ES2354202T3 - Sensores para sistemas de conversión de energía. - Google Patents

Abstract

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.

Description

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=1/2\pi (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. El tiempo de cierre del conmutador, Tc, es igual a aproximadamente 1/2fo, donde fo es la frecuencia resonante de la fuente y circuito de carga.

Sistemas para realizar la invención incluyen circuitos y medios para detectar de una forma fiable y con precisión al menos uno del(los) valor(es) máximo(s), amplitud y frecuencia de una fuerza de entrada y sistema de circuitos para controlar el cierre y la apertura de un conmutador que acopla selectivamente un circuito extractor de energía a un dispositivo generador de energía.

Breve descripción de las figuras

En las figuras anexas caracteres de referencia similares indican componentes similares; y

La Figura 1 es un diagrama de conexiones simplificadas de un sistema de la técnica anterior que usa dispositivos piezoeléctricos para generar energía eléctrica;

La Figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema para generar energía conforme a la invención;

La Figura 3A es un diagrama esquemático de circuito simplificado de una forma de realización de la invención;

La Figuras 3B y 3C son diagramas esquemáticos simplificados que muestran formas de realización diferentes de la invención;

La Figura 3D es un diagrama esquemático simplificado de un circuito para realizar la invención usando conmutadores MOSFET;

La Figura 4 es un diagrama en forma de onda que ilustra varias formas de onda asociadas al circuito de la figura 3A;

La Figura 5 es un diagrama en forma de onda de señales producidas en circuitos para realizar la invención;

La Figura 6 es un diagrama del circuito que muestra los valores seleccionados para ciertos componentes;

La Figura 7 es una forma de onda de un voltaje en estado de equilibrio producido en circuitos que caracteriza la invención;

La Figura 8 es un diagrama en forma de onda de pulsos de corriente de carga en estado de equilibrio producidos en circuitos para realizar la invención;

La Figura 9 es un diagrama del circuito simplificado de otro circuito que caracteriza la invención;

La Figura 10 es un diagrama del circuito simplificado que muestra un circuito de conmutación conforme a la invención;

La Figura 11 es un circuito rectificador simplificado para el uso en circuitos que caracteriza la invención;

Las Figuras 12A, 12B, 12C, 12D, 12E, y 12F son diagramas que ilustran varias condiciones de señal asociadas con la detección de valores máximos;

Las Figuras 12G y 12H son diagramas que ilustran un esquema de detección de valores máximos que caracteriza la invención; y

Las Figuras 13, 14, 15 y 16 son diagramas que ilustran otros esquemas de detección de valores máximos que caracterizan la invención.

Descripción detallada de la invención

La Figura 2 incluye un dispositivo piezoeléctrico 22, también denominado en este caso PEG1, que se puede colocar en un entorno donde éste es sometido a esfuerzo mecánico. Para fines de ilustración, considerar que PEG1 se coloca en un entorno (p. ej., un océano, un río, un molino de viento) de manera que PEG1 es sometido a esfuerzo y/o tensión y produce una señal eléctrica cuya amplitud y frecuencia varía como función de la amplitud y frecuencia de la fuerza mecánica de transmisión (p. ej., una ola de océano). PEG1 funciona para recopilar energía impartida a éste desde el entorno en el que se coloca. PEG1 luego suministra su energía recogida al sistema al que se conecta. En este ejemplo, se considera que PEG1 produce un voltaje oscilante debido a una fuerza mecánica oscilante aplicada a éste.

El dispositivo piezoeléctrico 22 es selectivamente acoplado por medio de un conmutador "inteligente" 24 a un extremo de un circuito inductivo 26 cuyo otro extremo se conecta a la carga 27. El conmutador 24 se denomina un conmutador "inteligente" porque su cierre y la longitud de tiempo en la que se cierra es cuidadosamente controlada. Conmutador inteligente 24 puede incluir un conmutador S1 que puede ser un conmutador electrónico o un contacto de relé o cualquier dispositivo similar que proporcione una conexión de impendancia muy baja para una condición de señal (cierre de conmutador) y una impendancia altísima para otra condición de señal (apertura de conmutador). El cierre y apertura de conmutador inteligente 24 se controla por una red 34 como se detalla adicionalmente más abajo.

El circuito inductivo 26 puede incluir un inductor con una inductancia, L. El valor del inductor se selecciona de manera que, cuando el conmutador S1 es cerrado, el inductor 26 resuena con la capacitancia Cp del dispositivo piezoeléctrico 22. En la Fig. 2, el lado de salida del inductor 26 se conecta a una carga 27 que incluye un circuito de rectificación 28 cuya salida se conecta a un capacitor de almacenamiento 29 que se acopla a un convertidor DC/DC 30 que carga una batería 35 y regula la carga de la batería.

En referencia a la Fig. 3A, que es un circuito equivalente simplificado de la forma de realización mostrada en la Fig. 2, obsérvese que el dispositivo piezoeléctrico (PEG) se puede representar por una fuente de voltaje, Ep, conectada en serie con un capacitor Cp entre las terminales 31 y 33 y un resistor Rp conectado entre los terminales 31 y 33 para derivar la fuente de voltaje Ep en serie con Cp. El resistor Rp representa una resistencia de pérdida dieléctrica equivalente del material piezoeléctrico (PVDF) combinado con una pérdida eficaz que resulta de la diferencia de fase entre la tensión y el voltaje dentro de un elemento piezoeléctrico bajo una fuerza mecánica oscilante. Típicamente, el valor óhmico de Rp está en la gama de varios megaohmios. En una forma de realización se determinó que el capacitor Cp tenía un valor de 0.45 microfaradios. El PEG también incluye una resistencia de electrodo (Relectrodo) mostrada conectada entre los nodos 30 y 31. La fuente de voltaje Ep produce un voltaje cuya amplitud y frecuencia es una función de la amplitud y frecuencia de la fuerza de transmisión mecánica que somete a esfuerzo a ésta. La amplitud de Ep puede variar sobre una gama amplia (p. ej., 0 a 500 voltios) y su frecuencia puede típicamente variar sobre una gama que se extiende de 0 hz a varios ciclos por segundo.

Un aspecto de invención de los solicitantes se refiere a extraer la energía recogida en el generador piezoeléctrico conectando selectivamente un elemento inductivo 26 en circuito con el generador de energía eléctrica causando la transferencia de energía de Cp en el elemento inductivo y la carga a una frecuencia resonante que es principalmente determinada por la capacitancia de Cp y la inductancia (L) del elemento inductivo (L1 o 26). El valor L del elemento inductivo 26 se selecciona de manera que la frecuencia resonante (fo) debida a Cp y el elemento inductivo 26 sea significativamente mayor que la frecuencia de "entrada" máxima (f1) de la fuerza de entrada mecánica o aquella de la señal eléctrica producida por PEG1 como respuesta a ser sometida a esfuerzo y/o tensión.

En una forma de realización, considerando una frecuencia de transmisión de 2 Hz y un Cp de .45 microfaradios, la frecuencia resonante fue seleccionada para ser aproximadamente de 70 Hz, para que un inductor 26 con un valor de aproximadamente 11.6 Henrys fuera usado para conectar selectivamente PEG1 a la carga 27. Para la forma de realización particular, el valor de la resistencia del inducido en serie (Rw) del inductor L1 fue 65 ohmios y la resistencia del electrodo (Relectrodo) de PEG1 fue 100 ohmios, por la cual la resistencia de serie en "bucle" (Rs) que representa la suma de Rw y Relectrodo fue 165 ohmios.

En la Fig. 3A la carga 27 se representa por un resistor. No obstante, debe ser entendido que, como se muestra en la Fig. 2, la carga 27 puede ser una carga compleja (incluyendo varias redes resistentes y/o elementos capacitativos y/o inductivos). La carga 27 como se muestra en la Fig, 2 también puede incluir un rectificador puente, 28, para convertir los pulsos de energía negativos y positivos generados por el circuito en una fuente de energía unidireccional, un capacitor de memoria temporal 29, una batería 35 para almacenar la carga, y un convertidor DC/DC 30 para transferir la carga del capacitor 29 de almacenamiento temporal a la batería 35 en el voltaje requerido para cargar la batería y almacenar la carga acumulada.

Un aspecto importante de la invención es que: (a) el circuito formado durante el cierre del conmutador S1 tiene una frecuencia resonante (fo) principalmente determinada por la capacitancia de la fuente Cp y la inductancia de inductor 26 incluyendo cualquier otra inductancia en serie a lo largo del bucle [no obstante, para facilidad de la discusión, no se han tenido en cuenta inductancias distintas de aquellas del inductor 26.]; (b) fo es hecho para ser significativamente más grande que f1, donde f1 es la frecuencia de la entrada o señal de transmisión (Ep) generada por PEG1 (c) el conmutador S1 se cierra en el valor máximo (negativo y positivo) de la señal de entrada (Ep); y (d) el conmutador S1 se cierra durante un periodo temporal (Tc) aproximadamente igual a la mitad de un ciclo de la frecuencia resonante fo, tiempo durante el cual un pulso de carga se mueve de la fuente PEG1 a la carga.

El conmutador S1 se cierra durante un periodo que es lo suficientemente largo para permitir que la corriente fluya a través del inductor hasta que la corriente alcance cero. El conmutador S1 es luego abierto.

La apertura y cierre del conmutador S1 se puede realizar de diferentes maneras, como se discute más abajo. Una manera es con un conmutador autoconmutador ("autotemplado") que se cierra cuando se desencadena y que se abre cuando la corriente alcanza cero. Otra manera es controlar activamente el cierre y apertura del conmutador S1.

La puesta en funcionamiento del circuito de la figura 3A puede ser mejor explicada en relación con los diagramas en forma de onda mostrados en la Fig. 4 y en forma de onda A de la figura 5 y considerando que: (a) la señal eléctrica generada por PEG es una señal sinusoidal, (b) cuando Ep alcanza un valor máximo (positivo o negativo) en el tiempo t1, t3, t5, etc .... el conmutador S1 es cerrado (es decir, apagado). (c) Cuando la corriente que fluye a través del conmutador S1 alcanza cero, o aproximadamente cero, el conmutador se abre hasta el siguiente valor máximo/mínimo de la señal de entrada. Para facilidad de ilustración, considérese también que la frecuencia de transmisión es 2 Hz y la frecuencia resonante es 70 Hz, por lo cual el periodo (Tc) es aproximadamente 7 milisegundos. En referencia a las figuras 4 y 5 la puesta en funcionamiento del circuito para rotación en S1 en los valores máximos negativos y positivos de la señal de entrada Ep puede ser descrita de la siguiente manera:

1- puesta en funcionamiento del circuito de tiempo t0 tiempo t1: conmutador 81 está abierto y como Ep aumenta de 0 voltios a un valor máximo de E1, el voltaje (Vx) en la placa X de Cp también aumenta a un valor de E1.

2- puesta en funcionamiento de circuito desde el tiempo t1 a t11: cuando el conmutador S1 se cierra a tiempo t1, Vx va de un valor de E1 a un valor de aproximadamente (-)E1. Es decir, después del cierre del conmutador el circuito resonante (capacitor Cp e inductor L26) causa una inversión del voltaje en la placa X del capacitor Cp durante el primer ciclo a mitad del circuito resonante. Obsérvese que durante este periodo esta energía es extraída de PEG y transferida al circuito de carga. El conmutador S1 permanece cerrado mientras que la corriente pasa a través de éste. Cuando la corriente a través del conmutador S1 alcanza cero, o aproximadamente cero, el conmutador S1 se abre (o es activamente abierto) en el tiempo t11.

3- Puesta en funcionamiento de circuito desde el tiempo t11 a tiempo t3: a tiempo t11, con Vx cerca de (-)E1, el conmutador S1 se abre. Luego, después de que Ep vaya de E1 a aproximadamente (-)E1, de tiempo t11 a tiempo t3 el voltaje en Vx sigue a aquel de Ep, y así Vx va de (-)E1 a tiempo t11 a (-)3(E1) a tiempo t3.

4- Puesta en funcionamiento de circuito de tiempo t3 a tiempo t31: a tiempo t3 con Ep a (-)E1 y Vx a (-)3(E1), el conmutador S1 se cierra a tiempo t3, formando el circuito resonante de serie que incluye Cp y L26. El circuito resonante causa una inversión en la polaridad del voltaje en la placa X de Cp con el voltaje Vx entrando de (-)3E1 a casi +3E1. Del tiempo t3 al tiempo t31, la carga eléctrica se empuja a través de la carga. A tiempo t31, después de que un pulso de carga se ha movido a través del conmutador y la corriente en el conmutador vuelve a cero, el conmutador S1 se abre o es abierto. Como antes, es durante el período de tiempo de t3 a t31 que la energía es extraída de PEG y transferida al circuito de carga.

5- Puesta en funcionamiento de circuito de tiempo t31 hasta tiempo t5: como Ep va de -E1 a tiempo t31 a +E1 a tiempo t5, Vx sigue de un valor de +3E1 a un valor de +5E1.

6- La puesta en funcionamiento anteriormente descrita se repite a cada valor máximo positivo y negativo (valle o valor máximo negativo) de la señal de entrada. No obstante, en vez de construir indefinidamente, el voltaje de Vx enfoca un valor de régimen estacionario, cuando las pérdidas eléctricas en el sistema resonante, incluyendo pérdida de energía en la carga, evita que el voltaje de Vx se invierta él mismo completamente. Consecuentemente, la amplitud de la señal a Vx alcanza un valor inerte como se muestra en las figuras 4, 5, 7 y 8. Cuando el sistema alcanza el estado de equilibrio, la energía extraída en forma de pulsos resonantes encuentra la energía suministrada por la fuente de energía de entrada, PEG1. Cuando el circuito resonante no se sobreamortigua y el voltaje a Vx se deja aumentar, entonces la magnitud del voltaje estable a Vx será comparativamente grande en comparación con aquel de Ep.

\newpage

7- En circuitos que caracterizan la invención, la extracción de energía ocurre durante un tiempo Tc; donde Tc es igual a 1/2fo, y donde fo es la frecuencia resonante del bucle de serie con el conmutador cerrado. Para el circuito simplificado que muestra PEG1 en serie con un conmutador, un elemento inductivo y una carga: fo, es aproximadamente igual a 1/2\pi(LCp)^{\cdot 5} y el conmutador se cierra durante un periodo temporal que es aproximadamente igual a Tc = \pi(LCp)^{0 , 5}.

8- En referencia a la forma de onda para Vcarga en Fig. 5, obsérvese que los pulsos de corriente a través del elemento resistente suponen pulsos durante un período de tiempo Tc siguiendo cada valor máximo (p.ej., en los tiempos t1, t3 y t5) de la onda sinusoidal de entrada. Para cada pulso, la corriente aumenta de cero a su valor máximo y luego vuelve a cero en un tiempo Tc después del cierre de cada conmutador correspondiente a un valor máximo.

Hay una correlación entre el aumento del voltaje y la extracción de energía, como la hay en cualquier sistema resonante. Consecuentemente, hay una carga óptima para transferir la energía máxima usando este método. Una aproximación de este máximo y óptimo se puede derivar matemáticamente o computar empíricamente.

Teoría de puesta en funcionamiento Obsérvese que ciertas aproximaciones realísticas y razonables se han hecho en el análisis matemático más abajo

La puesta en funcionamiento del circuito es mejor descrita refiriéndose al esquema mostrado en la figura 6. En la figura 6, R_{P} representa una resistencia de pérdida dieléctrica equivalente del PVDF y R_{S} un término de pérdida de serie igual al efecto combinado de la resistencia de enrollamiento de la bobina y la resistencia del electrodo del elemento piezoeléctrico. Así, R_{S} = R_{W} + R_{electrodo}. En una forma de realización, la fuente de voltaje RMS de 424 voltios y capacitancia de 0.45 \muF corresponde a 1 película piezoeléctrica con electrodos que se tensa a \pm 1%. La resistencia de pérdida paralela R_{P} de 10 M\Omega se basa en una tan \delta de \approx 2%. En la forma de realización de la figura 6 el inductor fue seleccionado para tener un valor de 11.6 H y tuvo una resistencia de enrollamiento de 65 \Omega. Se consideró que el R_{electrodo} era igual a 100 ohmios, por lo cual Rs era igual a 165 \Omega. Como se discute más abajo un valor de R_{L} igual a 345 \Omega fue seleccionado, ya que para el circuito de la figura 6 un valor de R_{L} = 345 ohmios es el óptimo para transferencia de energía máxima con los parámetros mostrados.

Para fines de ilustración, considérese que Ep proporciona una entrada sinusoidal al elemento piezoeléctrico con una frecuencia de entrada f_{EN} = 2 Hz, y además considérese que el conmutador inteligente S1 se cierra en los valores máximos negativos y positivos de la señal de entrada Ep. El conmutador se abre cuando la corriente que pasa a través del inductor es igual a cero o aproximadamente igual a cero. En el caso de que la impendancia de la fuente sea mucho mayor que la impendancia de la carga, un pulso de corriente casi-sinusoidal, con una duración de una mitad de ciclo del periodo resonante de la red L-Cp, se mueve a través del inductor hasta la carga. El tiempo de cierre del conmutador puede luego ser aproximado como Tc = \pi (LCp)^{\cdot 5} que en esta forma de realización sería 7.18 msecs. Dado un valor inicial V_{N} a través de Cp, el voltaje durante el intervalo de cierre es

1

donde \omega_{0} = 1/(LCp)^{\cdot 5} y Q_{L} = \omega_{0}L/(R_{L} +R_{S}) = (L/Cp)^{\cdot 5}/(R_{L} +R_{S}) R_{0} /(R_{L} +R_{S}) Durante este mismo intervalo, la corriente a través del inductor L y la carga RL es

2

A t = Tc, el conmutador S se abre con v_{C} (Tc) = Vi exp(-\pi/(2QL)) = aVi (a \approx1) y i_{L} (Tc) = 0. Con a definido como

3

Después de que el conmutador se abre, el conmutador permanece abierto hasta que el siguiente valor máximo (un valor máximo negativo) ocurre. Durante este periodo, V_{C} seguirá cargando (más negativamente) debido a la carga producida por el piezo elemento bajo la tensión aplicada. La forma de onda aquí es

4

donde \tau = R_{P} C_{P} representa el tiempo de pérdida dieléctrico constante del piezo y V_{P} es el voltaje de circuito abierto de valor máximo.

En el siguiente valor máximo, S se cierra durante el mismo periodo Tc y produce el mismo comportamiento excepto que (Vi)+ es ahora un valor mucho más alto. Justo antes de este siguiente cierre del conmutador a t = 1/(2f_{EN}), \omega_{EN} t = \pi, V_{C} alcanza un valor V_{N+1} que es

5

Este proceso se repite cada medio ciclo (con un cambio de signo) hasta que el estado de equilibrio se alcanza cuando la energía añadida por el piezo dispositivo es compensada por transferencia por la energía transferida a la carga R_{L} más las pérdidas en los electrodos, inductor, y PVDF dieléctrico. El uso de Ec. (5) predice recursivamente el aumento de voltaje como función del número de medios ciclos de la entrada. Puede ser mostrado que el aumento constante de tiempo es aproximadamente ciclos Q_{L}. El voltaje de estado de equilibrio es el parámetro de interés ya que deter-
mina la energía de estado de equilibrio transferida a la carga. Ésta se obtiene estableciendo V_{N+1} = V_{N} en Ec. (5) dando

6

Este voltaje de valor máximo producirá un medio pulso de corriente de onda senoidal en la carga con anchura T_{C} y amplitud de valor máximo

7

Finalmente, la energía media suministrada se obtiene de Ec. (7) como

8

El aumento de alto voltaje a través de los elementos reactivos proporcionales a Q es típico de un circuito resonante. El aspecto significante de este enfoque por pulsos es que la frecuencia resonante y frecuencia de entrada son independientes de modo que valores de componente realísticos son posibles, a pesar de frecuencias de entrada muy bajas. En las Figuras 7 y 8 se muestran el voltaje de estado de equilibrio y formas de onda de corriente de carga producidos por una simulación con el programa de circuito de software informatizado (SPICE) del circuito de la figura 6.

3. Transferencia óptima de Energía

Hay un valor óptimo para R_{L} que maximiza la salida de energía. Éste puede ser visto por manipulación de las ecuaciones 6-8. Primero, reconocer que los parámetros a y b tal y como se define previamente son ambos \approx 1 para gran Q_{L} y Q_{C} (>5). Así, Ec. (6) se puede aproximar por

9

y la salida de energía puede ser escrita nuevamente como

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Recordando que la entrada de energía mecánica es

11

(k^{2} = factor de acoplamiento electromecánico = d_{21}^{2} Y/\varepsilon)

La eficiencia de conversión de energía mecánica a eléctrica P_{SALIDA}/P_{EN} es entonces

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Substituyendo para Q_{L} = R_{0}/R_{L} + R_{s}), y maximizando respecto a R_{L}

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La incorporación de lo anterior en Ec. (12) da el valor máximo de eficiencia de conversión

14

La invención de los solicitantes así incluye el reconocimiento de que hay un valor óptimo de resistencia, (R_{L})_{OPT}, y que este valor de resistencia es una función de: (a) Rs = R_{W} + R_{electrodo} y (b) una función de 2Ro/Qc donde Ro es igual a (L/Cp)^{-5} y Qc es igual Qc = 2 \pif_{EN} \tau y \tau es igual a RpCp.

Los solicitantes además reconocieron que como (R_{L})_{OPT} puede variar como función de una frecuencia de la señal de entrada, la frecuencia de la señal de entrada se puede vigilar y el valor de (R_{L})_{OPT} puede ser variado en función de la frecuencia para mantener optimizado (R_{L})_{OPT}. Como se discute más abajo, esto puede ser realizado aplicando (por medio de conmutadores) más o menos carga al sistema. Es decir, el valor medio de la carga puede ser cambiado controlando el periodo de encendido a apagado durante el cual se aplica la carga al sistema. Esto se ilustra en la Fig. 2 donde el sensor 200 de valor máximo de onda sensible a la amplitud y frecuencia de los esfuerzos y tensiones mecánicos de entrada provee señales al detector de valores máximos 34 que suministra las señales correspondientes al microcontrolador 301 que puede luego controlar el convertidor DC/DC 30. De forma similar, la Fig. 9 muestra que un sensor 303 sensible a la amplitud y frecuencia de esfuerzos y tensiones mecánicos de entrada (p. ej., de las olas del océano) proveen señales a un microcontrolador 301 que se programa para controlar uno o más de los componentes del subsistema, es decir: (a) conmutador S1 (b) la inductancia de L1 y (c) distintos componentes de la carga (p. ej., la capacitancia de carga y la carga resistente). Obsérvese que la Fig. 9 también ilustra que la salida se puede vigilar y las señales se pueden suministrar a un sensor de carga de salida 305 cuya salida es luego alimentada al microcontrolador que otra vez se puede programar para adoptar cualquier acción que sea necesaria para optimizar la respuesta del sistema.

El tipo de carga puede ser variado

Mientras la teoría anterior de puesta en funcionamiento se aplica al caso de la carga puramente resistente, los solicitantes han descubierto que el circuito de extracción de la energía resonante conmutado no necesita ser restringido a una carga puramente resistente. De hecho, una carga resistente-capacitativa paralela puede ser preferible en algunos casos donde la salida deseada es un voltaje DC mejor que un pulso. Esto puede ser realizado usando un circuito del tipo mostrado en la Fig. 9. En la Fig. 9 un rectificador de onda completa 270 se utiliza para convertir la señal AC producida en el bucle de serie (PEG22, conmutador S1, inductor L1 y la carga) a un voltaje de salida DC que se puede almacenar en un capacitor y/o una batería y/o para conducir la carga ilustrada como RCARGA, que puede, ser en la práctica, una carga compleja.

Cambio de ubicación de conmutador

Además de variar las características de la impendancia de la carga, es también posible reordenar el orden de los elementos del circuito que se conectan en serie. En figuras 3A, y 6 el conmutador S1 está localizado entre PEG (capacitor Cp) y el inductor L. No obstante, la ubicación del conmutador S1 se puede mover a otra ubicación a lo largo de la trayectoria en la serie del circuito resonante. Por ejemplo, el conmutador S1 puede ser colocado entre el inductor y la carga como en la figura 3B. De forma alternativa, el conmutador S1 puede ser localizado entre el retorno a tierra, el terminal y la carga RL, como en la figura 3C. El movimiento del conmutador de entre el inductor L y el dispositivo piezoeléctrico PEG1 como se muestra en la Fig. 3A a otra posición en el lado de carga del inductor como se muestra en la Fig. 3B o en el pie mínimo de la carga como se muestra en la Fig. 3C presenta ciertas ventajas en los voltajes de encendido y apagado necesarios para accionar el conmutador. Esto ocurre particularmente, cuando el conmutador se forma usando una combinación de transistores que pueden conducir bidireccionalmente (por ejemplo; MOSFETs) como se ilustra en Fig. 3D.

La red de conmutación de la figura 3D incluye un conmutador inteligente, S1, conectado entre el terminal 39 y el retorno a tierra 33. El conmutador inteligente incluye dos trayectorias paralelas conectadas entre terminales 39 y 33 para controlar la conducción de corriente a través del voltaje de entrada en dirección positiva y para un voltaje de entrada en dirección negativa. Una trayectoria incluye un diodo D1A conectado en serie con la trayectoria de conducción de un canal n MOSFET, N1, cuya fuente y sustrato se conectan al nodo 33. La otra trayectoria incluye un diodo D2A conectado en serie con la trayectoria de conducción de un canal p MOSFET, P1, cuya fuente y sustrato se conectan al nodo 33.

N1 se puede encender (cuando Ep es altamente positivo) por la aplicación de un valor relativamente pequeño (p. ej., 3-10 voltios) de un voltaje en dirección positiva a la puerta de N1. N1 detiene conducción cuando la corriente a través del inductor va a cero. De forma alternativa, N1 se puede apagar conectando la puerta de N1 al terminal 33 (o por la aplicación de un pequeño voltaje negativo a la puerta de N1). Obsérvese que cuando Ep se dirige a una conducción positiva a través de P1 se bloquea por el diodo D2A.

P1 se puede encender (cuando Ep es altamente negativo) por la aplicación de un valor relativamente pequeño (p. ej., 3-10 voltios) de un voltaje en dirección negativa a la puerta de P1. P1 detiene la conducción cuando la corriente a través del inductor va a cero. De forma alternativa, P1 se puede apagar conectando la puerta de P1 al terminal 33 (o por la aplicación de un pequeño voltaje positivo a la puerta de P1). Obsérvese que cuando Ep se dirige a la conducción positiva a través de N1 es bloqueado por el diodo D1A.

La ubicación del conmutador inteligente entre la tierra y la carga 27 como se muestra en la Fig. 3D ilustra la importancia de la localización del conmutador en puntos determinados a lo largo del bucle para permitir que los transistores sean encendidos y apagados con bajos voltajes de puerta a fuente (V_{GS}). Obsérvese también que los Diodos D1A y D2A aseguran que sólo una de las dos trayectorias de conducción "paralelas" está conduciendo a cualquier tiempo. En ausencia de los Diodos D1A y D2A, los transistores (N1 y/o P1) serán conducidos en conducción (es decir, N1 cuando Ep se dirige a negativo, y P1 cuando Ep se dirige a positivo) durante la fase incorrecta de los ciclos de conducción. Obsérvese que en la Fig. 3D el conmutador S1 se puede controlar por un controlador 301 que es sensible a señales de un sensor 303 que detecta la frecuencia y/o los valores máximos y/o la amplitud de la fuerza naturalmente recurrente aplicada al transductor (PEG 22). La Fig. 3D ilustra que el sensor 303 puede suministrar señales al controlador 301 que pueden luego ser usadas para controlar el encendido y apagado del conmutador S1 suministrando señales de apertura y cierre a los electrodos de la puertas de los transistores N1 y P1. Así, el controlador 301 determina cuándo el conmutador debe ser cerrado (p. ej., señal positiva a la puerta de N1 para Ep en dirección positiva y señal en dirección negativa a la puerta de P1 para Ep en dirección negativa) y cuando el conmutador debe ser abierto aplicando una señal de apertura a las puertas de N1 y/o P1.

Propiedades del conmutador

Encontrar un conmutador que puede funcionar en un circuito accionado resonante puede ser difícil por varias cuestiones. Primero, debe tener una impedancia muy alta en el estado apagado, y una impedancia muy baja en el estado encendido. Segundo, se puede requerir bloquear los voltajes negativos y positivos significativamente grandes. Tercero, se puede requerir manejar corrientes pulsadas significativamente grandes. Cuarto, debe tener un tiempo de apertura y cierre que es sustancialmente más corto que el tiempo previsto para el cierre del conmutador. Quinto, se puede requerir manejar la corriente en ambas direcciones. Sexto, debe ser capaz de ser cerrado precisamente por el controlador. Cuando se usa el término "conmutador", se refiere a un dispositivo que ejecuta la función de un conmutador, y el dispositivo mismo puede estar compuesto por varios componentes.

Los solicitantes han examinado diferentes diseños de circuito que enfocan los requisitos de un conmutador. Cualquier tipo de conmutador puede funcionar con grados variables de éxito. En un diseño mecánico, el conmutador en un circuito resonante conmutado puede ser una válvula hidráulica. Alternativamente, el conmutador puede ser un contacto de relé conducido por una bobina de relé con señales de un detector de control o de valores máximos, o cualquier otro circuito de control adecuado. No obstante, puede haber un problema usando relés en funcionamiento de alta velocidad. Para diseños de circuito eléctricos para el uso con las fuentes descritas previamente, un dispositivo eléctrico de estado sólido presenta ciertas ventajas. Bajo la mayoría de condiciones, para conseguir una impedancia alta con breves períodos de tiempo de apertura y cierre, los transistores MOSFET funcionan bien (como se muestra en Fig. 3D).

Otra forma de realización de un circuito que usa un conmutador inteligente incluyendo MOSFETs y diodos se muestra en la figura 10. Obsérvese que en el circuito de la figura 3D, el conmutador S1 fue cerrado por un controlador y abierto nuevamente por el mismo controlador en el tiempo Tc después S1 fue cerrado y la corriente a través del bucle es cero, o cercano a cero. No obstante, es posible disponer un circuito de manera que el controlador cierre el conmutador S1, pero S1 se abra él mismo con el paso de corriente a través de éste y el inductor L1 alcanza cero. Esto se puede realizar colocando diodos en serie con transistores de conmutación, como se muestra en la figura 10.

En la figura 10, PEG 22 se conecta a un lado del inductor L1 y el otro lado del inductor se conecta a la carga 27 por medio de un conmutador inteligente. El conmutador inteligente de la figura 10, igual que el conmutador inteligente de la figura 3D, incluye una primera trayectoria para conducir la corriente a través de la carga cuando Ep es positivo y otra trayectoria para conducir la corriente a través de la carga cuando Ep es negativo. La trayectoria incluye un canal N MOSFET T1A que tiene su trayectoria de conducción conectada entre el terminal 37 y un nodo 38 y un diodo D1B que tiene su ánodo conectado al nodo 38 y su cátodo conectado al terminal 39. La otra trayectoria incluye un canal P MOSFET T1B que tiene su trayectoria de conducción conectada entre el terminal 39 y el nodo 38 y un diodo D1A que tiene su ánodo conectado al nodo 38 y su cátodo conectado al terminal 37. En la Fig. 10 un invertidor lógico CMOS compuesto de MOSFETs T2A y T2B se utiliza para polarizar las puertas de MOSFETs T1A y T1B. Cuando el voltaje a través de Cp es grande y positivo, la corriente se bloquea por el diodo D1A y T1A, cuya puerta está en el estado apagado polarizado a VX2 voltios; donde VX2 puede estar en la gama de -5 a -100 voltios, o más, como se describe abajo. Aunque T1B está en el estado "encendido", no conduce electricidad porque no hay ninguna trayectoria libre para que las cargas se muevan pasada la puerta T1A. Cuando Ep a través de Cp alcanza un voltaje positivo de valor máximo, una señal del detector de valor máximo alterna T2A y T2B, que a su vez causa que los voltajes de las puertas de T1A y T2B vayan de VX2 voltios a +VX1 voltios; donde VX1 voltios pueden estar en la gama de 5 voltios a 100 voltios, o más. Con T1A encendido las cargas eléctricas se mueven de Cp a través del T1A a través del diodo D1B a través de R_{carga}, a tierra, provocando un voltaje y pulso de corriente visto por los componentes del conmutador inteligente. No obstante, una vez que el pulso de voltaje alcanza cero, la carga eléctrica no puede volver a través de T1A debido a que el diodo D1B evita que la corriente pase a través de esta trayectoria. Entonces cesa la conducción.

Cuando Ep a través de Cp alcanza su valor máximo más negativo, T2A y T2B alternan nuevamente, provocando que VX2 voltios sean colocados en las puertas de T1A y T1B. Esto cierra T1A y abre T1B. Así, las cargas negativas se mueven a través de D1A y pasan T1B y R_{carga} hasta que la corriente negativa y voltaje a través de T1B es igual a cero. Después de que la corriente "negativa" se dirija a cero, la corriente no puede moverse en la dirección opuesta a través de D1A, y por tanto el conmutador inteligente S1 es eficazmente abierto. Así, cada vez que ocurre una alternancia, que invierte los estados de conducción de T1A y T1 B, estos sólo conducen corriente en una dirección durante un periodo temporal hasta que el circuito resonante trata de atraer la corriente en la dirección inversa. Cuando lo hace, los diodos bloquean la inversión de la corriente, abriendo eficazmente el conmutador. Usando este método, es posible abrir y cerrar el conmutador inteligente de una forma fiable y controlada.

Debe ser observado que en la medida que el conmutador S1 se cierra a cada valor máximo, y permanece cerrado hasta que la corriente a través de S1 se dirige hacia, o, es cercana a cero y entonces el conmutador se abre, cualquier tipo de carga se puede utilizar en la medida que se forme un circuito resonante cuya frecuencia resonante es significativamente superior a la frecuencia de la fuente de transmisión.

Debe ser observado que en el circuito de la figura 10, los transistores T1A y T1B se accionan en el modo de seguidor de fuente. Por lo tanto el voltaje desarrollado a través de la carga se puede limitar por el voltaje de la puerta aplicado a T1A y T1B. Por consiguiente, en los sistemas que caracterizan la invención una red de rectificación 110 del tipo mostrado en la Fig. 11 se puede utilizar para generar un voltaje positivo relativamente grande (por ejemplo; VX1) y un voltaje negativo relativamente grande (p. Ej., VX2). La red 110 se puede conectar a cualquier punto a lo largo del bucle en el que alguno de los altos voltajes transitorios positivos y negativos son generados. Así, para un transitorio en dirección positiva, una corriente fluye a través del resistor R110 y el diodo D110 para cargar el capacitor C110 para producir VX1. De forma similar, para un transitorio en dirección negativa, una corriente fluye a través del resistor R111 y el diodo D111 para cargar el capacitor C111 para producir VX2. Un aspecto importante de la generación del voltaje aplicado a T1A y T1B de esta manera habilita el cierre positivo y la apertura posterior de los transistores de conmutación.

Esquemas de detección de valores máximos

En referencia a la Fig. 12A se muestra un segmento de un material piezoeléctrico 121 con electrodos 122 y 123. El material piezoeléctrico 121 está sometido a fuerzas naturalmente recurrentes que causan que el material sea sometido a esfuerzo dando como resultado la generación de un voltaje de oscilación a través de los electrodos 122 y 123. El material piezoeléctrico 121 con electrodos 122 y 123 puede ser representado como un capacitor con señales AC que se generan por el piezo dispositivo como se muestra en la Fig. 12B. Para facilidad de discusión se ha asumido que el voltaje de circuito abierto o descargado (Voc) producido a través de los electrodos 122 y 123, como se muestra en la Fig. 12C, puede ser de naturaleza sinusoidal oscilando entre un valor de valor máximo positivo +Vop y un valor de valor máximo negativo (-)Vop, como se muestra en Fig. 12D. Como se ha mencionado anteriormente, y como se muestra en la Fig. 12E para optimizar la transferencia de energía desde PEG 22, es deseable que un conmutador S1 sea cerrado en cada valor máximo (+Vop y -Vop) de la salida de PEG. No obstante, cuando el conmutador S1 es cerrado formando un circuito resonante altamente deseable, el voltaje en el nodo X es sometido a transitorios agudos en dirección negativa y positiva como se muestra en la Fig. 12F. Los transitorios agudos y los grandes niveles de voltaje en comparación con la amplitud de entrada máxima (Vop) dificultan el diseño de un detector libre de ruido sensible. El ruido y cambio de fase son la causa de problemas básicos (discutidos más abajo) que dificultan la detección de los valores máximos.

El problema de la detección de la incidencia de los valores máximos se vuelve más difícil por la generación de valores máximos y mínimos "falsos" como se muestra en la Fig. 12F1. En consecuencia, constatar los valores de los valores máximos y cuándo cerrar el conmutador S1 son un problema significante.

Otra dificultad más importante con un circuito resonante conmutado es detectar los valores máximos y mínimos con precisión para cerrar (y abrir) el conmutador en el tiempo apropiado. Primero, cuando se usan dispositivos capacitativos, tal como PEG 22, hay frecuentemente un lapso entre la fuente mecánica de transmisión (p. ej., la fuerza recurrente naturalmente aplicada a PEG 22) y su salida eléctrica, como en el caso de materiales piezoeléctricos. En consecuencia, cuando se conmutan los dispositivos capacitativos en un circuito resonante, este desplazamiento de fase puede provocar que ocurra una "recuperación" de voltaje ligeramente después de que un conmutador sea completado, provocando un valor máximo o mínimo falso.

También, el aumento de voltaje en el capacitor requiere que se detecte el voltaje para detectar valores máximos en una gama mucho más amplia, así reduciendo la sensibilidad del detector.

El problema de detectar los valores máximos con más precisión puede ser resuelto de la siguiente manera. Una fuente simulada capacitativa, tal como otro dispositivo piezoeléctrico (PEG2), se usa además de la fuente de energía, dispositivo piezoeléctrico (PEG1), que se conmuta a la carga. Considerando que la salida de PEG1 es distorsionada como se muestra para Vx en las Figs. 12F, 12F1 y 5, la salida de PEG2 permanecerá como se muestra para Voc en las figuras 12D y 12F y Ep en Fig. 5. La salida de PEG2 se puede alimentar en un circuito de alta impendancia por la cual una señal (p. ej., una onda senoidal o señal oscilatoria) que es fiel a la original se puede detectar y usar para controlar la conmutación de la carga inductiva por medio de S1 a través de PEG1. Así, como se muestra en Fig. 12G, PEG1 se puede denominar un colector de energía y PEG2 se puede denominar un sensor y la salida de PEG2 se aplica a un detector de valores máximos 130 que se utiliza para controlar el cierre del conmutador S1 en cada valor máximo negativo y positivo de la señal de entrada. Así, mientras la salida del dispositivo recolector de energía PEG1 puede ser un voltaje transitorio de gran amplitud altamente complejo, la salida del dispositivo sensor PEG2 será conforme con la señal de transmisión. Así, si la señal de transmisión en PEG1 y PEG2 es una onda senoidal relativamente homogénea, PEG2 responderá y producirá una causa sinusoidal y causará que PEG1 sea accionada y funcione en el modo de recogida de energía resonante accionada como se ha mencionado anteriormente. Al mismo tiempo, PEG2 será usado por el detector de valores máximos para sentir con precisión y de una forma fiable los valores máximos y mínimos de la onda senoidal homogénea y para controlar la conmutación de PEG1.

PEG2 puede ser del mismo material que PEG1 para tener características similares. PEG2 se puede instalar en PEG1, como se muestra en la Fig. 12H, para sentir los mismos esfuerzos o similares aplicados a PEG1. Típicamente, PEG2 sería hecho más pequeño que PEG1 y se pueden conectar o unir (por ejemplo; pegar) a PEG1 de varias maneras. La salida de PEG2 reflejará la salida de PEG1, con la salida de PEG2 siendo generalmente más pequeña en amplitud. Cuando PEG1 es muy grande, PEG2 puede ser compuesto de varios dispositivos piezoeléctricos diferentes para detectar distintas partes del PEG 1 correspondiente.

Como también se muestra en la Fig. 12H, la salida de PEG2 se puede alimentar a un circuito detector de valores máximos 130a cuya salida se alimenta a un microcontrolador 301a que puede procesar la señal recibida del detector de valores máximos y proporcionar señales de apertura y cierre al conmutador S1. En referencia a la Fig. 2 obsérvese que el sensor de valores máximos de ondas 200 puede ser un sensor de tipo PEG2 o cualquier otro sensor adecuado. De forma similar en la Fig. 2 el detector de valores máximos que dispara pulsos en los valores máximos 34 puede ser un detector de valores máximos tal como 130a y el microcontrolador 301 a mostrado en la Fig. 12H.

Usando un PEG "sensible", es mucho más fácil de detectar el valor máximo y generar señales para controlar el cierre y apertura del conmutador S1 en el tiempo apropiado.

Así un esquema de detección de valores máximos conforme a un aspecto de la invención puede incluir dos elementos capacitativos; uno para recopilar energía y para ser accionado en un circuito recolector de energía resonante, y el otro para controlar el voltaje del circuito abierto para permitir una forma más fácil de detección de valores máximos.

Para facilidad de ilustración, ha sido considerado que PEG 1 está siendo sometido a esfuerzo de una manera sinusoidal. No obstante, debe ser entendido que esto es no una condición necesaria puesto que los valores máximos periódicos negativos y positivos de una señal de entrada se detectan y controlan un cierre del conmutador que acopla una red inductiva a través del dispositivo piezoeléctrico en el tiempo adecuado durante la longitud apropiada de tiempo.

Dependiendo de la naturaleza del sistema mecánico que se usa en el modo de resonancia accionado, diferentes tipos de sensores pueden ser utilizados. Por ejemplo, si un dispositivo de energía de las olas del océano está siendo usado, una pequeña boya detectora de olas 410 puede detectar la característica de una ola entrante y generar señales que son luego usadas para controlar el cierre y apertura del conmutador S1, como se muestra en la Fig. 13. En el sistema de la figura 13 el sensor podría anticipar la ola que colisionaría con el transductor un momento más tarde. La Fig. 13 ilustra que el transductor puede ser una boya 414. El sensor 410 puede ser un conductor de olas localizado físicamente justo antes del transductor. Colocado de esta manera, el sensor está en una posición para vigilar la energía capturando y convirtiendo el sistema de modo que cambios apropiados en el sistema se pueden introducir y ser vigilados antes de que la ola impacte con (o golpee) el transductor que puede ser cualquier dispositivo (p. ej., un dispositivo piezoeléctrico o una boya) capaz de producir una señal eléctrica en respuesta a una fuerza de entrada mecánica.

Otro esquema puede incluir sensores electromagnéticos 412 como se muestra en la Fig. 13 para sentir la altura de la ola usando ondas de radio. Muchos tipos de sensores diferentes se pueden utilizar en la medida en que puedan detectar de una forma fiable señales de valores máximos y usarse para cerrar el conmutador S1 durante el periodo de tiempo requerido Tc. Sin embargo, el uso de un sensor separado que funciona en paralelo con el dispositivo de energía principal simplifica inmensamente el coste, tamaño, y cantidad de equipamiento necesario.

Una vez que el sensor detecta una señal, varios circuitos pueden utilizarse para detectar los valores máximos y mínimos del circuito. Detectores de valor máximo han sido estudiados extensamente en electrónica, y muchos tipos diferentes han sido usados en millares de aplicaciones diferentes. En el caso de un dispositivo piezoeléctrico que se conduce por una fuente mecánica tal como olas de océano o corrientes de río, la fuente puede tener una frecuencia y amplitud que varía ligeramente debido a cambios medioambientales y turbulencia aleatoria. Bajo tales condiciones, es preciso desarrollar un esquema de detección de valor máximo que sea suficientemente flexible para adaptarse a las condiciones de cambio como se muestra en la Fig. 14.

Digitalizar la señal del sensor, ajustándola a una curva a través de software, y luego prediciendo cuándo ocurrirá el valor máximo es un método de hacerlo según se muestra en la Fig. 15. No obstante, tales cálculos pueden requerir una cantidad significante de sofisticación computacional, tiempo, y energía.

Otro método de realización de la detección de valores máximos se muestra en la Fig. 16. Si la fuerza de entrada es aproximadamente sinusoidal, entonces una señal de sensor senoidal (a) se puede integrar o diferenciar para obtener una onda cosenoidal que se puede aplicar a un circuito simple op-amp. Luego, los pasos de cero de la señal integrada/diferenciada pueden ser detectados. Si la integración/diferenciación es perfecta, y la señal es un sinusoide fiel, entonces los pasos de cero ocurrirán exactamente en el valor máximo de la señal del sensor. Otra electrónica (no mostrada) puede utilizarse para detectar un paso de cero y generar un pulso, que se puede usar para activar un cierre del conmutador.

Debe ser entendido que el enfoque de resonancia conmutado de la invención es aplicable a cualquier sistema en el que la fuerza de transmisión varía lentamente. También, debe ser apreciado que el esfuerzo y tensión aplicados al dispositivo piezoeléctrico, o cualquier dispositivo que produce un voltaje eléctrico cuando es sometido a esfuerzo, se puede proporcionar por las olas del océano o colocándose en un río o corriente con medios en el río o corriente que provocan ondulaciones alternantes en espiral corriente abajo y provocan que los piezo dispositivos se doblen alrededor de éstos. Los piezo dispositivos siendo parecidos a una ondulación de bandera o una anguila nadando en el agua. Así, se pueden usar las olas de la superficie del océano y cualquier ola bajo el agua (o el viento). Estas pueden ser denominadas olas mecánicas (impulsadas) o fuerzas naturalmente recurrentes como las olas de superficie del océano y vórtices oscilando debajo del agua o en la superficie del agua.

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Referencias citadas en la descripción Esta lista de referencias citada por el solicitante ha sido recopilada exclusivamente para la información del lector. No forma parte del documento de patente europea. La misma ha sido confeccionada con la mayor diligencia; la OEP sin embargo no asume responsabilidad alguna por eventuales errores u omisiones. Documentos de patente citados en la descripción

\sqbullet US 5552656 A, 1996 [0004]

\sqbullet US 5703474 A, 1997 [0004]

\sqbullet WO 0074224 A [0007]

\sqbullet US 09922877 B, 2001 [0009]

\sqbullet US 09933158 B, 2001 [0009]

\sqbullet US 6528928 B [0009]

Claims (14)

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.

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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.