WO2010142821A2 - Generación de energía eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional - Google Patents

Generación de energía eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional Download PDF

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    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Definitions

  • the present invention relates to the generation of electric energy by means of bidirectional series resonance that allows the recovery of the energy accumulated in the coil and in the capacitor of a series resonant circuit without damaging the resonance, fed during each first half cycle by an electric battery, producing in the capacitor a voltage that is discharged through the coil to the battery during each second half cycle, a current of the opposite direction and equal magnitude and shape circulating through the coil as per the first half cycle, by what in the coil stores an energy that when recharged recharges the battery.
  • the energy that the battery delivers during half a cycle is equal to the product of the battery voltage, the average current and the duration time of the half cycle, while during the second half cycle the energy recovered from the capacitor and that recharges the battery is proportional to the square of the value of the maximum voltage of the battery, and the energy recovered from the coil and returned to the battery is proportional to the square of the peak value of the current flowing through it, so the sum of the energy stored in the capacitor and the coil is higher than the energy delivered by the battery, obtaining a profit that allows: the return of the energy transferred by the battery in each first half cycle, allows to cover the losses and have an energy to develop a job.
  • the series resonant circuit is mainly used in radio and television circuits to tune electromagnetic waves of certain frequencies, and in power electronics in alternating current filters to attenuate voltage harmonics.
  • the invention relates to a series resonant circuit connected to an electric battery from which, during half a cycle, a device that acts as an electronic switch allows the circulation of electrical current pulses at the resonant frequency, energy being stored in the capacitor proportional to the square of the maximum voltage of the same, while during the other half cycle, a second electronic switch allows the circulation of current impulses in the reverse direction, which occurs as a result of the discharge of the capacitor and that through the recharge coil the battery, producing in the coil an energy proportional to the square of the peak current flowing through it and discharging through the battery recharging it, producing a maximum negative voltage in the capacitor.
  • Figure 1 shows a practical circuit in which a converter powered by a battery provides a variable continuous voltage that, in series with the battery, regulates the intensity of the resonance current pulses that, through an electronic switch and a coil , charges a capacitor, and then, through another electronic switch and a coil is discharged to the battery, which recovers the energy assigned and has an energy to develop a job.
  • Figure 2 shows a practical circuit in which a converter powered by a battery provides a variable continuous voltage that, in series with the battery, regulates the intensity of the resonance current pulses that through an electronic switch and a charging coil to a capacitor, and which is then discharged through another electronic switch, a coil and a second battery so both batteries are recharged, so that the energy accumulated in the second battery can be used to develop a job.
  • Figure 3 shows a practical circuit in which a converter, powered by a first battery, provides a variable continuous voltage that in series with the battery regulates the intensity of the resonance current pulses that, through an electronic switch and a coil, charges a second battery and a capacitor, then discharging it through another electronic switch and the coil recharging the first battery, using the energy accumulated in the second battery to develop a job.
  • Figure 4 shows the waveforms that are obtained from the practical embodiment of the three figures described above, in which the current flowing from the battery during the first half cycle, the capacitor voltage and the reverse current flowing are represented. during the second half cycle as a result of the discharge of the condenser, as well as the voltages in the coil.
  • a converter (K) is connected to a battery (Vl), whose output provides a variable continuous voltage (VK), which in series with the battery voltage (Vl) regulates the intensity of the current impulses (II) that circulates during each First half cycle from the battery (Vl) through the electronic switch (Sl), the coil (L) and the capacitor (C), the value of the energy delivered by the battery (Vl) being equal to:
  • Wv 1 ITU / 2 [Ws]
  • L is the inductance of the coil expressed in henry
  • i is the peak value of the sinusoidal current expressed in amps, which circulates as a result of the discharge of the capacitor (C) and the coil (L).
  • the sum of the energies returned by the capacitor (C) and the coil (L) to the battery (Vl) during the second half cycle is greater than the energy delivered by it in the first half of the cycle, so that the The resulting energy difference can be used to develop a job by connecting a load to the battery (Vl).
  • a second battery (V2) is connected in series with the battery (Vl), so that the current (II) that circulates from the battery (Vl) enters the positive terminal of the battery (V2), recharging it with an energy that can be used to develop a job, while during the second half cycle the discharge of the capacitor (C) and the coil (L) recharge the battery (Vl).
  • Figure 4 shows graphically the voltages and currents obtained in them once the sinusoidal steady state has been reached, observing that during each first half cycle, when the electronic switch (Sl) is connected, the current (II) circulates from the battery (Vl) in the indicated direction by the arrow (R), charging the capacitor (C), connecting the electronic switch (S2) through which it circulates, in the opposite direction to the current (II) and indicated by the arrow (D), every second half cycle current (12) produced as a result of the discharge of the capacitor (C).
  • the charge and discharge currents of the capacitor (C) and of the coil (L) in the resonant circuit are limited only by the ohmic resistance, so it must have a very low value.

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Abstract

A la batería (V1) se conecta un convertidor (K), cuya salida proporciona una tensión continua variable (VK) que, en serie con la batería, regula la intensidad de los impulsos de corriente (I1) que circula, durante cada primer medio ciclo de la frecuencia de resonancia, a través del interruptor electrónico (S1), la bobina (L) y el condensador (C), conectándose durante cada segundo medio ciclo el interruptor electrónico (S2), descargándose el condensador y la bobina a la batería, circulando en sentido contrario una corriente (12) de igual magnitud y forma que la corriente (I1), de manera que la energía entregada por el condensador y la bobina a la batería es superior a la entregada por la misma en la primera mitad del ciclo, de forma que la diferencia de energía resultante se puede utilizar para desarrollar un trabajo, conectando a la batería una carga.

Description

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE RESONANCIA EN SERIE BIDIRECCIONAL
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a la generación de energia eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional que permite la recuperación de la energia acumulada en la bobina y en el condensador de un circuito resonante en serie sin que se deteriore la resonancia, alimentado durante cada primer medio ciclo por una bateria eléctrica, produciéndose en el condensador una tensión que durante cada segundo medio ciclo se descarga a través de la bobina a la bateria, circulando por la bobina una corriente de sentido contrario e igual magnitud y forma que la del primer medio ciclo, por lo que en la bobina se almacena una energia que al descargarse recarga la bateria.
De forma más concreta, la energia que la bateria entrega durante medio ciclo es igual al producto de la tensión de la bateria, la corriente media y el tiempo de duración del medio ciclo, mientras que durante el segundo medio ciclo la energia recuperada del condensador y que recarga la bateria es proporcional al cuadrado del valor de la tensión máxima del mismo, y la energia recuperada de la bobina y devuelta a la bateria es proporcional al cuadrado del valor de pico de la corriente que circula por ella, por lo que la suma de las energías almacenadas en el condensador y la bobina es superior a la energia entregada por la bateria, obteniéndose una ganancia que permite: la devolución de la energía cedida por la batería en cada primer medio ciclo, permite cubrir las pérdidas y disponer de una energía para desarrollar un trabajo.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Cuando en un circuito formado por una bobina y un condensador conectados en serie circula una corriente eléctrica a frecuencia de resonancia, las reactancias inductiva y capacitiva están desfasadas 180° y se anulan, de forma que el circuito se comporta como un cortocircuito, por lo que dicha corriente está limitada únicamente por la resistencia óhmica del circuito, produciéndose en la bobina y en el condensador elevadas tensiones desfasadas igualmente 180°, existiendo en la bobina una energía cuyo valor es proporcional al cuadrado del valor de pico de la corriente que circula por la misma, y en el condensador una energía proporcional al cuadrado del valor máximo de su tensión.
El circuito resonante en serie se utiliza fundamentalmente en circuitos de radio y televisión para sintonizar ondas electromagnéticas de determinadas frecuencias, y en electrónica de potencia en filtros de corriente alterna para atenuar armónicos de tensión.
No se conocen en el estado actual de la técnica sistemas que permitan la recuperación de energía de la bobina y del condensador de un circuito resonante en serie y asi obtener una ganancia energética para cubrir las pérdidas propias del circuito y disponer de energía adicional para desarrollar un trabajo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un circuito resonante en serie conectado a una batería eléctrica desde la cual, durante medio ciclo, un dispositivo que actúa como interruptor electrónico permite la circulación de impulsos de corriente eléctrica a la frecuencia de resonancia, almacenándose en el condensador una energía proporcional al cuadrado de la tensión máxima del mismo, mientras durante el otro medio ciclo, un segundo interruptor electrónico permite la circulación de impulsos de corriente en sentido inverso, que se produce como consecuencia de la descarga del condensador y que a través de la bobina recarga la batería, produciéndose en la bobina una energía proporcional al cuadrado de la corriente de pico que circula por la misma y que se descarga a través de la batería recargándola, produciendo en el condensador una tensión máxima negativa.
Como consecuencia de la descarga del condensador, durante el segundo medio ciclo circula una corriente que produce en la bobina una tensión desfasada 180° a la tensión existente en la misma y producida durante el primer medio ciclo cuando la corriente de la batería carga el condensador.
Para obtener la máxima energía, es necesario que la carga y descarga del condensador y la bobina se produzcan en régimen estacionario sinusoidal, donde la suma de las energías almacenadas en el condensador y la bobina es superior a la energía entregada por la batería, que es igual al producto de su tensión, la corriente media y el tiempo de duración de medio ciclo, por lo que se dispone de una energía útil para desarrollar un trabajo.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con unos ejemplos preferentes de la realización práctica del mismo, 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:
La figura 1 muestra un circuito práctico en el que un convertidor alimentado por una batería proporciona una tensión continua variable que, en serie con la batería, regula la intensidad de los impulsos de corriente de resonancia que, a través de un interruptor electrónico y una bobina, carga a un condensador, y a continuación, a través de otro interruptor electrónico y una bobina se descarga a la batería, que recupera la energía cedida y dispone de una energía para desarrollar un trabajo.
La figura 2 muestra un circuito práctico en el que un convertidor alimentado por una batería proporciona una tensión continua variable que, en serie con la batería, regula la intensidad de los impulsos de corriente de resonancia que a través de un interruptor electrónico y una bobina carga a un condensador, y que se descarga a continuación a través de otro interruptor electrónico, una bobina y una segunda batería por lo que ambas baterías se recargan, de forma que la energía acumulada en la segunda batería se puede utilizar para desarrollar un trabajo.
La figura 3 muestra un circuito práctico en el que un convertidor, alimentado por una primera batería, proporciona una tensión continua variable que en serie con la batería regula la intensidad de los impulsos de corriente de resonancia que, a través de un interruptor electrónico y una bobina, carga a una segunda batería y a un condensador, descargándose éste a continuación, a través de otro interruptor electrónico y de la bobina recargando la primera batería, utilizándose la energía acumulada en la segunda batería para desarrollar un trabajo.
La figura 4 muestra las formas de onda que se obtienen de la realización práctica de las tres figuras descritas anteriormente, en la que se representan la corriente que circula desde la batería durante el primer medio ciclo, la tensión del condensador y la corriente inversa que circula durante el segundo medio ciclo como consecuencia de la descarga del condensador, así como las tensiones en la bobina.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En la realización preferente mostrada en la figura 1, a una batería (Vl) se conecta un convertidor (K) , cuya salida proporciona una tensión continua variable (VK) , que en serie con la tensión de la batería (Vl) regula la intensidad de los impulsos de corriente (II) que circula durante cada primer medio ciclo desde la bateria (Vl) a través del interruptor electrónico (Sl), la bobina (L) y el condensador (C) , siendo el valor de la energía que entrega la bateria (Vl) igual a:
Wv1=U-I-T/2 [Ws]
donde U es la tensión de la bateria (Vl) expresada en voltios, I es la corriente inedia expresada en amperios y T es el periodo expresado en segundos, existiendo al término del primer medio ciclo (T/2) una energía almacenada en el condensador (C) igual a:
Wc=C-u2/2 [Ws]
expresando C la capacidad del condensador en faradios y u el valor máximo de la tensión sinusoidal del condensador en voltios.
Al final del primer medio ciclo desconecta el interruptor electrónico (Sl) y durante el segundo medio ciclo se conecta el interruptor (S2), a través del cual se descarga la energía del condensador (C) y de la bobina (L) a la bateria (Vl) , siendo la energía almacenada en la bobina (L) :
WL= L-¿2/2 [Ws]
donde L es la inductancia de la bobina expresada en henrios, i es el valor de pico de la corriente sinusoidal expresada en amperios, que circula como consecuencia de la descarga del condensador (C) y de la bobina (L) . La suma de las energías devueltas por el condensador (C) y la bobina (L) a la batería (Vl) durante el segundo medio ciclo, es superior a la energía entregada por la misma en la primera mitad del ciclo, de manera que la diferencia de energía resultante se puede utilizar para desarrollar un trabajo conectando a la batería (Vl) una carga.
En el segundo ejemplo de realización práctica mostrado en la figura 2, a diferencia de lo descrito anteriormente en el ejemplo de la figura 1, la descarga del condensador (C) y de la bobina (L) a la batería (Vl) durante el segundo medio ciclo, se realiza a través de una segunda batería (V2), de forma que la corriente (12) entra por el terminal positivo de ambas baterías recargándolas, por lo que la batería (Vl) recupera la energía entregada durante el primer medio ciclo, mientras que la energía acumulada por la batería (V2) se utiliza para desarrollar un trabajo.
En el otro ejemplo de realización práctica representado en la figura 3, y a diferencia de los ejemplos anteriores, en serie con la batería (Vl) y de forma invertida se conecta una segunda batería (V2), de modo que la corriente (II) que circula desde la batería (Vl) entra por el terminal positivo de la batería (V2), recargándola con una energía que se puede utilizar para desarrollar un trabajo, mientras que durante el segundo medio ciclo la descarga del condensador (C) y de la bobina (L) recargan la batería (Vl) .
Para una mayor comprensión de los ejemplos de realización práctica, en la figura 4 se representan gráficamente las tensiones y corrientes obtenidas en los mismos una vez alcanzado el régimen estacionario sinusoidal, observándose que durante cada primer medio ciclo, al conectarse el interruptor electrónico (Sl), circula la corriente (II) desde la batería (Vl) en el sentido indicado por la flecha (R) , cargando el condensador (C) , conectándose durante cada segundo medio ciclo el interruptor electrónico (S2) por el que circula, en sentido contrario a la corriente (II) e indicado por la flecha (D), la corriente (12) producida como consecuencia de la descarga del condensador (C) .
La corriente (12), que circula como consecuencia de la descarga del condensador (C) , produce en la bobina (L) una tensión (U2L) desfasada 180° a la tensión (UlL) , por lo que durante la descarga del condensador (C) ambas tensiones se neutralizan.
Las corrientes de carga y descarga del condensador (C) y de la bobina (L) en el circuito resonante están limitadas únicamente por la resistencia óhmica, por lo que ésta tiene que tener un valor muy bajo.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin salir del objeto de la invención reivindicada.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Generación de energía eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional, caracterizada porque comprende un circuito resonante formado por una bobina (L) y un condensador (C) conectados en serie y alimentados por una batería eléctrica (Vl) , desde la que durante medio ciclo de la frecuencia de resonancia circula a través del interruptor electrónico (Sl) una corriente (II), produciéndose al final de ese medio ciclo en el condensador (C) una tensión (UC) que durante el siguiente medio ciclo se descarga a través de la bobina (L) y el interruptor electrónico (S2), circulando en sentido contrario una corriente (12) de igual magnitud y forma que la corriente (II) y que recarga a la batería (Vl) .
2.- Generación de energía eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional según la reivindicación 1, caracterizada porque a la batería
(Vl) se conecta un convertidor de tensión (K) que en su salida y en serie con la batería (Vl) proporciona una tensión (VK) continua y variable, de cuyo valor depende la intensidad de la corriente (H) que circula por el circuito resonante durante medio ciclo, dependiendo esta tensión variable (VK) de la corriente que consume la carga cuando se desarrolla un trabajo.
3.- Generación de energía eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la energía almacenada en el condensador (C) al final de cada primer medio ciclo y entregada a la batería (Vl) durante cada segundo medio ciclo es proporcional al cuadrado de la tensión máxima existente en el mismo, mientras que la energía almacenada en la bobina (L) durante cada segundo medio ciclo y entregada a la batería (Vl) , es proporcional al cuadrado del valor de pico de la corriente que circula por la misma, siendo la suma de las energías almacenadas en el condensador (C) y la bobina (L) superior a la energía entregada por la batería (Vl), que es igual al producto de su tensión por la corriente media que circula desde la misma durante medio ciclo y por el tiempo de duración del mismo, por lo que con la diferencia de energía resultante, la batería (Vl) recupera la energía entregada, se cubren las pérdidas propias del circuito y se dispone de una energía útil para desarrollar un trabajo.
4.- Generación de energía eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional según las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque durante cada segundo medio ciclo, en serie con la batería (Vl), se conecta una segunda batería (V2), circulando, como consecuencia de la descarga del condensador (C) y la bobina (L), la corriente (12) que entra por los terminales positivos de ambas baterías recargándolas, por lo que la batería (Vl) recupera la energía entregada, se cubren las pérdidas propias del circuito y la energía acumulada en la batería (V2) se utiliza para desarrollar un trabajo.
5.- Generación de energía eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional según las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en serie con la batería (Vl) y de forma invertida se conecta una batería (V3) , por lo que la corriente eléctrica (II), que circula desde la batería (Vl) durante cada primer medio ciclo, entra por el terminal positivo de la bateria (V3) recargándola, utilizándose esta energia para desarrollar un trabajo, destacando que la descarga del condensador (C) y de la bobina (L) durante cada segundo medio ciclo se produce a través de la bateria (Vl) que recupera la energia previamente entregada.
6.- Generación de energia eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la corriente (II) , que circula desde la bateria (Vl) a través del circuito resonante durante cada primer medio ciclo, produce en el condensador (C) una tensión (UC) , y en la bobina (L) una tensión (UlL) , estando ambas tensiones desfasadas 180°, mientras que durante la descarga del condensador (C) cada segundo medio ciclo, circula la corriente (12) que produce en la bobina (L) una tensión (U2L) desfasada 180° con respecto a la tensión (UlL) , por lo que durante cada segundo medio ciclo ambas tensiones se anulan, de forma que el condensador (C) y la bobina (L) se descargan a la bateria (Vl) sin que se deterioren las condiciones de resonancia.
7.- Generación de energia eléctrica mediante resonancia en serie bidireccional según las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la máxima energia almacenada en el circuito resonante se obtiene en régimen estacionario sinusoidal, cuando la tensión en el condensador (C) y la corriente en la bobina (L) son máximos.
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