JP2005500790A - 電力変換システムのためのセンサ - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、伝達効率を改善するための発電機から負荷へのエネルギー伝達を制御するセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
多くの電力変換アプリケーションでは、発電機として機能する、反復(振動)自然エネルギー源(例えば海の波、風、水の渦)に応答して、これらのエネルギー源から捕獲したエネルギーを電気エネルギーに変換するトランスデューサが使用されている。
【0003】
海の波からエネルギーを抽出している多くのアプリケーションでは、海の波からのエネルギーの伝達を最適化するためには、海の波のピーク、振幅および周波数のうちの少なくとも1つの出現をセンスすることが必要であり、かつ/または望ましい。
【0004】
一例として、容量性発電機には、機械応力およびひずみを受けると電気信号を生成する容量性圧電発電機(PEG)として機能する圧電デバイスが含まれている。1つまたは複数のこれらの圧電デバイスの電気信号を処理することにより、電気/電子デバイスを動作させるために使用することができ、かつ/または電力格子の一部にすることができる電力を生成することができる。例えば、参照によりその教示が本明細書に組み込まれている、それぞれ1996年9月3日および1997年12月30日に発行され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第5,552,656号および第5,703,474号に、圧電デバイスを利用して電力を生成するシステムが示されている。
【0005】
発電機として使用される圧電デバイスの特徴は、機械ひずみおよび応力の電荷への変換(「結合」)効率が本質的に良好でないことであり、そのために、電力として利用できるのは、一定の負荷が圧電デバイスに印加された場合、圧電デバイスに印加される機械応力/ひずみの極めてわずかな部分(例えば約10%)に過ぎないことが多い。したがって、圧電デバイスの低「結合」係数を補償し、かつ、克服するべく、圧電デバイスによって生成されるエネルギーの負荷への伝達効率が改善されることが望ましい。
【0006】
知られている、圧電発電機から負荷への伝達効率を改善するための方法には、共振回路を形成するステップが含まれている。例えば図1はこの共振回路を示したもので、従来技術による圧電発電機回路が極めて単純化されたブロック図で示されている。圧電デバイスに印加される応力および/またはひずみは、穏やかに変化する(例えば毎秒数サイクル)エネルギー源(例えば海の波、風、水の渦)によって提供されている。したがって圧電デバイスが動作する周波数が非常に低く、これらの圧電デバイスによって生成される電気信号の周波数範囲も毎秒数サイクル程度である。圧電デバイスから負荷へ効率良くエネルギーを伝達するための大きな問題は、この低動作周波数によるものである。
【0007】
例えば、このような低周波数で動作する誘導子および変圧器を、適切なサイズおよび適切なコストで形成することが困難である。一例として図1を参照すると、誘導子16によって負荷27に結合された圧電デバイス22が回路に含まれていることに留意されたい。この回路の共振周波数(fo)は、fo=1/2π(LCp).5で表される。Cpは、圧電デバイス22のキャパシタンスであり、Lは、誘導子16のインダクタンスである。Lの値は、圧電デバイスのキャパシタンスと共に共振するように選択されている。[注記:説明および考察を容易にするべく、本明細書および特許請求の範囲の各請求項では、回路内の他のキャパシタンスによる寄与は無視されている]。Cpのキャパシタンスは、0.01から10マイクロファラド(10−6ファラド)の範囲であることが仮定されている。ここで、圧電デバイスによって機械駆動力に応答して生成される電気信号の周波数範囲が2Hzであると仮定すると、2Hzで共振する回路を得るためには、12,000ヘンリーの範囲の値を有する誘導子16が必要である。この値の誘導子には、小部屋程度のサイズが必要である。また、海の波のランダムな性質による周波数の期待変動性のため、直接電気共振は実際的ではない。
【0008】
いずれも本出願の譲受人に譲渡され、また、参照によりその教示が本明細書に組み込まれている、2001年8月6日出願の「Apparatus And Method For Optimizing The Power Transfer Produced By A Wave Energy Converter(WEC)」という名称の同時係属出願関連第09/922877号、および「Switched Resonant Power Conversion Electronics」という名称の同時係属出願に開示され、かつ、特許請求されているように、本出願人は、印加される力の周波数より高い周波数で共振するように設計された発電デバイスを備えた回路に負荷を選択的にスイッチすることが有利であることを認識しているが、スイッチングを実施すべきポイントを決定することが重要である。
【特許文献1】
米国特許第5,552,656号
【特許文献2】
米国特許第5,703,474号
【特許文献3】
同時係属出願関連第09/922877号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、印加される力の1つまたは複数のピーク、振幅および周波数のうちの少なくとも1つを高い信頼性で、かつ、正確に検出するための回路およびシステム、ならびに電力抽出回路を発電デバイスに選択的に結合するスイッチのターン・オンおよびターン・オフを制御するための回路が含まれている、改良された電力変換システムのためのセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明を具体化したシステムおよび回路には、関連する負荷へのトランスデューサ(発電機)によって収集されたエネルギーの伝達を制御するべく、トランスデューサに印加される振動性の力のピーク、振幅および周波数のうちの少なくとも1つをセンスするための手段が含まれている。本発明を具体化したシステムにおける発電機には、圧電デバイスまたは波エネルギー変換機器(WEC)などのトランスデューサ、あるいは印加される振動性の力に応答して電気エネルギーを生成する任意の類似デバイスを使用することができる。
【0011】
本発明による一実施形態では、発電デバイスは、印加される力の低周波数レートでエネルギーを捕獲している。本発明を具体化したセンサにより、収集したエネルギーをはるかに高い周波数で抽出することができる。より高い周波数でエネルギーを抽出することにより、従来技術によるシステムと比較して適正な値およびサイズを有する誘導子などのコンポーネントを使用することができる。本発明によれば、本発明を具体化したセンサおよびセンシング手段を使用して、発電デバイスを備えた回路に電力抽出回路をスイッチする時間ポイントが制御される。電力抽出回路には、発電回路と共に、発電デバイスが動作している周波数より高い周波数で、かつ、発電デバイスが動作している周波数とは独立して共振するコンポーネントを備えることができる。したがって、穏やかに変化するエネルギー源(例えば、海の波、風、水の渦)によって動作し、かつ、制御される発電機デバイスに、1つの周波数でエネルギーを展開させ、かつ、選択された時間ポイントで別の周波数でエネルギーを伝達させることができる。
【0012】
発電機が容量性である特定の実施形態では、センサを使用して、印加される力の正および負のピークで誘導性電力抽出回路がスイッチされている。容量性発電機が第1の低周波数(f1)で振動電気信号を生成する本発明によれば、容量性発電機と共に、実質的にf1より高い共振周波数(fo)で共振するべく設計された誘導性電力抽出回路が、スイッチのクローズで始まり、誘導子に流れる電流がゼロになると終了する電気パルスの形で電力が抽出されるよう、印加される力の正および負のピークでシステムにスイッチされる。スイッチがクローズしている時間Tcは、foがエネルギー源と負荷回路の共振周波数である1/2foにほぼ等しい。
【0013】
本発明を具体化したセンサには、印加される力の1つまたは複数のピーク、振幅および周波数のうちの少なくとも1つを高い信頼性で、かつ、正確に検出するための回路およびシステム、ならびに電力抽出回路を発電デバイスに選択的に結合するスイッチのターン・オンおよびターン・オフを制御するための回路が含まれている。
添付の図においては、同一参照文字は同一コンポーネントを表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
図2には、機械応力を受ける環境に置かれる、本明細書ではPEG1としても参照されている圧電デバイス22が含まれている。説明用として、PEG1は、PEG1に応力および/またはひずみがもたらされ、それにより、振幅および周波数が駆動機械力(例えば、海の波)の振幅および周波数の関数として変化する電気信号が生成される環境(例えば海、川、風車小屋)に置かれていると仮定する。PEG1は、PEG1が置かれている環境からPEG1に付与されるエネルギーを収集するべく機能し、PEG1を接続しているシステムに収集したエネルギーを供給している。この実施例では、PEG1は、PEG1に印加される振動機械力によって振動電圧を生成すると仮定されている。
【0015】
圧電デバイス22は、「スマート」スイッチ24を介して誘導性回路26の一方の端部に選択的に結合されている。誘導性回路26のもう一方の端部は、負荷27に結合されている。スイッチ24は、そのターン・オン(クローズ)およびターン・オン時間の長さが慎重に制御されているため、「スマート」スイッチと呼ばれている。スマート・スイッチ24は、電子スイッチあるいはリレー接点もしくは任意の類似デバイスであるスイッチS1を備えている。スイッチS1は、一方の信号状態(スイッチ・クローズ)の間、極めてインピーダンスの小さい接触を提供し、もう一方の信号状態(スイッチ・オープン)の間、極めてインピーダンスの大きい接触を提供している。スマート・スイッチ24のターン・オンおよびターン・オフは、回路網34によって制御されている。これについては以下でさらに詳細に説明する。
【0016】
誘導性回路26は、インダクタンスLを有する誘導子を備えている。誘導子の値は、スイッチS1がクローズすると、圧電デバイス22のキャパシタンスCpと共に誘導回路26の誘導子が共振するように選択されている。図2では、誘導性回路26の誘導子の出力側は、整流回路28を備えた負荷27に接続されている。整流回路28の出力は、バッテリ35を充電し、かつ、バッテリの充電を調整するDC/DCコンバータ30に結合された蓄積コンデンサ29に接続されている。
【0017】
図3Aを参照すると、図2に示す実施形態の簡易等価回路が示されている。圧電デバイス(PEG)が、端子30と33の間にコンデンサCpと直列に接続された電圧源Epと、Cpと直列の電圧源Epをシャントするべく端子31と33の間に結合された抵抗Rpとによって表されていることに留意されたい。抵抗Rpは、振動機械力の下での圧電素子内部のひずみと電圧の間の位相差による実効損失と結合した圧電材料の等価誘電損抵抗(PVDF)を表している。通常、Rpの抵抗値は、数メグオームの範囲である。一実施形態では、コンデンサCpは、0.45マイクロファラドの値を有するべく決定されている。また、PEGには、ノード30と31の間に接続された電極抵抗(Relectrode)が含まれている。電圧源Epは、振幅および周波数がPEGに応力を付与する機械駆動力の振幅および周波数の関数である電圧を生成している。Epの振幅は、広範囲(例えば0から500ボルト)に渡って変化し、また、その周波数は、通常、0hzから毎秒数サイクルに渡って変化する。
【0018】
本出願人による発明の一態様は、誘導エレメント26を発電機を備えた回路に選択的に接続し、それにより、主としてCpのキャパシタンスと誘導エレメント(L1すなわち26)のインダクタンス(L)で決まる共振周波数でエネルギーをCpから誘導エレメントおよび負荷へ伝達することにより、圧電発電機内に収集された電力を抽出することを対象にしている。誘導エレメント26の値Lは、Cpと誘導エレメント26による共振周波数(fo)が、機械的に印加される力の最大「入力」周波数(f1)すなわち印加される応力および/またはひずみに応答してPEG1によって生成される電気信号の最大「入力」周波数(f1)よりはるかに高くなるように選択されている。
【0019】
一実施形態では、駆動周波数を2Hz、Cpを0.45マイクロファラドと仮定して、共振周波数が約70Hzになるように選択され、PEG1を選択的に負荷27に接続するべく、約11.6ヘンリーの値を有する誘導子26が使用されている。特定の実施形態では、誘導子L1の直列巻線抵抗(Rw)の値は65オームであり、PEG1の電極抵抗(Relectrode)は100オームである。したがって、RwとRelectrodeの和を表す「ループ」直列抵抗(Rs)は165オームである。
【0020】
図3Aでは、負荷27は抵抗で表されているが、図2に示すように、負荷27は、複合負荷(様々な抵抗回路網および/または誘導エレメントおよび/または容量エレメントを備えた負荷)にすることができることを理解されたい。また、負荷27は、図2に示すように、回路によって生成される正および負の電力パルスを単方向電力源に変換するためのブリッジ整流器28、一時蓄積コンデンサ29、電荷を保存するためのバッテリ35、および一時蓄積コンデンサ29からバッテリ35へ、バッテリの充電および蓄積した電荷の保存に必要な電圧で電荷を移動させるためのDC/DCコンバータ30を備えることもできる。
【0021】
本発明の重要なアスペクトは、(a)スイッチS1がクローズしている間に形成される回路が、主として電源キャパシタンスCpとループに沿った他のあらゆる直列インダクタンスを含む誘導子26のインダクタンスで決まる共振周波数(fo)を有していること[考察を容易にするために、誘導子26のインダクタンス以外のインダクタンスは無視されている]、(b)foを、入力すなわちPEG1によって生成される駆動信号(Ep)の周波数f1よりはるかに高くすること、(c)入力信号(Ep)のピーク(正および負)でスイッチS1をクローズすること、および(d)電荷パルスが電源PEG1から負荷へ移動する共振周波数foの半サイクルにほぼ等しい時間期間(Tc)の間、スイッチS1をクローズすることである。スイッチS1は、誘導子に流れる電流を電流がゼロになるまで流し続けることができるだけの十分な期間の間クローズした後、オープンする。
【0022】
スイッチS1のオープンおよびクローズは、以下で考察するようにいくつかの方法で達成することができる。その方法の1つは、トリガされるとターン・オンし、かつ、電流がゼロになると自らターン・オフする自己整流形(「自己消滅形」)スイッチを使用する方法である。もう1つの方法は、スイッチS1のターン・オンおよびターン・オフを能動制御する方法である。
【0023】
図3Aに示す回路の動作は、図4に示す波形線図および図5に示す波形Aを参照し、かつ、(a)PEGによって生成される電気信号が正弦波信号であること、(b)Epが時間t1、t3、t5等でピーク(負または正)に到達すると、スイッチS1がトリガされてクローズ(すなわちターン・オン)し、(c)スイッチS1を流れる電流がゼロまたはほぼゼロになると、入力信号の次のピーク/トラフまでスイッチがオープンすると仮定することにより、より良く説明することができる。説明を容易にするために、同じく、駆動周波数は2Hz、共振周波数は70Hz、期間(Tc)は約7ミリ秒と仮定する。図4および5を参照すると、入力信号Epの正および負のピークでS1をターン・オンするための回路の動作は、以下のように説明することができる。
【0024】
1−時間t0から時間t1までの回路動作:スイッチS1がオープンし、0ボルトからピークE1へのEpの増加に伴って、CpのプレートXの電圧(Vx)がE1の値まで増加する。
【0025】
2−時間t1からt11までの回路動作:時間t1でスイッチS1がクローズすると、VxがE1の値からほぼ(−)E1の値まで減少する。つまり、スイッチのクローズに続いて、共振回路(コンデンサCpおよび誘導子L26)の最初の半サイクルの間、共振回路によってコンデンサCpのプレートXの電圧が反転する。PEGから電力が抽出され、かつ、負荷回路に伝達されるのは、この期間の間であることに留意されたい。スイッチS1は、スイッチS1に電流が流れている限り、クローズ状態を維持する。スイッチS1を流れる電流がゼロまたはほぼゼロになると、時間t11でスイッチS1がオープンする(または能動的にオープンされる)。
【0026】
3−時間t11から時間t3までの回路動作:時間t11でVxがほぼ(−)E1になるとスイッチS1がオープンする。次に、EpがE1からほぼ(−)E1まで減少した後(時間t11からt3まで)、電圧Vxが電圧Epに追従し、したがってVxは、時間t11における(−)E1から時間t3における(−)3(E1)まで減少する。
【0027】
4−時間t3から時間t31までの回路動作:時間t3でEpが(−)E1になり、また、Vxが(−)3(E1)になるとスイッチS1がクローズし、CpおよびL26を含んだ直列共振回路が形成される。この共振回路により、CpのプレートXの電圧の極性が反転し、電圧Vxが(−)3E1からほぼ+3E1に増加する。時間t3から時間t31まで、負荷を通して電荷が放電する。時間t31で電荷のパルスがスイッチを通って移動し、かつ、スイッチを流れる電流がゼロに復帰すると、スイッチS1がオープンし、あるいはオープンされる。この場合も、PEGから電力が抽出され、かつ、負荷回路へ伝達されるのは、このt3からt31までの期間の間である。
【0028】
5−時間t31から時間t5までの回路動作:時間t31における−E1から時間t5における+E1までのEpの増加に伴って、Vxは、+3E1の値から+5E1の値まで追従する。
【0029】
6−上で説明した動作は、入力信号の正のピークおよびトラフ(谷すなわち負のピーク)毎に繰り返されるが、ただ漠然と構築されるのではなく、電圧Vxは、負荷で失われる電力を含む共振システムの電気損失が電圧Vxの自らの完全な反転を防止する際に、定常状態の値に接近している。したがってVx信号の振幅は、図4、5、7および8に示すように静止値に到達している。システムが定常状態に到達すると、共振パルスの形で抽出される電力と、入力電力源PEG1によって供給される電力が整合する。共振回路が過制動されず、また、電圧Vxをビルド・アップすることができる場合、定常状態の電圧Vxの振幅は、定常状態の電圧Epの振幅と比較して相当大きくすることができる。
【0030】
7−本発明を具体化した回路では、時間Tcの間、電力が抽出される。Tcは1/2foに等しく、foは、スイッチがクローズしている間の直列ループの共振周波数である。スイッチ、誘導エレメントおよび負荷と直列のPEG1を示す簡易回路の場合、foは1/2π(LCp).5にほぼ等しく、スイッチは、Tc=π(LCp)0.5にほぼ等しい時間期間の間クローズする。
【0031】
8−図5に示すVloadの波形を参照すると、抵抗エレメントに流れる電流パルスによって、入力正弦波の各ピーク(例えば時間t1、t3およびt5)に続いて時間期間Tcの間、パルスが生成されていることに留意されたい。電流は、パルス毎にゼロから立ち上がって最大値まで増加した後、ピークに対応するスイッチの各クローズから時間Tc後にはゼロに復帰している。
【0032】
あらゆる共振システムに存在しているように、電圧のビルド・アップと電力の抽出の間にはトレードオフが存在している。したがって、この方法を使用して最大電力を伝達するための最適負荷が存在している。この最適かつ最大の近似は、数学的に引き出すことができ、あるいは実験によって計算することができる。
【0033】
動作理論
[特定の妥当かつ現実的な近似は、以下の数学的解析によってなされたものであることに留意されたい]
【0034】
回路の動作は、図6に示す略図を参照することによって最も良好に説明することができる。図6では、Rpは、PVDFの等価誘電損抵抗を表し、RSは、コイルの巻線抵抗と圧電素子の電極抵抗の組合せ効果に等しい直列損失項を表している。したがって、RS=RW+Relectrodeである。一実施形態では、424ボルトrmsの電圧源および0.45μFのキャパシタンスが、±1%でひずみが付与された1枚の電極化圧電膜に対応している。10MΩの並列損失抵抗Rpは、≒2%のタンジェントδに基づいている。図6に示す実施形態では、誘導子は、11.6Hの値を有するべく選択されており、その巻線抵抗は65Ωである。Relectrodeは、100オームに等しいことが仮定されており、したがってRSは165Ωに等しい。以下で考察するように、図6に示す回路の場合、図に示すパラメータを使用して最大電力を伝達するためにはRL=345オームの値が最適であるため、345Ωに等しいRLの値が選択されている。
【0035】
説明用として、Epが入力周波数fIN=2Hzの正弦波入力を圧電素子に提供すると仮定し、さらに、入力信号Epの正および負のピークでインテリジェント・スイッチS1がクローズすると仮定する。誘導子に流れる電流がゼロまたはほぼゼロに等しくなるとスイッチがオープンし、あるいはオープンされる。電源のインピーダンスが負荷のインピーダンスよりはるかに大きい場合、パルス持続期間がL−Cp回路網の共振周期の半サイクルである準正弦波電流パルスが誘導子を通って負荷へ移動する。したがって、このスイッチがクローズしている時間は、Tc=π(LCp).5で近似することができ、この実施形態の場合、7.18ミリ秒である。
【0036】
Cpの両端間に初期値VNを与えると、スイッチがクローズしているインターバルの間の電圧は、
VC(t)=VNexp(−ω0t/(2QL))cos(ω0t) (1)
で与えられる。ω0=1/(LCp).5であり、QL=ω0L/(RL+RS)=(L/Cp).5/(RL+RS)≡R0/(RL+RS)である。
この同じインターバルの間に、誘導子Lおよび負荷RLに流れる電流は、
iL(t)≒VN/R0sin(ω0t) (2)
で与えられる。t=TcでスイッチSがオープンし、vC(Tc)=−Viexp(−π/(2QL))=−aVi(a≒1)、iL(Tc)=0である。aは次のように定義されている。
a≡exp(−π/(2QL)) (3)
スイッチは一度オープンすると、次のピーク(負のピーク)が生じるまでオープン状態を維持する。この期間の間、ひずみが印加されている状態のピエゾ素子によって生成される電荷により、VCは充電を継続することになる(より強い陰電気で)。この場合の波形は、
VC(t)=VPcos(ωINt)−(aVN+VP)exp(−t/τ)(4)
で与えられる。τ=RPCPであり、ピエゾの誘電損時定数を表している。VPはピーク・オープン回路電圧である。
Sは、次のピークで同じ期間Tcの間クローズし、今度は(Vi)+がはるかに大きい値である点を除いて同様に挙動する。このt=1/(2fIN)、ωINt=πにおけるスイッチの次のクローズの直前に、VCの値が、
VN+1=−(VP(1+b)+abVN) (5)
で表されるVN+1に到達する。b≡exp(−1/(2fINτ))=exp(−π/QC)、QC=2πfINτ=1/tanδである。
【0037】
このプロセスは、ピエゾ・デバイスによって追加されるエネルギーが、負荷RLへ伝達されるエネルギーと電極、誘導子およびPVDF誘電体における損失の和によってオフセットされる定常状態に到達するまで半サイクル毎に繰り返される(符号は変化する)。式(5)を使用して、入力の半サイクルの数を関数とした電圧のビルド・アップが周期的に予測される。ビルド・アップ時定数は、ほぼQLサイクルであることが分かる。定常状態電圧によって負荷へ伝達される定常状態電力が決定されるため、定常状態電圧は重要なパラメータである。定常状態電圧は、VN+1=−VNを式(5)にセットすることによって得られる。つまり、
(VC)SS=VP(1+b)/(1−ab) (6)
で与えられる。
このピーク電圧により、幅TCおよびピーク振幅
(IL)MAX=(VC)SS/R0 (7)
を有する半正弦波電流パルスが負荷に生成される。
最後に、式(7)から平均電力出力が得られる。
POUT=((IL)MAX)2RLTCfIN (8)
Qに比例したリアクタンス・エレメント両端間の高電圧ビルド・アップは、共振回路の典型的な高電圧ビルド・アップである。このパルス手法の重要なアスペクトは、共振周波数と入力周波数が独立しており、したがって、極めて低い入力周波数にもかかわらず実際的なコンポーネント値が可能であることである。図7および8は、図6に示す回路のコンピュータ化ソフトウェア回路プログラム(SPICE)シミュレーションによって生成される定常状態電圧波形および負荷電流波形を示したものである。
【0038】
最適電力伝達
RLには電力出力を最大化する最適値が存在している。これは、式6〜8を操作すると分かる。先ず、既に定義したパラメータaおよびbが、大きいQLおよびQC(>5)に対していずれも≒1であることを認識されたい。したがって式(6)は、
(VC)SS≒2VP/π(1/(2QL)+1/(QC))=4VPQLQC/π(2QL+QC) (9)
によって近似することができ、また、電力出力は、次のように書き換えることができる。
POUT=(VCSS)2TCfINRL/R0 2
≒16CPVP 2QL 2QC 2fINRL/(πR0(2QL+QC)2)(10)
機械力入力が
PIN=CPVP 2fIN/(2k2) (11)
(k2=電気−機械結合係数=d21 2Y/ε)
であることを思い出すと、機械力−電力変換効率POUT/PINは、
η=(32k2/πR0)*((QL 2QC 2/(2QL+QC)2))*RL(12)
で与えられる。QL=R0/(RL+RS)を代入し、かつ、RLに関して最大化すると、
(RL)OPT=RS+(2R0/QC) (13(a))
(QL)OPT=R0/2(RS+R0/QC) (13(b))
が得られる。これを式(12)に組み込むと、変換効率の最大値が得られる。
ηMAX=8k2R0/(π(RS+2R0/QC)) (14)
【0039】
したがって、本出願人による発明には、抵抗の最適値(RL)OPTが存在し、かつ、この抵抗値が、(a)RS=RW+Relectrodeの関数であり、また、(b)Roが(L/Cp).5に等しく、QcがQc=2πfINτに等しく、τがRpCpに等しい2Ro/Qcの関数である、という認識が包含されている。
【0040】
本出願は、さらに、(RL)OPTが入力信号の周波数の関数として変化するため、入力信号の周波数をモニタし、最適化された(RL)OPTを維持するべく、(RL)OPTの値を周波数の関数として変更することができることを認識している。以下で考察するように、これは、システムに多少の負荷を印加する(スイッチを介して)ことによって達成することができる。つまり、システムに負荷が印加されている期間であるオンからオフへの周期を制御することによって負荷の平均値を変更することができる。これについては図2に示されており、波ピーク・センサ200が、印加される機械応力およびひずみの振幅および周波数に応答してピーク検出器34に信号を供給している。ピーク検出器34は、対応する信号をマイクロコントローラ301に供給し、マイクロコントローラ301は、DC/DCコンバータ30を制御している。同様に、印加される機械応力およびひずみ(例えば、海の波からの)の振幅および周波数に応答して、1つまたは複数のサブシステム・コンポーネント、つまり(a)スイッチS1、(b)L1のインダクタンス、および(c)負荷の様々なコンポーネント(例えば負荷キャパシタンスおよび抵抗性負荷)を制御するべくプログラムされたマイクロコントローラ301に信号を供給するセンサ303が図9に示されている。図9には、出力をモニタすることができること、および出力負荷センサ305に信号を供給することができることが併せて示されていることに留意されたい。出力負荷センサ305の出力は、同じくシステムの応答を最適化するために必要なあらゆる行動を取るべくプログラムすることができるマイクロコントローラに供給されている。変更することができる負荷のタイプ
【0041】
上記動作理論は、純粋な抵抗性負荷の場合に適用されるが、本出願人には、このスイッチ共振電力抽出回路を純粋な抵抗性負荷に限定する必要はないことが分かっている。事実、所望する出力がパルスではなくDC電圧であるいくつかのケースでは、並列抵抗性負荷−容量性負荷であることが好ましい場合もある。これは、図9に示すタイプの回路を使用することによって達成することができる。図9では、全波整流器270を使用して、直列ループ(PEG22、スイッチS1、誘導子L1および負荷)内で生成されるAC信号がDC出力電圧に変換されている。このDC出力電圧は、コンデンサおよび/またはバッテリに保存し、かつ/またはRLOADで示されている、実際には複合負荷である負荷を駆動することができる。
【0042】
スイッチ位置の変更
負荷のインピーダンス特性の変更に加えて、直列に接続されている回路エレメントの順序を再配列することも可能である。図3Aおよび6では、スイッチS1は、PEG(コンデンサCp)と誘導子Lの間に設けられているが、スイッチS1の位置は、共振回路の直列経路に沿った他の位置へ移動することもできる。例えば、図3Bに示すように、誘導子と負荷の間にスイッチ1を配置することもできる。別法としては、図3Cに示すように、大地帰還端子と負荷RLの間にスイッチS1を配置することもできる。図3Aに示す誘導子Lと圧電デバイスPEG1の間の位置から、図3Bに示す誘導子の負荷側の他の位置へ、あるいは図3Cに示す負荷の底部脚中にスイッチを移動することにより、スイッチを動作させるために必要な電圧をターン・オンおよびターン・オフする際の特定の利点が提供される。図3Dに示すように、双方向に導通させることができるトランジスタ(例えばMOSFET)の組合せを使用してスイッチが形成されている場合、特にこの特定の利点が提供される。
【0043】
図3Dに示すスイッチング回路網には、端子39と大地帰還端子33の間に接続されたスマート・スイッチS1が含まれている。スマート・スイッチには、端子39と33の間に接続された、正の方向に増加する入力電圧および負の方向に減少する入力電圧に対する負荷電流の導通を制御するための2つの並列経路が含まれている。経路の1つには、nチャネルMOSFETであるN1の導通経路に直列に接続されたダイオードD1Aが含まれている。N1のソースおよび基板は、ノード33に接続されている。もう1つの経路には、pチャネルMOSFETであるP1の導通経路に直列に接続されたダイオードD2Aが含まれている。P1のソースおよび基板は、ノード33に接続されている。
【0044】
N1は、正の方向に増加する比較的小さい値の電圧(例えば3〜10ボルト)をN1のゲートに印加することによってターン・オンさせることができる(Epが高度に正である場合)。誘導子に流れる電流がゼロになるとN1は導通を停止する。別法としては、N1のゲートを端子33にクランプすることによって(あるいは負の微小電圧をN1のゲートに印加することによって)N1をターン・オフさせることができる。Epが正の方向に増加する場合、ダイオードD2AによってP1を通る導通がブロックされることに留意されたい。
【0045】
P1は、負の方向に減少する比較的小さい値の電圧(例えば3〜10ボルト)をP1のゲートに印加することによってターン・オンさせることができる(Epが高度に負である場合)。誘導子に流れる電流がゼロになるとP1は導通を停止する。別法としては、P1のゲートを端子33にクランプすることによって(あるいは正の微小電圧をP1のゲートに印加することによって)P1をターン・オフさせることができる。Epが正の方向に増加する場合、ダイオードD1AによってN1を通る導通がブロックされることに留意されたい。
【0046】
図3Dに示す大地と負荷27の間のスマート・スイッチの位置は、トランジスタを小さいゲート−ソース電圧(VGS)でターン・オンおよびターン・オフさせるためには、スイッチをループに沿った特定のポイントに配置することが重要であることを示している。また、ダイオードD1AおよびD2Aが、常に2つの「並列」導通経路のうちのいずれか一方のみの導通を保証していることに留意されたい。ダイオードD1AおよびD2Aが存在しない場合、導通サイクルの誤ったフェーズの間、トランジスタ(N1および/またはP1)が導通状態にドライブされることになる(すなわちEpが負の方向に減少するとN1が導通し、また、Epが正の方向に増加するとP1が導通する)。図3Dの場合、トランスデューサ(PEG22)に印加される自然反復力の周波数および/またはピークおよび/または振幅をセンスするセンサ303からの信号に応答するコントローラ301によってスイッチS1を制御することができることに留意されたい。図3Dは、センサ303が、トランジスタN1およびP1のゲート電極にターン・オン信号およびターン・オフ信号を供給することによってスイッチS1のターン・オンおよびターン・オフを制御するべく使用することができる信号をコントローラ301に供給することができることを示している。したがってコントローラ301は、スイッチをターン・オンすべきタイミング(例えば、Epが正の方向に増加している場合は、正の信号をN1のゲートに供給するタイミング、また、Epが負の方向に減少している場合は、負の方向に減少する信号をP1のゲートに供給するタイミング)を決定し、また、ターン・オフ信号をN1および/またはP1のゲートに印加することによってスイッチをターン・オフすべきタイミングを決定している。
【0047】
スイッチの特性
スイッチ共振回路の中で動作するスイッチを見出すことは、いくつかの理由により困難である。第1の理由は、オフ状態におけるインピーダンスが極めて大きく、逆に、オン状態におけるインピーダンスが極めて小さいスイッチでなければならないことである。第2の理由は、極めて大きい正および負の電圧阻止を必要とすることである。第3の理由は、極めて大きいパルス電流を処理しなければならないことである。第4の理由は、スイッチのクローズに期待される時間より実質的に短い時間でターン・オンおよびターン・オフしなければならないことである。第5の理由は、両方向に流れる電流を処理しなければならないことである。第6の理由は、コントローラによって正確にクローズさせることができなければならないことである。「スイッチ」という用語を使用する場合、それは、スイッチの機能を果たすデバイスを意味しており、また、デバイス自体が複数の異なるコンポーネントから構成されていることを意味している。
【0048】
本出願人は、スイッチの要求事項を扱った複数の回路設計を調査したが、いずれのタイプのスイッチもそれなりに良好に動作している。機械設計の場合、スイッチ共振回路のスイッチに油圧弁を使用することができる。別法としては、コントロールまたはピーク検出器もしくは他の適切な任意の制御回路からの信号を使用してリレー・コイルによって駆動されるリレー接点をスイッチに使用することもできる。しかしながら、高速動作にリレーを使用することは問題である。既に説明したピエゾ源と共に使用するための電気回路設計の場合、固体電気デバイスによって特定の利点が提供される。ターン・オンおよびターン・オフ時間周期の短い高インピーダンスを達成するためのほとんどの条件下において、MOSFETトランジスタは良好に動作している(既に図3Dに示したように)。
【0049】
図10は、MOSFETおよびダイオードを備えたスマート・スイッチを使用した回路の他の実施形態を示したものである。図3Dに示す回路の場合、コントローラによってスイッチS1がターン・オンされ、かつ、S1がターン・オンした後、ループに流れる電流がゼロまたはほぼゼロになるTcの時間が経過した時点で、同じコントローラによって再びターン・オフされていることに留意されたい。しかしながら、コントローラがスイッチS1をターン・オンし、かつ、S1および誘導子L1に流れる電流がゼロになった時点でS1が自らシャット・オフするように回路を配列することも可能である。これは、図10に示すように、ダイオードをスイッチング・トランジスタに直列に配置することによって達成される。
【0050】
図10では、PEG22は誘導子L1の一方の側に接続され、誘導子のもう一方の側は、スマート・スイッチを介して負荷27に接続されている。図10に示すスマート・スイッチは、図3Dに示すスマート・スイッチと同様、Epが正の場合に負荷に流れる電流を導くための第1の経路、およびEpが負の場合に負荷に流れる電流を導くためのもう1つの経路を備えている。一方の経路には、NチャネルMOSFETであるT1AおよびダイオードD1Bが含まれており、T1Aの導電経路は、端子37とノード38の間に接続され、また、ダイオードD1Bの陽極はノード38に接続され、陰極は端子39に接続されている。もう一方の経路には、PチャネルMOSFETであるT1BおよびダイオードD1Aが含まれており、T1Bの導電経路は、端子39とノード38の間に接続され、また、ダイオードD1Aの陽極はノード38に接続され、陰極は端子37に接続されている。図10では、MOSFETであるT1AおよびT1Bのゲートをバイアスするべく、MOSFETであるT2AおよびT2Bから構成されたCMOS論理インバータが使用されている。Cpの両端間の電圧が大きく、かつ、正である場合、電流は、ダイオードD1AおよびT1Aによってブロックされる。T1Aのゲートは、VX2ボルトでバイアスされたオフ状態にある。VX2の範囲は、以下で説明するように、−5から−100ボルトまたはそれ以上である。T1Bは「オン」状態にあるが、電荷がT1Aのゲートを通過して移動するための自由経路がないため、電気を導くことはない。Cpの両端間のEpが正のピーク電圧に到達すると、ピーク検出器からの信号によってT2AおよびT2Bがトグルし、それによりT1AおよびT2Bのゲート電圧がVX2ボルトから+VX1ボルトに増加する。VX1ボルトの範囲は、5ボルトから100ボルトまたはそれ以上である。T1Aがターン・オンすると、電荷が、T1A、ダイオードD1Bおよび負荷Rloadを通ってCpから大地へ移動し、それによりスマート・スイッチのコンポーネントに電圧および電流パルスが現われる。しかし、電圧パルスがゼロになると、ダイオードD1BによってダイオードD1Bの経路を通って戻る電流が遮断されるため、電荷はT1Aを通って逆方向に移動することはできない。したがって導通は遮断される。
【0051】
Cpの両端間のEpが負のピークにほぼ到達すると、T2AおよびT2Bが再びトグルし、それによりT1AおよびT1BのゲートにVX2ボルトが現われる。T1AおよびT1BのゲートにVX2ボルトが現われるとT1Aがクローズし、T1Bがオープンする。したがって負の電荷が、T1Bを通って流れる負の電流および電圧がゼロになるまで、D1A、T1BおよびRloadを通って移動する。「負」の電流がゼロになると、電流はD1Aを通って逆方向に流れることができないため、スマート・スイッチS1が事実上オープンする。したがって、トグルが生じる毎にT1AおよびT1Bの導通状態が反転するため、共振回路が逆方向への電流の引出しを試行するまでの一定期間の間、一方向にのみ電流が導かれる。共振回路が逆方向への電流の引出しを試行すると、ダイオードによって電流の反転がブロックされ、事実上スイッチがオープンする。この方法を使用することにより、スマート・スイッチを高い信頼性で制御可能にオープンおよびクローズすることができる。
【0052】
ピーク毎にスイッチS1がクローズし、かつ、S1に流れる電流がゼロまたはほぼゼロになるまでクローズ状態を維持し、それによりスイッチがオープンし、あるいはオープンされる限り、共振周波数が駆動源の周波数よりはるかに高い周波数の共振回路が形成されることを条件として、任意のタイプの負荷を使用することができることに留意されたい。
【0053】
図10に示す回路では、トランジスタT1AおよびT1Bが共通ドレイン・モードで動作していることを理解されたい。したがって、T1AおよびT1Bに印加されるゲート電圧によって、負荷の両端間に展開する電圧が制限されている。したがって、本発明を具体化したシステムでは、図11に示すタイプの整流回路網110を使用して、比較的大きい正の電圧(例えばVX1)および比較的大きい負の電圧(例えばVX2)を生成することができる。回路網110は、ループに沿った任意のポイントに接続することができ、そのポイントで若干の正および負の高過渡電圧が生成される。したがって、正の方向に増加する過渡電圧の場合、抵抗R110およびダイオードD110を通って電流が流れ、それによりコンデンサC110が充電され、VX1が生成される。同様に、負の方向に減少する過渡電圧の場合、抵抗R111およびダイオードD111を通って電流が流れ、それによりコンデンサC111が充電され、VX2が生成される。T1AおよびT1Bに印加する電圧をこの方法で生成する重要なアスペクトが、スイッチング・トランジスタの正のターン・オンおよびそれに続くターン・オフを可能にしている。
【0054】
ピーク検出スキーム
図12Aを参照すると、電極122および123を備えた圧電材料121のセグメントが示されている。圧電材料121には自然反復力が印加されており、それにより圧電材料に応力がかかり、電極122および123の両端間に振動電圧を生成されている。電極122および123を備えた圧電材料121は、図12Bに示すように、ピエゾ・デバイスによって生成されるAC信号を有するコンデンサとして表すことができる。考察を容易にするために、図12Cに示す、電極122および123の両端間に生成される無負荷電圧すなわち開路電圧(Voc)は、図12Dに示すように正のピーク値+Vopと負のピーク値(−)Vopの間で実際に振動する正弦波であることが仮定されている。上で考察したように、また、図12Eに示すように、PEG22からの電力の伝達を最適化するためには、PEG出力のピーク(+Vopおよび−Vop)毎にスイッチS1がクローズすることが望ましいが、スイッチS1がクローズして、極めて望ましい共振回路が形成されると、ノードXの電圧が、図12Fに示すように、正および負の方向に向かう急峻な過渡電圧に強制される。最大入力振幅(Vop)と比較して急激に遷移する大きな電圧レベルが、感度が高く、かつ、雑音のない検出器の設計を困難にしている。ピークの検出を困難にしている基本的な問題(以下で考察する)の原因は、雑音および位相ずれである。
【0055】
ピークの出現をセンスする問題は、図12Gに示すような「偽」のピークおよび底の発生によって、ますます困難を余儀なくされている。したがって、ピーク値の確認およびスイッチS1をクローズするタイミングが重要な問題である。
【0056】
スイッチ共振回路が抱えているもう1つの大きな困難性は、適切なタイミングでスイッチをクローズ(およびオープン)するためのピークおよびトラフの正確な検出が困難なことである。第1に、PEG22などの容量性デバイスを使用する場合、圧電材料の場合と同様、駆動機械力(例えば、PEG22に印加される自然反復力)とデバイスの電気出力の間にしばしば遅れが存在する。したがって、容量性デバイスを共振回路内でスイッチングする場合、この位相ずれによって、スイッチが完了した後、わずかに遅れて電圧「スナップ・バック」が生じ、それにより偽のピークまたは底がもたらされることになる。
【0057】
また、コンデンサに電圧をビルド・アップするためには、ピークを検出するべく、極めて広い範囲に渡って電圧をセンスしなければならず、そのためには検出器の感度を落とさなければならない。
【0058】
ピークをより正確に検出する問題は、以下に示す方法によって解決することができる。つまり、負荷にスイッチされる電力源である圧電デバイス(PEG1)以外に、ダミーの容量源、例えばもう1つの圧電デバイス(PEG2)を使用する方法である。PEG1の出力は、図12F、12Gおよび5のVxで示すように歪んでも、PEG2の出力は、図12D、12FのVocおよび図5のEpで示す状態を維持することになる。PEG2の出力は、高インピーダンス回路に供給することができるため、元の信号に対して真である信号(例えば正弦波信号または振動信号)をセンスし、センスした信号を使用して、S1を介してPEG1の両端間の誘導性負荷のスイッチングを制御することができる。したがって、図12Hに示すように、PEG1を電力コレクタと呼び、PEG2をセンサと呼ぶことができ、PEG2の出力は、入力信号の正および負のピーク毎にスイッチS1のクローズを制御するべく使用されるピーク検出器130に印加される。したがって、電力収集デバイスPEG1の出力は、高度に複雑な高振幅過渡電圧であり、一方、センサ・デバイスPEG2の出力は駆動信号と一致している。したがって、PEG1およびPEG2に対する駆動信号が比較的滑らかな正弦波である場合、PEG2は、それに応答して正弦波を生成し、PEG1をスイッチさせ、かつ、上で考察したようにスイッチ共振電力収集モードで機能することになる。同時に、ピーク検出器がPEG2を使用することにより、滑らかな正弦波のピークおよびトラフを正確に、かつ、高い信頼性でセンスし、PEG1のスイッチングを制御することができる。
【0059】
PEG2の材料は、同様の特性を持たせるべく、PEG1の材料と同じ材料にすることができる。PEG2は、PEG1に印加される応力と同じ応力または類似した応力をセンスするべく、図12Iに示すようにPEG1上に取り付けることができる。通常、PEG2はPEG1より小さくすることができ、任意の方法を使用してPEG1に接続または取り付ける(例えば接着する)ことができる。PEG2の出力はPEG1の出力をミラーしており、通常、その振幅はPEG1より小さい。PEG1が極めて大きい場合、PEG1の異なる対応部分をセンスするべく、PEG2を多数の異なる圧電デバイスで構成することができる。
【0060】
同じく図12Iに示すように、PEG2の出力は、ピーク検出器回路130Aに供給することができる。ピーク検出器回路130aの出力は、ピーク検出器から受け取った信号を処理し、スイッチS1にターン・オン信号およびターン・オフ信号を提供することができるマイクロコントローラ301Aに供給されている。図2を参照して、PEG2タイプのセンサあるいは他の任意の適切なセンサを波ピーク・センサ200に使用することができることに留意されたい。同様に、図2では、図12Iに示す130Aのようなピーク検出器およびマイクロコントローラ301Aを、ピークでパルスを発生するピーク検出器34に使用することができる。
【0061】
「センシング」PEGを使用することにより、ピークの検出およびスイッチS1のターン・オンおよびターン・オフを適切なタイミングで制御するための信号の生成がはるかに容易になる。したがって、本発明の一態様によるピーク検出スキームには、電力を収集する、共振電力収集回路にスイッチされる容量エレメントと、より容易なピーク検出形態を可能するべく開路電圧をモニタする容量エレメントの2つの容量エレメントが含まれている。
【0062】
説明を容易にするために、PEG1に正弦波の応力が印加されることが仮定されているが、入力信号の周期的な正および負のピークが検出され、適切なタイミングで適切な長さの時間の間、圧電デバイスの両端間の誘導性回路網を結合するスイッチのクローズが制御される限り、これは必ずしも必要な条件ではないことを理解すべきである。
【0063】
スイッチ共振モードで使用される機械システムの性質に応じて、異なるタイプのセンサが使用される。例えば、海の波の力を利用したデバイスを使用する場合、図13に示すように、微小波センサ・ブイ410を使用して入力波の特性を検出し、かつ、スイッチS1のターン・オンおよびターン・オフの制御に使用される信号を生成することができる。図13に示すシステムでは、センサは、直ぐ後にトランスデューサに衝突する波を予測することができる。図13は、トランスデューサにブイ414を使用することができることを示している。センサ410は、トランスデューサの直前に物理的に配置されたウェーブ・ライダであっても良い。センサをトランスデューサの直前に物理的に配置することにより、適切なシステムの変化が導入され、機械的に印加される力に応答して電気信号を生成することができる任意のデバイス(例えば圧電デバイスあるいはブイ)であるトランスデューサに波が衝突する(すなわち波が当たる)前に注意することができるよう、電力を捕獲し、かつ、変換するシステムに警報を発するための正しい位置にセンサを配置することができる。
【0064】
さらに他のスキームには、図13に示すように、電波を使用して波高をセンスするための電磁センサ412が含まれている。ピーク信号を高い信頼性で検出し、かつ、必要な時間期間TcでスイッチS1をターン・オンするべく使用することができる限り、多くの様々なタイプのセンサを使用することができるが、主電力デバイスと並列に動作する個別センサを使用することにより、必要なコスト、サイズおよび機器の量が著しく低減される。
【0065】
センサによって信号が検出されると、多数の回路を使用して回路のピークおよびトラフを検出することができる。ピーク検出器は、エレクトロニクスにおいて広範囲に渡って研究され、また、多くの様々な種類のピーク検出器が何千にも及ぶアプリケーションに使用されている。海の波あるいは川の流れなどの機械源によって駆動される圧電デバイスの場合、機械源は、環境の変化およびランダムな乱れによってわずかに変動する周波数および振幅を有している。このような条件下においては、図14に示すような、変化する条件に適応する柔軟性に富んだピーク検出スキームを展開しなければならない。
【0066】
変化する条件に適応する柔軟性に富んだピーク検出スキームを展開する方法の1つは、図15に示すように、センサからの信号をディジタル化し、ディジタル化した信号をソフトウェアを介して曲線に当てはめ、ピークが出現するタイミングを予測することである。しかしながらこのような計算には大量の計算ソフィスティケーション、時間および電力が必要である。
【0067】
図16は、ピーク検出を実行する他の方法を示したものである。印加される力が概ね正弦波である場合、正弦曲線センサ信号(a)を積分または微分することにより、単純演算増幅器回路に印加することができる余弦波を得ることができ、それにより積分化/微分化信号のゼロ交差を検出することができる。積分/微分が完璧であり、かつ、信号が真の正弦曲線である場合、ゼロ交差は、正確にセンサ信号のピークで生じることになる。他のエレクトロニクス(図示せず)を使用してゼロ交差を検出し、かつ、スイッチのクローズをトリガするために使用することができるパルスを生成することができる。
【0068】
本発明によるスイッチ共振手法は、駆動力が穏やかに変化する任意のシステムに適用することができることを理解されたい。また、海の波によって、あるいは川または流れの中の、交番リプルを渦を巻く下流にし、かつ、ピエゾ・デバイスをその周囲に湾曲させる手段と共に川または流れの中に置くことによって、圧電デバイスあるいは応力が印加されると電圧を生成する任意のデバイスに印加される応力またはひずみを提供することができることを理解されたい。ピエゾ・デバイスは、はためく旗あるいは水中を遊泳するウナギのように見える。したがって、海面の波および水中のあらゆる波(あるいは風)を使用することができる。これらは、機械的(強制)波あるいは海面の波および振動する水中あるいは水面の渦巻のような自然反復力と呼ばれている。
【図面の簡単な説明】
【0069】
【図1】圧電デバイスを使用して電力を生成する従来技術によるシステムの簡易回路図である。
【図2】電力を生成するための本発明によるシステムのブロック図である。
【図3A】本発明による一実施形態の簡易回路図である。
【図3B】本発明による他の実施形態を示す簡易線図である。
【図3C】本発明による他の実施形態を示す簡易線図である。
【図3D】MOSFETスイッチを使用して本発明を具体化した回路の簡易線図である。
【図4】図3Aに示す回路に関連する様々な波形を示す波形線図である。
【図5】本発明を具体化した回路の中で生成される信号の波形線図である。
【図6】特定のコンポーネントに対して選択された値を示す回路図である。
【図7】本発明を具体化した回路の中で生成される定常状態の電圧波形を示す図である。
【図8】本発明を具体化した回路の中で生成される定常状態の負荷電流パルスの波形線図である。
【図9】本発明を具体化した他の回路の簡易回路図である。
【図10】本発明によるスイッチング回路を示す簡易回路図である。
【図11】本発明を具体化した回路の中で使用するための簡易整流回路を示す図である。
【図12A】ピーク検出に関連する様々な信号の状態を示す線図である。
【図12B】ピーク検出に関連する様々な信号の状態を示す線図である。
【図12C】ピーク検出に関連する様々な信号の状態を示す線図である。
【図12D】ピーク検出に関連する様々な信号の状態を示す線図である。
【図12E】ピーク検出に関連する様々な信号の状態を示す線図である。
【図12F】ピーク検出に関連する様々な信号の状態を示す線図である。
【図12G】ピーク検出に関連する様々な信号の状態を示す線図である。
【図12H】本発明を具体化したピーク検出スキームを示す線図である。
【図12I】本発明を具体化したピーク検出スキームを示す線図である。
【図13】本発明を具体化した他のピーク検出スキームを示す線図である。
【図14】本発明を具体化した他のピーク検出スキームを示す線図である。
【図15】本発明を具体化した他のピーク検出スキームを示す線図である。
【図16】本発明を具体化した他のピーク検出スキームを示す線図である。
Claims (16)
- 衝突する、可変周波数f1および可変振幅を有する振動性反復自然エネルギー源から電力を収集するための第1のトランスデューサと、
前記第1のトランスデューサの両端間に負荷を選択的に結合するためのスイッチ手段であって、前記スイッチ手段がクローズすると、前記負荷および前記第1のトランスデューサによって、f1より高い周波数で共振するように設計された回路が形成され、また、前記スイッチがクローズすることにより、比較的大きな過渡信号が前記回路内に展開するスイッチ手段と、
前記第1のトランスデューサに衝突する前記振動性反復エネルギー源の前記振幅および周波数のうちの少なくとも1つをセンスし、前記振動性反復エネルギー源の前記振幅および周波数のうちの少なくとも1つに対応し、かつ、前記振動性反復エネルギー源の前記振幅および前記周波数のうちの少なくとも1つを表す出力信号を生成するための第2のトランスデューサと、
前記第2のトランスデューサによって生成される前記出力信号に応答する、前記スイッチ手段のターン・オン(クローズ)およびターン・オフを制御するための手段とを備えた組合せ。 - 前記第1および第2のトランスデューサが圧電デバイスである、請求項1に記載の組合せ。
- 前記第1および第2のトランスデューサが互いに対して取り付けられ、それにより前記第2のトランスデューサが前記第1のトランスデューサに印加される力と同じ力を受け、かつ、センスする、請求項2に記載の組合せ。
- 前記第2のトランスデューサによって生成される前記出力信号に応答する、前記スイッチ手段のターン・オン(クローズ)およびターン・オフを制御するための前記手段がピーク検出器を備えた、請求項1に記載の組合せ。
- 前記第2のトランスデューサによって生成される前記出力信号に応答する、前記スイッチ手段のターン・オン(クローズ)およびターン・オフを制御するための前記手段が、ピーク検出器と前記スイッチ手段に結合されたマイクロプロセッサとを備えた、請求項1に記載の組合せ。
- 前記第2のトランスデューサによって生成される前記出力信号に応答する、前記スイッチ手段のターン・オン(クローズ)およびターン・オフを制御するための前記手段が、前記スイッチ手段をターン・オンするための信号を生成するべく、前記第1および第2のトランスデューサに衝突する前記振動性反復自然エネルギー源のピークおよび谷を検出するための計算手段を備えた、請求項1に記載の組合せ。
- 前記第2のトランスデューサによって生成される前記出力信号に応答する、前記スイッチ手段のターン・オン(クローズ)およびターン・オフを制御するための前記手段が、前記出力信号を処理するべく、微分回路手段および積分回路手段のうちの少なくとも1つを備えた、請求項1に記載の組合せ。
- 衝突する、可変周波数f1および可変振幅を有する振動性印加力から電力を収集するための発電機と、
前記発電機の両端間に負荷を選択的に結合するためのスイッチ手段であって、前記負荷が、前記スイッチ手段がクローズすると、共振するべく設計された回路が前記負荷および前記発電機によって形成されるように形成されたスイッチ手段と、
前記発電機に衝突する前記印加力の前記振幅および周波数のうちの少なくとも1つをセンスし、前記印加力の前記振幅および周波数のうちの少なくとも1つに対応し、かつ、前記印加力の前記振幅および周波数のうちの少なくとも1つを表す出力信号を生成するためのセンサと、
前記センサによって生成される前記出力信号に応答する、前記スイッチ手段のターン・オンを制御するための手段とを備えた組合せ。 - 前記発電機および前記センサがそれぞれ第1のトランスデューサおよび第2のトランスデューサであり、前記第1および第2のトランスデューサが同じ材料で形成された、請求項8に記載の組合せ。
- 前記スイッチ手段がクローズすると、前記負荷および前記発電機によって、f1より高い周波数で共振するように設計された回路が形成される、請求項8に記載の組合せ。
- 前記センサが、前記印加力が前記発電機に衝突する前に前記印加力をセンスする位置に置かれた、請求項8に記載の組合せ。
- 前記発電機が、前記印加力から電力を収集し、かつ、収集した電力を電気エネルギーに変換するためのブイを備えた、請求項11に記載の組合せ。
- 前記印加力が海の波のエネルギーであり、前記センサが、前記海の波が前記ブイに衝突する前に前記海の波のピークおよび谷をセンスするためのウェーブ・ライダを備えた、請求項12に記載の組合せ。
- 前記印加力が海の波のエネルギーであり、前記センサが、前記ブイに衝突する前記海の波のピークおよび谷をセンスするための電磁手段を備えた、請求項12に記載の組合せ。
- 前記センサが、前記発電機に衝突する前記印加力の前記周波数および前記振幅のうちの少なくとも1つをセンスするための手段を備えた、請求項10に記載の組合せ。
- 前記第1および第2のトランスデューサのサイズが異なり、一般的に前記第1のトランスデューサの方が前記第2のトランスデューサより大きい、請求項9に記載の組合せ。
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