 projetado para operar de maneira similar ao dispositivo da Figura 7, isto é, em um “modo de agitação”. Entretanto, nesse exemplo, o primeiro elemento gerador 8 compreende os dois eletrodos 15 e 16 que estão dispostos no mesmo lado do primeiro material triboelétrico 9.

[0094] A Figura 9 mostra um gerador de energia triboelétrico 1 adaptado para oscilar com um movimento de inclinação. Novamente, o gerador de energia triboelétrico pode ser particularmente otimizado quanto aos ângulos de inclinação (α) que satisfazem ao requisito de que sin(α)=α. A Figura superior ilustra o movimento de inclinação do gerador de energia triboelétrico, a figura do meio mostra a disposição do primeiro e do segundo elementos geradores 8, 10 e a figura inferior mostra uma vista anterior do gerador de energia triboelétrico 1.

[0095] Conforme mostrado na figura superior, o primeiro elemento gerador 8 compreende um primeiro material triboelétrico 9 fornecido em um primeiro eletrodo 15 e o segundo elemento gerador 10 compreende um segundo material triboelétrico 13 fornecido em um segundo eletrodo 16. O segundo elemento gerador 10 é disposto de modo a oscilar ou balançar em relação ao primeiro elemento gerador 8. O movimento do segundo elemento gerador 10 em relação ao primeiro elemento gerador 8 faz com que uma diferença de potencial seja produzida entre os elementos geradores.

[0096] Conforme mostrado na figura do meio, o primeiro elemento gerador 8 é disposto de modo a inclinar até um ângulo máximo (α) em relação a um segundo elemento gerador 10. No exemplo, o ângulo de inclinação é, de preferência, menor que 10 graus.

[0097] Conforme mostrado na figura inferior, o segundo elemento gerador 10 também gira em torno de um eixo perpendicular ao primeiro elemento gerador, o que pode aumentar a vida útil e a durabilidade do produto.

[0098] As Figuras 6 a 10 podem, dessa forma, ser resumidas no sentido de que o gerador de energia triboelétrico compreende: um primeiro elemento gerador e um segundo elemento gerador, que tem um eixo central, que compreende: uma primeira porção em um primeiro lado do eixo central e uma segunda porção em um segundo lado do eixo central oposto ao primeiro lado, sendo que o segundo elemento gerador é disposto de modo a oscilar em torno do eixo central a partir de uma primeira posição, na qual a primeira porção entra em contato com o primeiro elemento gerador, até uma segunda posição na qual a segunda porção entra em contato com o primeiro elemento gerador.

[0099] Como variação, a primeira porção e a segunda porção compreendem uma superfície de carga (20) disposta para entrar em contato com o primeiro material triboelétrico em uso.

[00100] Além disso, o segundo elemento gerador pode ser adaptado de modo que, em uso, o ângulo subtendido pela superfície de carga da porção em contato com o primeiro material triboelétrico é igual a ou menor que 180 graus, e de preferência igual a ou menor que 90 graus.

[00101] O segundo elemento gerador pode ser configurado para girar em torno de um eixo central.

[00102] O primeiro elemento gerador pode compreender um primeiro eletrodo e o segundo elemento gerador pode compreender um segundo eletrodo ou o primeiro elemento gerador compreende um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo.

[00103] Um tampão pode ser usado, sendo que o segundo elemento gerador entra em contato com o tampão na primeira posição e na segunda posição, sendo que o ângulo de rotação do segundo elemento gerador entre a primeira e a segunda posições é, por exemplo, menor que 45 graus.

[00104] Para todos os exemplos, vários esquemas de acionamento para controlar os movimentos pequenos podem ser usados. Nos exemplos, o TEG pode ser controlado para periodicamente alternar entre um modo de contato durante o qual os elementos do gerador são colocados em contato para induzir um estado de carregamento, e um modo sem contato durante o qual as placas do gerador são separadas umas das outras e a energia elétrica é gerada através de indução eletrostática. A sincronização e a duração dos modos com contato e sem contato são controladas por um controlador ou por comandos do usuário, dependendo de um estado de carga dos elementos do gerador. Dessa maneira, os elementos são controlados para entrar em contato apenas quando a carga de superfície cair abaixo de um certo nível e for necessário recarregar. O tempo de contato entre os elementos pode, portanto, ser minimizado - minimizando, assim, o ruído causado e o desgaste da superfície - enquanto ainda mantém uma dada potência de saída de limiar desejada.

[00105] Deve-se compreender que, embora a geração de energia autossincronizada seja descrita com referência ao exemplo ilustrado na Figura 6B, ela pode ser usada com qualquer um dos exemplos descritos acima.

[00106] Deve-se compreender que todos os exemplos acima são projetados para pequenos movimentos reciprocantes, e com pequena amplitude, por exemplo, movimentos oscilantes de giro, rolamento, inclinação ou balanço com pequena amplitude e, de preferência, pequenas frequências.

[00107] Nos exemplos, por exemplo, nas Figuras 1 a 5, o espaçamento angular entre os eletrodos pode ser igual ou menor que o ângulo rotacional. Dessa maneira, a saída de energia é aumentada como uma sobreposição/não sobreposição completa entre os eletrodos de rotor e do estator.

[00108] Nos exemplos, o primeiro e o segundo elementos geradores tipicamente incluem ou são fixados a um eletrodo para possibilitar que a carga seja capturada.

[00109] O estator pode não ser circular. Em vez disso, o estator pode ter qualquer outro formato, incluindo quadrado, oval etc.

[00110] Com referência às Figuras 6A e 6B, o segundo elemento gerador pode compreender um cilindro. O cilindro pode ser sólido ou oco.

[00111] O primeiro e o segundo elementos geradores podem ser do segundo material triboelétrico ou podem ser revestidos com o segundo material triboelétrico.

[00112] Outras variações às modalidades reveladas podem ser compreendidas e realizadas pelos versados na técnica na prática da invenção reivindicada, a partir de um estudo dos desenhos, da revelação e das reivindicações anexas. Nas reivindicações, a expressão “que compreende” não exclui outros elementos ou outras etapas, e o artigo indefinido “um” ou “uma” não exclui uma pluralidade. O simples fato de certas medidas serem mencionadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação dessas medidas não possa ser usada com vantagem.

[00113] Nenhum sinal de referência nas reivindicações deve ser interpretado como limitador do escopo da invenção.

Claims

1. GERADOR DE ENERGIA TRIBOELÉTRICO (1), adaptado para gerar energia elétrica a partir de movimento giratório oscilatório, que compreende: um estator (3) que compreende: um primeiro elemento gerador (8), o primeiro elemento gerador (8) compreende um primeiro material triboelétrico (9) e um tampão (7), e um segundo elemento gerador (10) que compreende um segundo material triboelétrico (13), caracterizado pelo segundo elemento gerador ser disposto de modo a oscilar em torno de um eixo de rotação em relação ao primeiro elemento gerador para gerar uma tensão de saída, sendo que o tampão (7) é disposto de modo a limitar a rotação do segundo elemento gerador em relação ao primeiro elemento gerador e sendo que o gerador de energia triboelétrico compreende adicionalmente um rotor (5) que compreende o segundo elemento de geração (10), sendo que o rotor e o estator são coaxiais e o rotor é disposto de modo a girar ao redor de um coeixo e o tampão é disposto de modo a limitar a rotação do rotor em torno do coeixo.

2. GERADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo rotor compreender uma pluralidade de aletas (11) que se projetam para fora a partir do coeixo, e pelo tampão ser disposto de modo a restringir o movimento das aletas.

3. GERADOR, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela ao menos uma aleta compreender um primeiro elemento gerador, e o estator compreender um segundo elemento gerador disposto de modo a fazer interface com o primeiro elemento gerador.

4. GERADOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo tampão ser configurado para restringir o rotor a girar dentro de uma faixa angular de 0 graus a 360 graus.

5. GERADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma superfície do tampão disposta para entrar em contato com o segundo elemento gerador em uso ser dotada do primeiro material triboelétrico.

6. GERADOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo rotor (5) compreender um elemento de intertravamento (14) e o tampão ser conformado para receber o primeiro elemento de intertravamento.

7. GERADOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo primeiro elemento gerador compreender um primeiro eletrodo fixado ao primeiro material triboelétrico e o segundo elemento gerador compreender um segundo eletrodo fixado ao segundo material triboelétrico.