Dispositivo de conversión de energía mecánica de impactos en energía eléctrica con rendimiento optimizado.

Dispositivo de conversión de energía mecánica de impactos aleatorios de objetos distintos en energía eléctrica,

que comprende un armazón rígido, una membrana (202, 302) suspendida sobre dicho armazón por al menos unosextremos longitudinales primero (4) y segundo (8), estando destinada dicha membrana (202, 302) a ser impactadapor dichos objetos en una dirección sensiblemente transversal a un plano medio de la membrana (202, 302),comprendiendo dicha membrana (202, 302) un alma (212, 312) en material transductor de energía mecánica enenergía eléctrica que se extiende desde el primer extremo (4) longitudinal hasta el segundo extremo (8) longitudinal,comprendiendo dicho dispositivo una primera pluralidad de electrodos (214) sobre la primera cara del alma (212) yuna segunda pluralidad de electrodos (216) sobre la segunda cara del alma (212), comprendiendo el alma (212)luces que se extienden longitudinalmente, comprendiendo cada pluralidad de electrodos (214, 216) unas láminasdiscretas yuxtapuestas que se extienden desde el primer extremo longitudinal de la membrana (202) hasta elsegundo extremo longitudinal de la membrana (202), cubriéndose al menos parcialmente las pluralidades primera ysegunda de electrodos, extendiéndose longitudinalmente dichas luces del alma (212) entre las láminas de electrodosdesde el primer extremo longitudinal del alma (212) hasta el segundo para definir una membrana (202) en forma debandas suspendidas yuxtapuestas (202'), caracterizado porque la longitud de las láminas se elige al menos de unorden de magnitud mayor que su anchura.

Dispositivo de conversión de energía mecánica de impactos en energía eléctrica con rendimiento optimizado

Campo técnico y arte previo La presente invención se refiere a un dispositivo de recuperación de energía mecánica en energía eléctrica, en particular a un dispositivo apto para transformar la energía liberada por choques de objetos que vienen a impactar contra una superficie deformable. Los objetos de los que se desea recuperar la energía de impacto pueden ser, por ejemplo, gotas lluvia, estando dispuesto entonces el dispositivo en un entorno exterior, u objetos rígidos, de tipo polvo, granos, etc. en un dispositivo de carga por ejemplo.

Se conocen dispositivos de recuperación de energía en forma de cinta que comprenden un elemento en material piezoeléctrico dispuesto en un flujo de líquido, por ejemplo agua, corriendo el flujo de manera sensiblemente paralela a la superficie del elemento en material piezoeléctrico. La deformación del elemento genera la aparición de una tensión en los terminales de electrodo a ambos lados del material piezoeléctrico.

Ahora bien, este dispositivo no permite una recuperación óptima de la energía procedente de impactos de objetos. En efecto, el dispositivo del estado de la técnica funciona por solicitación continua del fluido de manera uniforme sobre toda su superficie. Ahora bien, en el caso de impactos de objetos, la localización de los impactos es aleatoria y discreta.

Por otra parte, este dispositivo no está adaptado a deformarse de manera óptima para choques transversales en la superficie del elemento en material piezoeléctrico.

Se conoce igualmente por el documento “Optimal design of piezoelectric cantilever for a micro power generator with microbubble” 2nd Annual International IEEE-EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine & Biology, May 2-4, 2002, Madison, Wisconsin EE.UU., Poster 102; páginas 424-427, una estructura de conversión piezoeléctrica deformada por el apoyo periódico de burbujas sobre una estructura deformable; esta estructura comprende una viga en material piezoeléctrico encastrada por un primer extremo y que comprende en un segundo extremo una placa destinada a recibir impactos. Esta estructura sólo es eficaz si el objeto que impacta viene a deformar la estructura en un lugar preciso. Si las burbujas vienen a impactar contra la viga directamente, la cantidad de cargas producida es muy escasa.

Por otra parte, las zonas de recuperación de energía formadas por la propia viga y la zona de impacto están separadas físicamente. Así, con relación a la superficie total del sistema, la zona eficaz es relativamente reducida.

Es por consiguiente un objetivo de la presente invención ofrecer un dispositivo de recuperación de energía procedente del impacto de objetos en una membrana, en el que la recuperación de energía es poco dependiente del lugar de impacto de los objetos en la membrana. Un dispositivo conocido se divulga en el documento US 4.404.490.

Exposición de la invención El objetivo anteriormente enunciado es alcanzado por un dispositivo que comprende un elemento en material apto 45 para generar una tensión eléctrica bajo la aplicación de un esfuerzo mecánico, suspendido según su mayor dimensión y que recibe directamente los impactos de los objetos cuya energía mecánica se quiere convertir; el elemento comprende, a ambos lados de su superficie, electrodos que se extienden a lo largo de su mayor dimensión.

En otros términos, el dispositivo es tal que se solicita el material transductor directamente y los electrodos se distribuyen a lo largo de toda la longitud del material. Eso permite reducir la influencia de la localización geográfica de los impactos en la membrana. Así pues, se alcanza un buen rendimiento de conversión sobre toda la superficie del material; la cantidad de energía recuperada es entonces sensiblemente la misma cualquiera que sea el lugar de impacto en la membrana.

Gracias a la presente invención, se aumenta la eficacia espacial del dispositivo de recuperación y se reduce muy apreciablemente la sensibilidad de la recuperación de energía en la zona solicitada mecánicamente por el impacto de un objeto o la acción de un fluido.

Las estructuras de conversión propuestas permiten pues recuperar la energía de objetos que vienen a impactar de manera uniforme contra toda la superficie del sistema. Ya no hay entonces separación física entre la zona de impacto y la zona de conversión y recuperación de energía formada por el material transductor de energía mecánica en energía eléctrica y los electrodos asociados. Gracias a la presente invención, se puede aumentar la eficacia de la recuperación de energía para solicitaciones de distribución espacial aleatoria como puede ser por ejemplo el impacto 65 de gotas de lluvia, de gotas procedentes de sistemas de aspersión, el impacto de partículas sólidas durante tamizaciones o cualesquiera transferencias por almacenamiento o utilización.

Se prevé realizar membranas en las cuales el material transductor está cubierto parcialmente por los electrodos. Los electrodos no son entonces ya íntegramente continuos en anchura (es decir, de la misma geometría que la membrana) sino que están divididos para formar cintas de anchura del mismo orden de magnitud que la de los objetos durante el impacto, lo que permite optimizar la recuperación de energía: de esta forma se maximiza la variación de deformación y esfuerzo medio bajo los electrodos evitando disipaciones eléctricas en las zonas no solicitadas mecánicamente.

Se prevé también una membrana agujereada para facilitar la evacuación de los objetos que impactan contra la membrana. En este modo de realización, la membrana puede estar formada por bandas discretas, yuxtapuestas paralelamente.

El dispositivo de recuperación de energía puede también servir para abastecer un sensor asociado o integrado, es decir, que el sensor está formado por la propia membrana.

La presente invención tiene entonces principalmente por objeto un dispositivo de conversión de energía mecánica de impactos de objetos en energía eléctrica, que comprende un armazón, una membrana suspendida sobre dicho armazón por al menos unos extremos longitudinales primero y segundo, estando destinada dicha membrana a ser impactada por dichos objetos en una dirección sensiblemente transversal a un plano medio de la membrana,

comprendiendo dicha membrana un alma en material transductor de energía mecánica en energía eléctrica que se extiende desde el primer extremo longitudinal hasta el segundo extremo longitudinal, y al menos un electrodo sobre una primera cara del alma y al menos un electrodo sobre una segunda cara del alma, extendiéndose dichos electrodos desde el primer extremo longitudinal hasta el segundo, y cubriéndose al menos parcialmente. El dispositivo comprende una pluralidad de electrodos sobre la primera cara del alma y una pluralidad de electrodos sobre la segunda cara del alma, comprendiendo cada pluralidad de electrodos unas láminas discretas yuxtapuestas que se extienden desde el primer extremo longitudinal de la membrana hasta el segundo extremo longitudinal de la membrana, cubriéndose al menos parcialmente la pluralidad de electrodos sobre la primera cara y la pluralidad de electrodos sobre la segunda cara. Se aumenta aún la cantidad de energía así recuperada. El alma comprende luces que se extienden entre las láminas de electrodos.

Estas luces se extienden longitudinalmente desde el primer extremo longitudinal del alma hasta el segundo para definir una membrana en forma de bandas suspendidas yuxtapuestas. La membrana, más concretamente las bandas, que es de poca anchura, es más fácilmente deformable por un mismo impacto, lo que permite aumentar la cantidad de energía convertida. La anchura de las láminas es por ejemplo sensiblemente igual a la de las bandas.

La longitud de las láminas se elige de un orden de longitud mayor que su anchura.

La anchura de los electrodos en forma de lámina es superior ventajosamente al tamaño de los objetos destinados a impactar contra la membrana.

Se puede prever que la membrana no esté sometida, en ausencia de impacto, a ninguna tensión mecánica, en el caso de choques aleatorios, así ella sufre una fuerte variación de deformación.

Se puede prever que la membrana esté sometida a una tensión mecánica determinada en ausencia de impacto de manera que la frecuencia de resonancia de la membrana coincide con la frecuencia de los impactos, en el caso de 45 choques repetitivos a frecuencia regular, lo que permite aumentar aún más la cantidad de energía mecánica convertida en energía eléctrica.

El material... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de conversión de energía mecánica de impactos aleatorios de objetos distintos en energía eléctrica, que comprende un armazón rígido, una membrana (202, 302) suspendida sobre dicho armazón por al menos unos 5 extremos longitudinales primero (4) y segundo (8) , estando destinada dicha membrana (202, 302) a ser impactada por dichos objetos en una dirección sensiblemente transversal a un plano medio de la membrana (202, 302) , comprendiendo dicha membrana (202, 302) un alma (212, 312) en material transductor de energía mecánica en energía eléctrica que se extiende desde el primer extremo (4) longitudinal hasta el segundo extremo (8) longitudinal, comprendiendo dicho dispositivo una primera pluralidad de electrodos (214) sobre la primera cara del alma (212) y 10 una segunda pluralidad de electrodos (216) sobre la segunda cara del alma (212) , comprendiendo el alma (212) luces que se extienden longitudinalmente, comprendiendo cada pluralidad de electrodos (214, 216) unas láminas discretas yuxtapuestas que se extienden desde el primer extremo longitudinal de la membrana (202) hasta el segundo extremo longitudinal de la membrana (202) , cubriéndose al menos parcialmente las pluralidades primera y segunda de electrodos, extendiéndose longitudinalmente dichas luces del alma (212) entre las láminas de electrodos desde el primer extremo longitudinal del alma (212) hasta el segundo para definir una membrana (202) en forma de bandas suspendidas yuxtapuestas (202') , caracterizado porque la longitud de las láminas se elige al menos de un orden de magnitud mayor que su anchura.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el cual los medios para regular la tensión mecánica de la membrana comprenden unos soportes (206, 210) de los extremos longitudinales de la membrana, montados sobre carriles para poder alejarlos uno del otro.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, en el cual la anchura (L) de los electrodos (214, 216) en forma de lámina es superior al tamaño de los objetos destinados a impactar contra la membrana (202) . 25

4. Dispositivo según la reivindicación 3, destinado a recuperar la energía de impacto de objetos que tienen un diámetro antes del impacto en la membrana y un diámetro después del impacto en la membrana, presentando las láminas de electrodos una anchura al menos igual al diámetro después del impacto y presentando las luces una anchura a lo sumo igual al diámetro antes del impacto.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual la anchura (L) de las láminas es sensiblemente igual a la de las bandas (202') .

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual la membrana (202, 302) no está sometida en 35 ausencia de impacto a ninguna tensión mecánica.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual la membrana (202, 302) está sometida a una tensión mecánica determinada en ausencia de impacto de tal modo que la frecuencia de resonancia de la membrana coincide con la frecuencia de los impactos.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual el alma (212, 312) es de material piezoeléctrico o de material electroactivo.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual los objetos destinados a impactar contra la 45 membrana son gotas de agua.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende también un dispositivo de conversión de la energía solar en energía eléctrica que comprende células fotovoltaicas (322) , haciéndose la membrana (302) en materiales transparente a la luz, disponiéndose las células fotovoltaicas (322) aguas abajo de la membrana (302)

con relación a la dirección de desplazamiento de los objetos.

11. Sistema que comprende un dispositivo de conversión según una de las reivindicaciones 1 a 10, y un sensor de una magnitud física, estando alimentado dicho sensor al menos parcialmente por el dispositivo de conversión.

12. Sistema según la reivindicación 11, en el cual la membrana forma la zona sensible del sensor, permitiendo obtener una información sobre los objetos que impactan contra dicha membrana.

13. Sistema según la reivindicación 11 ó 12, en el cual la membrana forma la zona sensible del sensor, estando destinado el sensor a detectar una variación de una característica de la membrana por detección de una variación 60 de frecuencia de resonancia de la membrana.

14. Utilización del dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 10 para recuperar la energía de impactos de gotas de agua.