DISPOSITIVO DE TRANSFERENCIA INALÁMBRICA DE ENERGÍA.

Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía.

Se describe un dispositivo que permite transferir energía de manera inalámbrica que está basado en al menos dos resonadores que comprenden unos cristales fotónicos definidos por varias capas de dos materiales distintos dispuestos de manera concéntrica dando lugar a una estructura tipo sándwich circular.

En una de las realizaciones preferidas del dispositivo de la invención los cristales fotónicos de cada resonador del dispositivo se encuentran dispuestos de forma concéntrica siendo ésta la configuración preferida de cada resonador, si bien se pueden tener distintas configuraciones en realizaciones alternativas donde los cristales fotónicos aparecen dispuestos de forma radial. El radio externo de cada resonador se puede definir en función de varios parámetros, siendo el parámetro referido a la longitud de onda de la frecuencia de trabajo uno de los parámetros preferidos a la hora de establecer dicho radio.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de la transmisión de energía eléctrica.

El objeto de la invención consiste en un dispositivo que permite suministrar energía de 10 manera que dicho suministro de lleve a cabo de manera inalámbrica y de forma eficiente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Tradicionalmente la transferencia de potencia inalámbrica se ha resuelto aplicando el 15 fenómeno de inducción magnética (véase US20040000974, US20060061324 y

US20050116683). Ejemplo de ello son los transformadores con dos bobinados conductores separados una pequeña distancia, en los que mediante una corriente eléctrica a través de uno de ellos, se induce una corriente en el otro. La eficiencia de este intercambio de potencia disminuye drásticamente al aumentar la distancia cuando ésta es comparable con 20 el tamaño de los bobinados.

Es conocido el fenómeno denominado acoplamiento entre resonancias, el cual ocurre cuando un objeto resonante se aproxima a otro elemento resonante y las frecuencias de resonancia son parecidas. A nivel de estado del arte, existen otras propuestas basadas en 25 este fenómeno:

Discos dieléctricos (Karalis y coautores, 2008). Para la construcción de estos resonadores es necesario trabajar con materiales con altos valores de constante dieléctrica z, lo que hace difícil su implementación. Con la solución propuesta en esta 30 solicitud se reduce a la mitad los valores máximos de constante dieléctrica

necesarios, para obtener rendimientos de transferencia comparables. El sistema basado en Cristales Radiales Fotónicos (RPCs de las siglas en inglés) consigue factores de acoplamiento superiores a los obtenidos con un sistema de discos

homogéneos que tenga como parámetros constitutivos un promedio de los perfiles del RPCs.

Espiras resonantes (detalles en la patente US20100117456). Los resultados experimentales demuestran la posibilidad de transferir energía eléctrica entre dos 5 espiras con dimensiones semejantes. Se ha conseguido transferir energía a 2m con

espiras de 25cm de radio (D/r=8). Las eficiencias obtenidas con nuestra solución a esa distancia son en principio superiores.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es un dispositivo que permite la transferencia de energía eléctrica entre dos resonadores mediante el acoplamiento de campo no radiactivo.

El dispositivo aquí propuesto aprovecha el fenómeno de acoplamiento de resonancias para 15 aumentar la eficiencia a distancias mayores que el tamaño de los resonadores.

Como ya es sabido el acoplamiento entre resonancias ocurre cuando un objeto resonante se aproxima a otro elemento resonante y sus frecuencias de resonancia son parecidas. El dispositivo descrito en este documento dispone de elementos resonantes o resonadores que 20 poseen factores de calidad y factores de acoplamiento muy altos y superiores a los propuestos en los documentos citados en el apartado anterior. Dichos resonadores están formados por cristales fotónicos radiales (RPCs) y en su cavidad interior se ubica un conectar coaxial que hace posible tanto la excitación del resonador cuando actúa como fuente como cuando actúa permitiendo recepción de energía en el receptor.

De modo experimental se tiene que el dispositivo objeto de la invención ofrece, a modo de comparación con las soluciones que se pueden encontrar actualmente, eficiencias superiores al 50% a una distancia de 10 veces el tamaño del resonador.

Las estructuras de tas cristales fotónicos radiales están compuestas por cuatro capas de dos tipos de materiales con grosores comprendidos entre da y db=2da siendo a un primer tipo de material y b un segundo tipo de material, estando el radio total de tas resonadores definido como rext=Acm. La frecuencia de trabajo es de 170MHz, pero puede escalable

entre 10 MHz y 1 GHz por ejemplo. El tamaño es inferior a la longitud de onda a la frecuencia de trabajo (A/r>40).

Un dispositivo de tipo RPC tiene forma cilindrica y está formado por sucesivas capas 5 concéntricas de dos tipos de materiales (un primer material o material tipo a y un segundo material o material tipo b). Respectivamente estos materiales tienen espesores da y db (db = 2da). El radio total del cilindro multicapa que define cada resonador tiene preferiblemente un radio exterior de r = 4 cm cuando la frecuencia de trabajo, a la cual se intercambia la energía eléctrica, es de f = 170 MHz. Este valor de frecuencia puede ser escalable en 10 valores establecidos entre 10 MHz y 1 GHz, dependiendo del diseño, lo que conlleva un escalado también de las dimensiones geométricas de la estructura cilindrica.

A la frecuencia de trabajo f= 170 MHz, la longitud de onda equivalente es de X = clf = 3.108/170.106 = 1.76 m la relación por tanto entre longitud de onda X y radio exterior de cada 15 resonador del dispositivo r en este caso es superior a 40 (Xlr >40). Los resonadores trabajan en un modo resonante cuadripolar que tiene factores de calidad altos (Q=9915).

Los resonadores tienen una resonancia de tipo cuadripolar (p.e. la distribución de energía electromagnética en un corte transversal del dispositivo cilindrico presenta un patrón con 20 cuatro lóbulos). Estas resonancias tienen un factor de calidad alto (con valores típicamente alrededor de 10.000).

De manera esquemática, el sistema está basado en el empleo de dos de estos resonadores iguales, de manera que el primero actúa como fuente y el segundo como receptor. Ambos 25 incorporan sendos conectores de tipo estándar (por ejemplo SMA) para introducir o extraer respectivamente la energía eléctrica del sistema.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha

representado lo siguiente:

Figura 1a y 1b.- Muestran una vista isométrica del dispositivo objeto de la invención donde se aprecia la estructura anular tipo sándwich del mismo y la disposición de sus elementos. 5 Donde la figura 1a representa el dispositivo completo y la figura 1b una sección diametral.

Figura 2.- muestra una configuración básica del objeto de la invención donde se hace uso de dos dispositivos resonantes configurados de modo anular con conectores respectivamente ubicados en sus partes centrales.

Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de una posible realización en la que se representa el dispositivo con cada resonador definido como multicapa radial concéntrica, tal y como se aprecia se trata de una configuración igualmente cilíndrica pero de tipo angular (incluye materiales dieléctricos y metálicos).

Figura 4.- Muestra una representación de una simulación del acoplamiento electromagnético resonante entre dos dispositivos (muestra el campo eléctrico en el plano, color sólido, y las líneas de campo magnético) Intensidad de ambos campos según escala de grises.

Figura 5.- Muestra una ilustración de resonancia cuadripolar (distribución de campo en el dispositivo a la frecuencia de trabajo).

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del dispositivo de transferencia inalámbrica de energía objeto de esta invención como sistema de transferencia de energía.

El objeto de la invención en una realización preferente del mismo comprende al menos dos resonadores de tipo RPC que a su vez comprenden cristales fotónicos donde uno actúa 30 como emisor o fuente y el otro como receptor. En la figura 1a se aprecia un resonador de tipo RPC. Cada resonador comprende respectivos conectores añadidos que se encuentran ubicados en la parte central de cada uno de los resonadores, tal y como que se aprecian en la figura 2, y que se encuentran adaptados para posibilitar la excitación de cada resonador.

En una realización preferida como la mostrada en la figura 2 los cristales fotónicos de cada resonador pueden presentarse en una configuración de como multicapa radial concéntrica si bien en una realización alternativa mostrada en la figura 3 se pueden disponer en configuración radial angular alternada de capas.

En la realización preferente aquí descrita los cristales fotónicos tienen forma anular, si bien se contemplan posibles realizaciones alternativas con cristales fotónicos poligonales que posibilitarían el mismo efecto que el mostrado en la figura 4 donde se hace uso de la realización preferente...

1. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía caracterizado porque comprende:

al menos dos resonadores que a su vez comprenden cristales fotónicos, y 5 un conector que se encuentra ubicado en una parte central de cada uno de ellos,

adaptado para posibilitar la excitación del resonador respectivo.

2. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía según reivindicación 1 caracterizado porque los cristales fotónicos tienen forma anular.

3. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía según reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque los cristales fotónicos comprenden al menos cuatro capas concéntricas de dos tipos de materiales distintos, un material tipo a y un material tipo b.

4. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía según reivindicación 3 caracterizado

porque cada una de las capas de tipo a ó b se alternan con grosores respectivos da y db; donde db =2da.

5. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía según reivindicación 1 caracterizado 20 porque cada resonador tiene un radio exterior r que se encuentra comprendido entre 7mm

y 68cm.

6. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía según reivindicación 5 caracterizado porque la frecuencia de trabajo f se encuentra comprendida entre 10 MHz y 1 GHz.

7. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía según reivindicación 5 caracterizado porque el radio exterior r de cada resonador es de 4 cm.

8. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía según reivindicación 7 caracterizado 30 porque la frecuencia de trabajo es f = 170 MHz.

9. Dispositivo de transferencia inalámbrica de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque cada resonador tiene un radio exterior r que se

define según: (1/r>n ); donde 1 es una longitud de onda a la frecuencia de trabajo y n>5.