Sistema que incluye: un generador de energía (22 PEG1, 414) sensible a una fuerza de entrada oscilante que choca en dicho generador de energía para convertir la fuerza en energía eléctrica,

donde dicha fuerza de entrada tiene una frecuencia variable, f1, y una amplitud variable; un sensor (200, 303; PEG2, 410, 412, 130, 130A para detectar al menos una de la amplitud y la frecuencia de la fuerza de entrada que choca en dicho generador de energía); unos medios conmutadores (S1) para acoplar selectivamente una carga a través de dicho generador de energía; dicha carga siendo formada de manera que, cuando dichos medios conmutadores se cierran, la carga y dicho generador de energía forman un circuito diseñado para resonar a una frecuencia superior a f1; caracterizado por el hecho de que: dicho sistema además incluye, medios que producen una señal de salida correspondiendo a las condiciones negativas y positivas del valor máximo de la amplitud de la fuerza de entrada; y medios (controlador, 301, 301 A) sensibles a dicha señal de salida para controlar el cierre de los medios conmutadores

Sensores para sistemas de conversión de energía.

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere a un sistema para controlar la transferencia de energía de un generador de energía a una carga para aumentar la eficiencia de la transferencia.

En muchas aplicaciones de conversión de energía, se usan transductores, los cuales funcionan como generadores de energía, y que son sensibles a las fuentes naturales recurrentes (oscilantes) de energía (p. ej., ondas del océano, viento, remolinos de agua) para convertir la energía capturada de estas fuentes de energía en energía eléctrica.

En muchas aplicaciones, tales como aquellas que implican extraer energía de las olas del océano, es preciso y/o deseable detectar la incidencia de al menos uno de valor máximo, amplitud y frecuencia de las olas del océano para optimizar la transferencia de energía de las olas del océano.

Por ejemplo, un generador capacitativo de energía eléctrica puede incluir un dispositivo piezoeléctrico que funciona como un generador capacitativo piezoeléctrico (PEG) que cuando es sometido a esfuerzos y tensiones mecánicos produce una señal eléctrica. Las señales eléctricas de uno, o varios, de estos dispositivos piezoeléctricos se pueden procesar para producir energía eléctrica que se puede usar para accionar dispositivos eléctricos/electrónicos y/o que pueden formar parte de una red de energía eléctrica. Los sistemas que usan dispositivos piezoeléctricos para producir energía eléctrica se muestran, por ejemplo, en las patentes norteamericanas Nos. 5,552,656 y 5,703,474 que fueron publicadas el 3 de septiembre de 1996 y el 30 de diciembre de 1997, respectivamente, y que han sido cedidas al cesionario de la presente solicitud.

Dispositivos piezoeléctricos usados como generadores de energía eléctrica se caracterizan por una ineficiencia inherente en la transformación ("acoplamiento") de las tensiones y esfuerzos mecánicos en carga eléctrica. Como resultado, frecuentemente sólo una pequeña parte (p. ej., aproximadamente el 10%) del esfuerzo/tensión mecánico aplicado a un dispositivo piezoeléctrico está disponible como energía eléctrica cuando se aplica una carga constante al dispositivo piezoeléctrico. Por lo tanto, es deseable aumentar la eficiencia con la cual se transfiere la energía generada por un dispositivo piezoeléctrico 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 la formación de un circuito resonante. Esto se muestra, por ejemplo, en la Fig. 1, que es una representación en diagrama de bloques muy simplificado de un circuito piezoeléctrico generador de energía eléctrica de la técnica anterior. Los esfuerzos y/o tensiones aplicados al dispositivo piezoeléctrico se proveen por fuentes de energía (p. ej., olas de océano, viento, remolinos de agua) que pueden variar lentamente (p. ej., pocos ciclos por segundo). En consecuencia, los dispositivos piezoeléctricos se pueden accionar a frecuencias muy bajas y la frecuencia de las señales eléctricas producida por estos dispositivos piezoeléctricos está también en la gama de un ciclo por segundo. Estas bajas frecuencias operativas presentan problemas significantes para la transferencia eficaz de la energía del dispositivo piezoeléctrico a una carga.

WO 00/74224 divulga un dispositivo de energía undimotriz que incluye un transductor del cual se extrae la energía usando un circuito eléctrico controlado según un estado mecánico ponderado.

Por ejemplo, es difícil formar inductores y transformadores de tamaño razonable y a un coste razonable que puedan funcionar a esas frecuencias. En referencia a la Fig. 1, por ejemplo, obsérvese que el circuito incluye un dispositivo piezoeléctrico 22 acoplado por un inductor a una carga. La frecuencia resonante (fo) del circuito puede ser expresada como fo=1/2π (LCp)^-5; donde Cp es la capacitancia del dispositivo piezoeléctrico 22; y L es la inductancia del inductor, seleccionando el valor de L para resonar con la capacitancia del dispositivo piezoeléctrico. [Nota: Con el fin de facilitar la explicación y discusión, la aportación de otras capacitancias en el circuito ha sido ignorada en la especificación y reivindicaciones a continuación]. Se puede asumir que la capacitancia de Cp está en la gama de .01 a 10 microfaradios (10^-6 faradios). Considérese ahora que la frecuencia de la señal eléctrica, producida por el dispositivo piezoeléctrico en respuesta a la fuerza de transmisión mecánica, está en la gama de 2 Hz. Entonces, para tener un circuito que resuena a 2 Hz, un inductor 16 con un valor en la gama de 12.000 Henrys sería necesario. Un inductor de este valor sería del tamaño de una pequeña sala. Además, la resonancia eléctrica directa no es práctica debido a la variabilidad prevista de la frecuencia debida a la naturaleza aleatoria de las olas del océano.

Como se describe y reivindica en solicitudes divisionales tituladas "Apparatus And Method For Optimizing The Power Transfer Produced By A Wave Energy Converter (WEC)" solicitada el 8/6/01 y con el número de serie 09/922877 y "Switched Resonant Power Conversion Electronics" solicitada el 20 de agosto de 2001 con el número de serie 09/933,158 ahora publicada como patente estadounidense 6,528,928 y ambas cedidas al cesionario de la presente solicitud, los solicitantes reconocieron que es ventajoso el hecho de conmutar selectivamente una carga en circuito con el dispositivo generador de energía que está diseñado para resonar a una frecuencia más alta que la frecuencia de la fuerza de entrada. No obstante, es importante determinar el punto en el que la conmutación debería ocurrir.

Resumen de la invención

Sistemas que caracterizan la invención según la reivindicación 1 incluyen medios para detectar al menos uno de los valores máximos, amplitud y frecuencia de una fuerza de entrada oscilatoria controlando la transferencia de energía recogida por un transductor (generador de energía) a una carga asociada. En sistemas para realizar la invención el generador de energía puede ser un transductor tal como un dispositivo piezoeléctrico o un convertidor de energía undimotriz (WEC) o cualquier dispositivo sensible a una fuerza de entrada oscilatoria para generar energía eléctrica.

En una forma de realización de la invención, un dispositivo generador de energía captura la energía a un índice de baja frecuencia de la fuerza de entrada. Sistemas para realizar la invención permiten que la energía recogida sea extraída a una frecuencia mucho más alta. La extracción de la energía a una frecuencia más alta permite el uso de componentes, tales como inductores, que tienen valores y tamaños razonables en comparación con los sistemas de la técnica anterior. Conforme a la invención, sensores y medios de detección se utilizan para controlar el punto temporal en el que los circuitos extractores de energía se accionan en circuito con un dispositivo generador de energía. El circuito extractor de energía puede incluir componentes que pueden resonar con el circuito generador de energía a una frecuencia más alta que, e independiente de, la frecuencia en la que el dispositivo generador de energía está siendo accionado. Así, el dispositivo generador de energía eléctrica accionado y controlado por una fuente de energía que cambia lentamente (p. ej., olas del océano, viento, remolinos de agua) pueden desarrollar energía a una frecuencia y se pueden accionar para transferir la energía, a un punto temporal seleccionado, en otra frecuencia.

En formas de realización determinadas donde el generador de energía es capacitativo, sensores se utilizan para conmutar un circuito extractor de energía inductor en los valores máximos negativos y positivos de la fuerza de entrada. Conforme a formas de realización de la invención donde un generador de energía capacitativo produce una señal oscilatoria eléctrica a una primera frecuencia baja (f1), se acciona en el sistema un circuito extractor de energía inductor diseñado para resonar con el generador de energía capacitativo a una frecuencia resonante (fo), que es sustancialmente mayor que f1, en los valores máximos negativos y positivos de la fuerza de entrada de manera que la energía será extraída en un pulso eléctrico que se inicia al cierre de la conmutación y termina cuando la corriente llega a cero en el inductor....

1. Sistema que incluye:

un generador de energía (22 PEG1, 414) sensible a una fuerza de entrada oscilante que choca en dicho generador de energía para convertir la fuerza en energía eléctrica, donde dicha fuerza de entrada tiene una frecuencia variable, f1, y una amplitud variable;

un sensor (200, 303; PEG2, 410, 412, 130, 130A para detectar al menos una de la amplitud y la frecuencia de la fuerza de entrada que choca en dicho generador de energía);

unos medios conmutadores (S1) para acoplar selectivamente una carga a través de dicho generador de energía; dicha carga siendo formada de manera que, cuando dichos medios conmutadores se cierran, la carga y dicho generador de energía forman un circuito diseñado para resonar a una frecuencia superior a f1;

caracterizado por el hecho de que:

dicho sistema además incluye, medios que producen una señal de salida correspondiendo a las condiciones negativas y positivas del valor máximo de la amplitud de la fuerza de entrada; y

medios (controlador, 301, 301 A) sensibles a dicha señal de salida para controlar el cierre de los medios conmutadores.

2. Sistema según la reivindicación 1, donde dicho generador de energía es un primer transductor y dicho sensor es un segundo transductor.

3. Sistema según la reivindicación 1, donde dicho sensor se localiza para detectar la fuerza de entrada antes de que ésta impacte con el generador de energía.

4. Sistema según la reivindicación 3, donde la fuerza de entrada es la energía de las olas del océano y donde el generador de energía incluye una boya sensible a las olas del océano para convertir la energía de las olas del océano en energía eléctrica.

5. Sistema según la reivindicación 4 donde la fuerza de entrada es la energía de las olas del océano y donde el sensor incluye un seguidor de olas para detectar el valor máximo y valles de las ondas antes de que éstas choquen en la boya.

6. Sistema según la reivindicación 4 donde la fuerza de entrada es la energía de las olas del océano y donde el sensor incluye medios electromagnéticos para detectar el valor máximo y valles de las ondas que chocan en la boya.

7. Sistema según la reivindicación 2, donde el primer y segundo transductor tienen tamaños diferentes, el primer transductor siendo generalmente más grande que el segundo transductor.

8. Sistema según la reivindicación 1, donde los medios sensibles a dicha señal de salida incluyen medios para controlar el cierre y apertura de dichos medios conmutadores.

9. Sistema según la reivindicación 8 donde dicho generador de energía es un primer transductor y donde el sensor es un segundo transductor y donde el primer y segundo transductores son dispositivos piezoeléctricos.

10. Sistema según la reivindicación 8, donde dicho sensor y generador de energía son localizados físicamente uno respecto al otro para provocar que el sensor sea sometido a, y para detectar, las mismas fuerzas externas que se aplican al generador de energía; y donde el sensor es eléctricamente aislado de los efectos del cierre y apertura de los medios conmutadores.

11. Sistema según la reivindicación 8, donde dichos medios que producen dicha señal de salida incluyen un detector de valores máximos.

12. Sistema según la reivindicación 8, donde dicho sensor y dichos medios que producen dicha señal de salida incluyen un detector de valores máximos y un microprocesador acoplado a dichos medios conmutadores para controlar el cierre y apertura de dichos medios conmutadores.

13. Sistema según la reivindicación 8, donde la fuerza de entrada es una fuente de energía natural recurrente oscilante y donde dichos medios que producen dicha señal de salida incluyen medios de computación para detectar los valores máximos y valles de la fuente de energía natural recurrente oscilante que choca en dicho primer y segundo transductores para generar señales para cerrar los medios conmutadores.

14. Sistema según la reivindicación 8, donde dichos medios productores de dicha señal de salida incluye al menos uno de diferenciación e integración de medios del circuito para procesar dicha señal de salida para controlar el cierre y apertura de dichos medios conmutadores.