Sistema de microgeneración y almacenamiento de energía en dispositivos embarcados.

Sistema de microgeneración de energía en dispositivos embarcados que comprende un microgenerador (3) conectado con un circuito de adaptación (8) y éste,

a su vez, con un sistema de almacenamiento híbrido de energía constituido por una célula primaria (1) no recargable y una célula secundaria recargable (2), para obtener alta densidad energética y elevada potencia. Un sistema de gestión energético inteligente (4) realiza la carga de la celda secundaria (2) a través del microgenerador (3) o de la célula primaria (1). El microgenerador (3) es un sistema oscilante formado por al menos una lámina piezoeléctrica (14a, 14b) en voladizo, encontrándose empotrada por un extremo (13a, 13b) y con una masa (15a, 15b) en el extremo contrario, de tal forma que distintos movimientos en la embarcación provocan un movimiento oscilatorio en dicha lámina piezoeléctrica (14a, 14b) excitándola y generando una corriente eléctrica.

Sistema de microgeneración y almacenamiento de energía en dispositivos embarcados. OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene por objeto un sistema de microgeneración y alimentación energética para dispositivos dispuestos en embarcaciones marítimas, de tal forma que puedan aprovechar el movimiento producido por las olas. La invención se engloba dentro de los sistemas de microgeneración ("energy harvesting") que permiten aprovechar la energía de diferentes fuentes para alimentar dispositivos embarcados en aplicaciones de bajo consumo.

Las características principales del sistema de la invención son principalmente las siguientes:

- Volumen reducido: Alta densidad energética

- Alta potencia específica

- Posibilidad de recarga a través de sistema de microgeneración

- Baja autodescarga

- Alta eficiencia

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los sistemas de microgeneración compuestos por un generador y un sistema de almacenamiento y gestión de la energía generada permiten recolectar pequeñas cantidades de energía de fuentes tan diversas como la solar, la cinética, la térmica o la eólica, entre otras. Esta energía se transforma eficientemente en electricidad y se almacena en baterías o supercondensadores.

En las embarcaciones marítimas, la alimentación eficiente de los distintos sistemas que se integran en el buque representa un problema técnico importante. No obstante, los sistemas conocidos presentan serias desventajas, ya que se trata de dispositivos voluminosos, adaptados a partir de generadores de elevada potencia ya empleados en plantas de generación y que, en la mayoría de los casos, requieren alterar la estructura de la embarcación, puesto que no tienen en cuenta las reducidas dimensiones de la misma. Por otro lado, debido precisamente a las características indicadas, no son sistemas prácticos para aplicaciones de bajo consumo, como redes de sensores, dispositivos de emergencias y/o geolocalización.

Respecto los sistemas de almacenamiento, un análisis de los dispositivos actuales revela que densidad energética es opuesta a potencia específica. Son interesantes altas densidades energéticas para reducir el volumen del sistema de almacenamiento, pero los sistemas de alta densidad energética actuales no son capaces de proporcionar picos de corriente del orden de amperios como los que se requieren para el funcionamiento de módulos de comunicaciones y otros posibles sistemas de elevado consumo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención soluciona los problemas técnicos indicados en el estado de la técnica, gracias a que la corriente alterna generada es rectificada y convertida en corriente continua para su almacenamiento en unos medios híbridos de almacenamiento desde los cuales se alimentan las cargas. De este modo, se consigue un equipo de dimensiones reducidas, sencillo y optimizado para la generación de energía en un buque en el mar.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, el sistema de microgeneración de energía en dispositivos embarcados de la presente invención comprende:

a) Unos medios híbridos de almacenamiento, formados por una célula secundaria recargable conectada a unas cargas a través de un interruptor y una célula primaria no recargable conectada a la célula secundaria a través de un convertidor CC/CC.

b) Un medio de microgeneración, que comprende un microgenerador oscilante conectado a la célula secundaria a través de un circuito de adaptación.

c) Un medio de gestión inteligente, formado por un medio de procesamiento conectado al convertidor CC/CC, al circuito de adaptación, y al interruptor para gestionar el funcionamiento del sistema en función del nivel de carga de las células primaria y secundaria y de la energía demandada por las cargas.

En principio, las células primaria y secundaria pueden ser de diferentes tipos según cada aplicación particular a la que se vaya a dirigir la invención, aunque en realizaciones preferidas la célula primaria no recargable comprende pilas de litio de cloruro de tionilo (LÍSOCL2) y la célula secundaria recargable comprende un condensador de litio.

En cuanto al microgenerador oscilante, preferentemente se trata de un dispositivo que comprende al menos una lámina piezoeléctrica horizontal en voladizo que está empotrada por un extremo y tiene una masa en el extremo contrario, de tal forma que el movimiento de arfada de la embarcación provoca un movimiento oscilatorio vertical en dicha lámina piezoeléctrica, que permite generar una corriente eléctrica alterna. Esta configuración permite aprovechar los movimientos de arfada de la embarcación, es decir, aquellos que consisten fundamentalmente en desplazamientos verticales alternativos hacia arriba y hacia abajo.

Además, preferentemente el microgenerador comprende además al menos una lámina piezoeléctrica transversal en voladizo que está empotrada por un extremo y tiene una masa en el extremo contrario, de tal forma que el movimiento de cabeceo y balanceo de la embarcación provoca un movimiento oscilatorio horizontal en dicha lámina piezoeléctrica que permite generar una corriente eléctrica alterna.

La combinación de láminas horizontales y transversales permite aprovechar del mejor modo posible todos los movimientos que sufre una embarcación en alta mar.

En otra realización preferida, el circuito de adaptación comprende un convertidor CA/CC conectado a un condensador y a un convertidor conmutado CC/CC, de manera que cuando se alcanza un determinado nivel de tensión en el condensador se activa el convertidor conmutado CC/CC, para cargar la célula secundaria recargable.

Un segundo aspecto de la presente invención está dirigido a un procedimiento de operación de un sistema de microgeneración del tipo descrito anteriormente. Las operaciones principales del funcionamiento de este sistema de microgeneración son:

1) Alimentar las cargas desde la célula secundaria recargable siempre que su nivel de tensión sea superior a un primer umbral mínimo.

2) Cuando el nivel de tensión de la célula secundaria recargable alcanza el primer umbral mínimo, recargarla desde la célula primaria no recargable o, en caso de que la célula primaria no recargable no tenga carga, desde el microgenerador a través del circuito adaptación.

Para evitar que la célula secundaria llegue a descargarse completamente, preferentemente se pasa a un nivel de hibernación en que no se alimentan las cargas cuando el nivel de tensión de la célula secundaria recargable baja por debajo del primer umbral mínimo. Esto puede ocurrir,

por ejemplo, cuando la célula primaria no tenga carga y además los movimientos de la embarcación no generen suficiente energía como para recargar la célula secundaria.

Si el nivel de carga de la segunda célula sigue descendiendo, por ejemplo debido al consumo del propio medio de procesamiento, hasta alcanzar un segundo umbral mínimo por debajo del primer umbral mínimo, el medio de procesamiento se desconecta. El microgenerador continúa alimentando la célula secundaria y por tanto puede volver a activarse cuando se haya alcanzado un nivel de carga adecuado.

Además, en caso de que se detecte un consumo elevado se realiza una carga rápida de la célula secundaria con una mayor intensidad de la normal.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que restrinjan la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Fig. 1 muestra un esquema del sistema propuesto por la invención.

La Fig. 2 muestra el diagrama de flujo del algoritmo empleado por el medio de procesamiento para el funcionamiento del sistema.

La Fig. 3 muestra curvas del nivel de tensión de la célula secundaria para distintos casos de funcionamiento: (a) carga ante peticiones de gran corriente, (b) cargas en funcionamiento normal, (c) caso de agotamiento de la célula primaria, (d) recuperación...

1. Sistema de microgeneración de energía en dispositivos embarcados caracterizado porque comprende:

- una célula secundaria (2) recargable conectada a unas cargas (5) a través de un interruptor (6);

- una célula primaria (1) no recargable conectada a la célula secundaria (2) a través de un convertidor CC/CC (7);

- un microgenerador (3) oscilante conectado a la célula secundaria (2) a través de un circuito (8) de adaptación; y

- un medio (4) de procesamiento conectado al convertidor CC/CC (7), al circuito (8) de adaptación, y al interruptor (6) para gestionar el funcionamiento del sistema en función del nivel de carga de las células primaria (1) y secundaria (2) y de la energía demandada por las cargas (5).

2. Sistema de microgeneración de acuerdo con la reivindicación 1, donde el

microgenerador (3) oscilante comprende al menos una lámina piezoeléctrica horizontal (14a) en voladizo que está empotrada por un extremo (13a) y tiene una masa (15a) en el extremo contrario, de tal forma que el movimiento de arfada de la embarcación provoca un movimiento oscilatorio vertical en dicha lámina piezoeléctrica (14a) que permite generar una corriente eléctrica alterna.

3. Sistema de microgeneración de acuerdo con la reivindicación 2, donde el

microgenerador (3) oscilante comprende además al menos una lámina piezoeléctrica transversal (14b) en voladizo que está empotrada por un extremo (13b) y tiene una masa (15b) en el extremo contrario, de tal forma que el movimiento de cabeceo y balanceo de la embarcación provoca un movimiento oscilatorio horizontal en dicha lámina piezoeléctrica (14b) que permite generar una corriente eléctrica alterna.

4. Sistema de microgeneración de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, donde el circuito (8) de adaptación comprende un convertidor CA/CC (10) conectado a un condensador (11) y a un convertidor conmutado CC/CC (12), de manera que cuando se alcanza un determinado nivel de tensión en el condensador (11) se activa el convertidor conmutado CC/CC (12) para cargar la célula secundaria (2) recargable.

5. Sistema de microgeneración de acuerdo con la reivindicación 4, donde el convertidor

CA/CC (10) emplea un puente completo de diodos Schottky.

6. Sistema de microgeneración de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, donde la célula primaria (1) no recargable comprende pilas de litio de cloruro de tionilo.

7. Sistema de microgeneración de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, donde la célula secundaria (2) recargable comprende un condensador de litio.

8. Procedimiento de operación de un sistema de microgeneración según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende:

- alimentar las cargas (5) desde la célula (2) secundaria recargable siempre que su tensión esté por encima de un primer umbral mínimo; y

- cuando el nivel de tensión de la célula (2) secundaria recargable alcanza un primer umbral mínimo, recargar dicha célula (2) secundaria recargable desde la célula primaria

(1) no recargable o, en caso de que la célula primaria (1) no recargable no tenga carga, desde el microgenerador (3) a través del circuito (8) adaptación.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende pasar a un nivel de hibernación en que no se alimentan las cargas (5) cuando el nivel de tensión de la célula (2)

secundaria recargable baja por debajo del primer umbral mínimo.

10. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-9, que comprende desconectar el medio (4) de procesamiento cuando el nivel de tensión de la célula (2) secundaria recargable baja por debajo de un segundo umbral mínimo, aunque el

microgenerador (3) continúa alimentando la célula secundaria (2).

11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-10, que además comprende realizar una carga rápida de la célula (2) secundaria con una mayor intensidad en caso de que se detecte un consumo elevado.