ELECTRONICA DE CONVERSION DE ENERGIA RESONANTE CONMUTADA.
Combinación que comprende:
- un transductor (22, PEG1, 414) que reacciona a una fuerza naturalmente periódica,
que presenta al menos un primer y segundo terminal para producir entre los mismos señales eléctricas en respuesta a la fuerza naturalmente periódica; - un inductor (26, L1, L) que tiene una primera y una segunda extremidad; - un interruptor activado de manera selectiva (S1); - una carga (27, Rcarga) destinada a ser impulsada por las señales eléctricas producidas por el transductor; - medios para conectar dicho interruptor activado de manera selectiva en serie con dicho inductor y dicha carga entre el referido primer y segundo terminal de dicho transductor; y - medios (303, 301, N1, P1) para conectar dicho interruptor activado de manera selectiva en respuesta a, y durante, ciertos valores máximos de las señales eléctricas producidas por el transductor durante un periodo predeterminado: la combinación caracterizada por el hecho de que: dicho inductor tiene una inductancia predeterminada de valor L, y donde dicho transductor puede caracterizarse por una capacitancia Cp dispuesta en serie con una fuente de tensión entre los referidos primer y segundo terminales; combinación en la cual, cuando el interruptor está cerrado, el transductor y el inductor definen un circuito resonante, cuya frecuencia resonante fo es aproximadamente igual a 1/2pi(LCp)0 . 5 y en la cual el interruptor es cerrado durante un período que es aproximadamente igual a Tc=pi(LCp)0 . 5; y en la cual la fuerza naturalmente periódica presenta una frecuencia nominal en el margen de f1 y en la cual el valor de L es seleccionado de manera que la frecuencia resonante fo del circuito resonante es esencialmente superior a f1
Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W0223312US.
Solicitante: OCEAN POWER TECHNOLOGIES, INC..
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: SUITE 1, BUILDING A, 1590 REED ROAD,PENNINGTON, NJ 08534.
Inventor/es: SMALSER,PAUL, TAYLOR,GEORGE,W, WELSH,THOMAS,R, BURNS,JOSEPH,R. DI.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 4 de Noviembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L41/04B
- H01L41/113 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 41/00 Dispositivos piezoeléctricos en general; Dispositivos electroestrictivos en general; Dispositivos magnetoestrictivos en general; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o tratamiento de estos dispositivos, o de sus partes constitutivas; Detalles (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00). › de entrada mecánica y salida eléctrica.
Clasificación PCT:
- F03B13/12 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR. › F03B MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS (máquinas o motores de líquidos y fluidos compresibles F01; motores de líquidos, de desplazamiento positivo F03C; máquinas de líquidos de desplazamiento positivo F04). › F03B 13/00 Adaptaciones de las máquinas o de los motores para una utilización particular; Combinaciones de las máquinas o de los motores con los aparatos accionados o que ellos accionan (si es el aspecto relativo a los aparatos lo que predomina, véanse los lugares apropiados para los aparatos considerados, p. ej. H02K 7/18 ); Estaciones motrices o conjuntos máquina-aparato (aspectos hidráulicos E02B; implicando nada más que máquinas o motores del tipo de desplazamiento positivo F03C). › caracterizados porque utilizan la energía de las olas o de las mareas.
- F03C2/08 F03 […] › F03C MOTORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO ACCIONADOS POR LIQUIDOS (motores de desplazamiento positivo de líquidos y fluidos comprensibles F01; máquinas de desplazamiento positivo de líquidos F04; dispositivos de maniobra que funcionan por presión de fluido F15B; transmisiones por fluido F16H). › F03C 2/00 Motores de pistón rotativo (en los cuales el líquido desplaza exclusivamente uno o varios pistones en movimiento alternativo en cilindros rotativos F03C 1/24). › del tipo engrane de toma continua, es decir, con engrane de los órganos cooperantes similar al de un engranaje dentado.
- H01L41/08 H01L 41/00 […] › Elementos piezoeléctricos o electroestrictivos.
Clasificación antigua:
- F03B13/12 F03B 13/00 […] › caracterizados porque utilizan la energía de las olas o de las mareas.
- F03C2/08 F03C 2/00 […] › del tipo engrane de toma continua, es decir, con engrane de los órganos cooperantes similar al de un engranaje dentado.
- H01L41/08 H01L 41/00 […] › Elementos piezoeléctricos o electroestrictivos.
Fragmento de la descripción:
Electrónica de conversión de energía resonante conmutada.
Antecedentes de la invención
Esta invención se refiere al control de transferencia de energía de un generador de energía eléctrica a una carga para aumentar la eficiencia de la transferencia.
Por ejemplo, un generador de energía eléctrica capacitiva puede incluir un dispositivo piezoeléctrico que funciona como un generador capacitivo piezoeléctrico (PEG) que produce una señal eléctrica cuando está sometido a tensiones y esfuerzos mecánicos. Las señales eléctricas de uno o varios de estos dispositivos piezoeléctricos pueden ser procesados para producir una energía eléctrica que puede ser utilizada para accionar dispositivos eléctricos/electrónicos y/o que pueden ser una parte de una red de energía eléctrica. Los sistemas que utilizan dispositivos piezoeléctricos para producir energía eléctrica están mostrados por ejemplo en las patentes Nos. US-5,552,656 y US 5,703,474 publicadas el 3 de Sept. 1996 y el 30 de Dic. 1997, respectivamente, y que están cedidas al cesionario de la presente solicitud. Otro ejemplo puede ser encontrado en WO 03/016711.
Los dispositivos piezoeléctricos usados como generadores de energía eléctrica están caracterizados por una ineficiencia inherente en la transformación (acoplamiento
) de los esfuerzos y las tensiones mecánicas en una carga eléctrica. Como resultado, solamente una pequeña parte (p. ej., aproximadamente el 10%) de la tensión/esfuerzo mecánico aplicado a un dispositivo piezoeléctrico está disponible como potencia eléctrica cuando una carga constante es aplicada al dispositivo piezoeléctrico. Es por consiguiente deseable aumentar la eficiencia, con la cual la energía generada por un dispositivo piezoeléctrico es transferida a una carga, para compensar y superar el factor de acoplamiento
bajo de los dispositivos piezoeléctricos.
Un método conocido para aumentar la eficiencia de la transferencia del generador piezoeléctrico a una carga incluye formar un circuito resonante. Esto está ilustrado por ejemplo en la Fig. 1 que es una representación de un diagrama de bloques altamente simplificado de un circuito del generador piezoeléctrico de potencia eléctrica de la técnica anterior. Las tensiones y/o esfuerzos aplicados al dispositivo piezoeléctrico son proporcionados por fuentes de energía (p. ej., olas del océano, viento, remolinos de agua) que pueden variar lentamente (p. ej., pocos ciclos por segundo). Consecuentemente, los dispositivos piezoeléctricos pueden ser accionados a frecuencias muy bajas y la frecuencia de las señales eléctricas producida por estos dispositivos piezoeléctricos es también del orden de pocos ciclos por segundo. Estas frecuencias bajas operativas presentan problemas significantes para la transferencia eficaz de energía del dispositivo piezoeléctrico a una carga.
Por ejemplo es difícil de realizar inductores y transformadores de un tamaño razonable y a un coste razonable que puedan funcionar a estas frecuencias. En referencia a la Fig. 1, observe, por ejemplo, que el circuito incluye un dispositivo piezoeléctrico 22 acoplado por un inductor 16 a una carga 27. La frecuencia resonante (fo) del circuito puede ser expresada como fo=1/2p(LCp) . 5; donde Cp es la capacitancia del dispositivo piezoeléctrico 22; y L es la inductancia del inductor 16, con el valor L seleccionado para resonar con la capacitancia del dispositivo piezoeléctrico. [Nota: para facilitar la explicación y discusión, la aportación de otras capacidades en el circuito ha sido ignorada en la especificación y en las siguientes reivindicaciones]. Se puede suponer que la capacitancia de Cp está dentro del margen de 01 a 10 microfaradios (10-6 faradios). Suponga ahora que la frecuencia de la señal eléctrica producida por el dispositivo piezoeléctrico en respuesta a la fuerza motriz mecánica es del orden de 2 Hz. Entonces, para tener un circuito que resuena a 2 Hz, se necesitaría un inductor 16 que tiene un valor del orden de 12,000 henrios. Un inductor de este valor sería del tamaño de un espacio pequeño. Además, la resonancia eléctrica directa no es práctica por la variabilidad prevista de la frecuencia debido a la naturaleza aleatoria de las olas del océano.
Resumen de la invención
La invención del solicitante reside en parte en el reconocimiento de que mientras que un dispositivo generador de energía accionado a una baja frecuencia capta la energía a un bajo índice de frecuencia, la energía acumulada puede ser extraída a una frecuencia mucho más alta. La extracción de la energía a una frecuencia más alta facilita el uso de componentes, tales como inductores, que presentan valores y tamaños razonables en comparación con los sistemas de la técnica anterior.
La invención del solicitante reside también en el reconocimiento de que un circuito que extrae energía puede ser conmutado periódicamente para estar en circuito con un dispositivo generador de energía con el circuito que extrae la energía incluyendo elementos que pueden resonar con el circuito generador de energía a una frecuencia más alta que, e independiente de, la frecuencia a la cual es accionado el dispositivo generador de energía. Así, el dispositivo generador de energía eléctrica accionado y controlado por una fuente de energía que cambia lentamente (p. ej. las olas del océano, el viento, remolinos de agua) puede desarrollar energía a una frecuencia y puede ser accionado para transferir la energía a otra frecuencia.
La invención del solicitante reside también en el reconocimiento de que una carga inductiva puede ser conmutada periódicamente en circuito con un circuito generador de potencia capacitiva por un período de tiempo seleccionado para maximizar la energía extraída del circuito generador de energía.
La invención del solicitante reside también en el reconocimiento de que donde el generador de potencia capacitiva produce una señal eléctrica oscilatoria que es preferible conmutar un circuito inductivo extractor de energía en las crestas positivas y negativas de la señal oscilatoria eléctrica.
La invención del solicitante reside también en el reconocimiento de que donde el generador de potencia capacitiva produce una señal oscilatoria eléctrica a una baja primera frecuencia (f1), conmutando en el sistema un circuito extractor de energía inductivo diseñado para resonar con el generador de potencia capacitiva a una frecuencia resonante (fo) que es esencialmente superior a f1, sobre las crestas positivas y negativas de la primera señal oscilatoria eléctrica, de manera que la energía será extraída en un impulso eléctrico que se inicia al cierre de conmutación y finaliza cuando la corriente alcanza cero en el inductor. El tiempo de cierre del interruptor Tc es igual a aproximadamente 1/2fo, donde fo es la frecuencia resonante de la fuente y del circuito de carga.
La invención del solicitante reside también en circuitos y dispositivos para la detección fiable y precisa de la cresta o de las crestas de las señales oscilatorias eléctricas.
La invención del solicitante reside también en determinar las condiciones de carga preferibles a aplicar al circuito generador de potencia capacitiva.
La invención del solicitante reside también en una circuitería para controlar la conexión y desconexión del interruptor acoplando selectivamente el circuito inductivo extractor de energía al generador de potencia capacitiva.
Descripción breve del dibujo
En las figuras acompañatorias, como caracteres de referencia se indican componentes similares; y
Figura 1 es un diagrama de circuitos simplificado de un sistema de la técnica anterior que usa dispositivos piezoeléctricos para generar energía eléctrica;
Figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema para generar energía conforme a la invención;
Figura 3 es un diagrama de circuito simplificado esquemático de una forma de realización de la invención;
Figuras 3B y 3C son diagramas esquemáticos simplificados que muestran formas de realización diferentes de la invención;
Figura 3D es un diagrama esquemático simplificado de un circuito que concreta la invención que usa interruptores MOSFET;
Figura 4 es un diagrama de formas de onda que ilustra diferentes formas de onda asociadas al circuito de la Fig. 3A;
Figura 5 es un diagrama de formas de onda de señales producidas en circuitos que concretan la invención;
Figura 6 es un diagrama de circuitos que muestra valores...
Reivindicaciones:
1. Combinación que comprende:
2. Combinación según la reivindicación 1, en la cual la carga presenta al menos un primero y segundo terminales de potencia y donde el interruptor activado de manera selectiva es conectado entre el primer terminal del transductor y la primera extremidad del inductor y en la cual la segunda extremidad del inductor es conectada al primer terminal de potencia de la carga y donde el segundo terminal de potencia de la carga es conectado al segundo terminal del transductor.
3. Combinación según la reivindicación 1, en la cual la carga comprende al menos un primer y segundo terminal de potencia y donde el primer terminal del transductor es conectado a la primera extremidad del inductor y en la cual el interruptor activado de manera selectiva es conectado entre la segunda extremidad del inductor y el primer terminal de potencia de la carga y en la cual el segundo terminal de potencia de la carga es conectado al segundo terminal del transductor.
4. Combinación según la reivindicación 1, en la cual la carga tiene al menos un primer y segundo terminal de potencia y en la cual el primer terminal del transductor es conectado a la primera extremidad del inductor y en la cual la segunda extremidad del inductor es conectada al primer terminal de potencia de la carga y en la cual el interruptor activado de manera selectiva es conectado entre el segundo terminal de potencia de la carga y el segundo terminal del transductor.
5. Combinación según la reivindicación 1, en la cual el transductor es un dispositivo piezoeléctrico, en la cual el transductor está concebido para ser colocado en una masa de agua y en la cual la fuerza naturalmente periódica se caracteriza por las olas presentes en la masa de agua, teniendo dichas olas una frecuencia en el margen de f1.
6. Combinación según la reivindicación 5, en la cual el interruptor activado de manera selectiva es cerrado cada vez que una ola alcanza un valor cresta y cada vez que una ola alcanza un valor valle.
7. Combinación según la reivindicación 5, en la cual el interruptor activado de manera selectiva permanece cerrado durante un período de tiempo aproximadamente igual a Tc, después del cual el interruptor es abierto y permanece abierto hasta la próxima cresta o valle.
8. Combinación según la reivindicación 6, que incluye además un sensor (200, 303, PEG2) para detectar las crestas y los valles de las olas para cerrar el interruptor activado de manera selectiva en respuesta a las crestas y los valles.
9. Combinación según la reivindicación 8, en la cual el sensor incluye un dispositivo (200) flotante sobre las olas y localizado delante del transductor para anticipar el efecto de las olas antes de que éstas alcancen el transductor.
10. Combinación según la reivindicación 8, en la cual el sensor (PEG2) está realizado de un material similar al del transductor y está localizado en proximidad al transductor para ser sometido a fuerzas motrices similares a aquellas que está sometido el transductor.
11. Combinación según la reivindicación 8, en la cual el transductor es un dispositivo piezoeléctrico, y en la cual el sensor es también un dispositivo piezoeléctrico para detectar los efectos de las olas sobre el transductor en ausencia de conmutación.
12. Combinación según la reivindicación 1, en la cual dicha fuerza naturalmente periódica fluctúa entre un valor máximo y un valor mínimo; y en la cual dichos medios para conectar dicho interruptor activado de manera selectiva incluyen medios, independientes del transductor, para detectar el valor cresta máximo y el valor mínimo, valle, de la fuerza naturalmente periódica y para entonces activar los medios de conmutación activados de manera selectiva durante un periodo de tiempo dado.
13. Combinación según la reivindicación 12, en la cual los medios para detectar los valores máximo y mínimo de la fuerza naturalmente periódica incluyen un segundo transductor para detectar el estado de la fuerza de entrada y generar una señal no cargada y no conmutada para permitir la detección de los valores máximo y mínimo sin distorsión de conmutación.
14. Combinación según la reivindicación 13, en la cual los transductores son emplazados en una masa de agua y en la cual la fuerza naturalmente periódica se caracteriza por las olas presentes en la masa de agua con una frecuencia en el margen de f1, y en la cual el primer transductor puede ser caracterizado como una fuente de tensión dispuesta en serie con una capacitancia y en la cual la red inductiva es seleccionada para tener un valor que, cuando el interruptor activado de manera selectiva está cerrado, resuena con la capacitancia del primer transductor a una frecuencia fo que es esencialmente superior a f1.
15. Combinación según la reivindicación 12, en la cual el transductor es un primer transductor y en la cual la salida del primer transductor está sometida a señales importantes transientes, cuando la carga es conectada al primer transductor; y en la cual los medios para detectar las crestas y los valles incluyen un segundo transductor que presenta características similares a las del primer transductor, y una circuitería de detección conectada fijamente al segundo transductor para explorar continuamente su señal de salida sin ser afectada por transientes de conmutación.
16. Combinación según la reivindicación 15, en la cual el primer y segundo transductor son dispositivos piezoeléctricos; con el primer transductor para acumular una cantidad de energía sustancial y el segundo transductor para detectar la señal que sería generada en la ausencia del interruptor activado de manera selectiva.
17. Combinación según la reivindicación 16, en la cual la salida del segundo transductor es utilizada para generar señales utilizadas para controlar la conexión del interruptor activado de manera selectiva.
18. Combinación según la reivindicación 17, en la cual el segundo transductor es instalado en proximidad directa del primer transductor para asegurar que el segundo transductor esté sometido a la misma fuerza naturalmente periódica que el primer transductor, en la cual ambos transductores son emplazados en una masa de agua.
19. Combinación según la reivindicación 1, en la cual, conectando la carga de manera conmutable, cuando la fuerza naturalmente periódica pasa por una cresta o un valle, provoca la generación de señales transientes importantes en la salida del transductor ocultando el tiempo, en el que la fuerza naturalmente periódica pasa por una cresta o un valle, incluyendo adicionalmente un sensor para detectar las fuerzas que empujan el transductor, independientemente del transductor, y para generar señales para controlar el interruptor activado de manera selectiva y la conmutación de la carga al transductor, siendo dicho control independiente e inafectado por las señales transientes importantes.
20. Combinación según la reivindicación 19, en la cual la fuerza naturalmente periódica se debe a las olas del océano y en la cual el sensor es un sensor electromagnético usado para detectar las olas que empujan el transductor y de las cuales el transductor acumula la energía.
21. Combinación según la reivindicación 19, en la cual la fuerza naturalmente periódica se debe a olas del océano y en la cual el transductor y el sensor son dispositivos piezoeléctricos, con el sensor que es usado para detectar la fuerza de olas que actúan sobre el transductor.
22. Combinación según la reivindicación 19, en la cual la fuerza naturalmente periódica se debe a olas del océano y el sensor es parte de un flotador que flota sobre las olas y está posicionado de manera que anticipa la ola que actúa sobre el transductor.
23. Combinación según la reivindicación 1, en la cual el transductor es un primer transductor para generar energía eléctrica en respuesta a la fuerza, en la cual la conmutación provoca señales transientes importantes en la salida del primer transductor; y comprendiendo además:
24. Combinación según la reivindicación 1, en la cual la conmutación provoca señales transientes en la salida del transductor que ocultando el periodo en el cual la fuerza naturalmente periódica pasa una cresta o un valle, comprendiendo la mejora: medios de tratamiento de la salida del transductor para generar una señal de naturaleza senoidal y para entonces derivar o integrar la señal para producir una función cosenoidal y para hacer uso de la función cosenoidal para determinar valores cresta de la ola de entrada.
25. Combinación según la reivindicación 1, en la cual dicho interruptor activado de manera selectiva es conectado durante un período en respuesta a las crestas en direcciones positivas y negativas de las señales eléctricas generadas por el transductor para transferir periódicamente la energía del transductor a la carga; y en la cual la impedancia de la carga es seleccionada para tener un valor que mejora de manera óptima la transferencia de energía.
26. Combinación según la reivindicación 25, en la cual, cuando el interruptor activado de manera selectiva es cerrado, está formado un bucle en serie que incluye al menos el transductor, el elemento inductivo, el interruptor y la carga; y en la cual el bucle, excluyendo la carga, puede estar caracterizado por que presenta una resistencia equivalente (Rs); y en la cual el valor de la impedancia de carga es una función de la resistencia en serie Rs, de la inductancia del inductor, de la capacitancia del transductor, de la frecuencia de la fuerza de entrada y de una constante de tiempo de pérdida asociada al transductor.
27. Combinación según la reivindicación 25, en la cual dicho inductor presenta una inductancia predeterminada de valor L, y en la cual dicho transductor tiene una capacitancia de valor Cp; donde, cuando el interruptor está cerrado, el transductor y el inductor definen un circuito resonante cuya frecuencia resonante fo es igual a p(LCp)0 . 5 y donde el interruptor está cerrado durante un período de tiempo que es igual a Tc=p(LCp)0 . 5; y en la cual, cuando el interruptor está cerrado, se ha formado un bucle en serie que incluye al menos el transductor, el elemento inductivo, el interruptor y la carga; y donde el bucle, excluyendo la carga, puede estar caracterizado por que presenta una resistencia equivalente (Rs); y en la cual el valor óptimo (RLopt) de la impendancia de carga es una función de la resistencia en serie Rs, de la inductancia del inductor, de la capacitancia del transductor, de la frecuencia de la fuerza de entrada y una constante de tiempo de pérdida asociada al transductor.
28. Combinación según la reivindicación 27, en la cual: RLopt=Rs+2Ro/Qc, donde Rs es la resistencia equivalente en la pista en serie; Ro es aproximadamente igual a (L/Cp)0 . 5; y Qc es aproximadamente igual a (2p)(f1)(t), donde f1 es la frecuencia de entrada de la fuerza periódica; y t es un coeficiente de pérdida dieléctrica asociada al transductor.
29. Combinación según la reivindicación 28, que incluye además medios acoplados a la carga para mantener su valor igual a RLopt como función de variaciones en la frecuencia de la fuerza naturalmente periódica aplicada al transductor.
30. Combinación según la reivindicación 28, en la cual la carga incluye una red en puente rectificador de onda completa conectada en serie a la prolongación del bucle y redes resistivas conectadas a una salida de la red en puente.
31. Combinación según la reivindicación 30, en la cual la carga incluye al menos una batería, un condensador de almacenamiento y una resistencia.
32. Combinación según la reivindicación 25, en la cual el valor de la impedancia de carga varía en función de la frecuencia de la fuerza naturalmente periódica aplicada al transductor.
33. Combinación según la reivindicación 25, en la cual el transductor es un dispositivo piezoeléctrico.
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