MX2007000231A - Circuito extractor de energia. - Google Patents

Circuito extractor de energia.

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Abstract

La presente invencion describe un circuito extractor de energia usado para capturar la energia de una disposicion de celdas solares durante sus condiciones inferiores a las optimas. Bajo radiacion solar incidente reducida, el bajo nivel de energia suministrado por la disposicion de celdas solares normalmente no seria adecuado para operar una carga, pero con la presencia del circuito extractor de energia, la baja energia generada por el panel solar seria acumulada hasta un nivel lo suficientemente alto como para superar la barrera de energia de la bateria o la carga. El circuito extractor de energia comprende de preferencia un circuito reforzador de voltaje y corriente, y esta disenado para operar a todos los niveles de energia de la disposicion de celdas solares: bajo nivel de energia para proporcionar la funcion reforzadora durante el periodo de baja energia de la disposicion de celdas solares, y alto nivel de energia para evitar la falla de componentes durante la operacion normal de la disposicion de celdas solares. Muchos circuitos extractores de energia tambien pueden ser instalados en serie para cubrir una amplia gama de niveles de energia de la disposicion de celdas solares. El circuito extractor de energia de la presente invencion tambien ser puede usare en otras fuentes de energia para utilizar la porcion de energia que normalmente se hubiera perdido.

Description

CIRCUITO EXTRACTOR DE ENERGÍA Campo de la invención Esta invención se refiere generalmente a un método y aparato para cosechar energía en los regímenes de baja energía de una fuente de energía y, más particularmente, a un método y aparato que suministra salida de energía de una disposición fotovoltaica durante condiciones climáticas ambientales variables. Antecedentes de la invención La energía solar es una de las fuentes de energía limpia y renovable (las otras son el viento, vapor geotérmico, biomasa e hidroeléctrica) que tienen atractivo en el mercado masivo. La energía solar usa energía del sol para proporcionar calentamiento pasivo, iluminación, agua caliente y producción activa de electricidad a través de celdas solares fotovoltaicas. Las celdas fotovoltaicas son las fuentes más promisorias de energía solar activa que directamente convierten luz solar en electricidad. Sin embargo, las celdas fotovoltaicas son muy costosas, en términos de alto costo de producción y baja eficiencia. Trabajos significativos se han llevado a cabo para mejorar la eficacia de la disposición fotovoltaica. Una de las mejoras más iniciales es la adición de una batería. Sin la batería, la disposición fotovoltaica puede suministrar energía REF.: 178764 eléctrica directamente a una carga. La principal desventaja de esta configuración es la distribución no uniforme de energía solar: durante la operación con luz de día, la disposición fotovoltaica puede producir energía excesiva mientras que durante la noche o periodos de luz solar reducida, no hay energía suministrada desde la disposición fotovoltaica. Con la adición de una batería, la batería puede ser cargada por la disposición fotovoltaica durante periodos de excesiva radiación solar, por ejemplo luz de día, y la energía almacenada en la batería puede usarse después para proporcionar energía eléctrica durante la noche. Una sola celda solar normalmente produce voltaje y corriente mucho menores que el requerimiento típico de una carga. Una celda fotovoltaica típicamente proporciona 0.2-1.4 V y 0.1-5 A, dependiendo de la celda fotovoltaica y de sus condiciones operativas, por ejemplo luz solar directa, nublado, etc., mientras que la carga podría requerir de alrededor de 5-48 V, 0.1-20 A. De esta manera, un número de celdas fotovoltaicas están dispuestas en serie para proporcionar el requerimiento de voltaje necesario, y dispuestas en paralelo para proporcionar el requerimiento de corriente necesario. Estas disposiciones son críticas toda vez que si hay una celda débil en la formación, el voltaje o corriente caerá y la disposición de celdas solares no funcionará adecuadamente. Así, por ejemplo, es normal ver una disposición fotovoltaica dispuesta para 17 V para proporcionar 12 V a una batería. Los 5 V adicionales proporcionan un margen de seguridad para la variación en la fabricación de celdas solares y la operación de celdas solares, por ejemplo condiciones de luz solar reducida. Ya que la corriente producida por estas disposiciones de celdas fotovoltaicas es constante, en la mejor condición de iluminación, la disposición fotovoltaica pierde eficiencia debido al voltaje fijo de la batería. Por ejemplo, una disposición fotovoltaica nominal de 75 , 17 V tendrá una corriente máxima de 75/17 = 4.41 A. Durante luz solar directa, la disposición fotovoltaica produce 17 V y 4.41 A, pero ya que la batería es nominal a 12V, la energía transferida es de sólo 12*4.41 = 52.94 W, para una pérdida de aproximadamente 30%. Esta es una pérdida de energía significativa; sin embargo, no es deseable reducir el voltaje máximo posible proporcionado por la disposición fotovoltaica debido a que en la condición de luz solar reducida, la corriente y voltaje producidos por la disposición fotovoltaica caerán debido a una baja generación de electrones, y de esta manera podrían no ser capaces de cargar la batería. La figura 1 muestra una salida de Voltaje-Corriente de una celda fotovoltaica de la técnica anterior, que muestra que cargar baterías directamente desde las celdas fotovoltaicas podría no producir un resultado óptimo. En esta curva IV, se indica que fotoceldas mejoradas pueden tener una ventaja sobre las celdas estándares, y que tecnología de fotoceldas mejorada podría producir una salida de energía más alta. Sin embargo, una energía óptima aún no se está suministrando a la batería. La "Ventana de Carga de Batería" se localiza considerablemente debajo de la flexión de la curva, lo cual es el punto, de energía óptimo . Para mejorar la eficiencia de la disposición fotovoltaica, se introduce un método de Rastreo por Puntos de Energía Máxima (MPPT) en donde el voltaje proporcionado por la disposición fotovoltaica es rastreado y convertido en el voltaje de la batería por un convertidor de CD en CD antes de que la energía sea suministrada a la batería. Este método MPPT puede recuperar la pérdida de energía del 30%, siempre y cuando la energía consumida por los circuitos MPPT no sea excesiva. Junto con la técnica MPPT, se han desarrollado varios métodos y circuitos para mejorar la eficiencia y aplicaciones de disposiciones de celdas solares. Por ejemplo, si un suministro de 5 V se requiere de una celda solar de bajo voltaje de 3 W (I V, 3 A) , un circuito reforzador de voltaje se requiere para llevar el voltaje de la celda solar a 5 V para operar la carga. Sin embargo, la suposición básica de todos estos métodos y circuitos siempre es que la disposición fotovoltaica puede producir al menos la energía necesaria para operar la batería o la carga, 75 W en el ejemplo de MPPT, y 3 W en la aplicación de 5 V. Hasta el momento, no se ha diseñado un circuito para capturar la energía de una celda solar durante las condiciones de luz solar reducida. La conclusión casi siempre es que la celda solar no operaría bajo condiciones de baja luz solar tal como cuando está nublado, en la tarde o en la noche. Breve descripción de la invención Bajo radiación solar incidente reducida, la disposición de celdas solares no recibe suficiente luz solar para producir energía adecuada para cargar la batería o para energizar una carga, y por lo tanto la disposición de celdas solares es inactiva y la energía generada por el panel solar se pierde. El circuito extractor de energía de la presente invención está diseñado para capturar la energía generada del panel solar que pudiera haber sido perdida bajo estas circunstancias. El concepto básico del circuito extractor de energía de la presente invención es recoger y acumular un número de paquetes de pequeña energía del panel solar (o cualquier fuente de energía) y luego usar la energía acumulada para energizar una carga o para cargar una batería. En sí mismo, el paquete de pequeña energía individual no es adecuado para ningún trabajo útil tal como cargar la batería o energizar una carga debido a bajo voltaje o baja corriente o ambos . Por la acumulación de muchos paquetes de pequeña energía, la energía recolectada podría ser lo suficientemente alta como para cargar la batería o energizar una carga. El número de paquetes que tendría que ser acumulado depende de las aplicaciones, pero en general debe ser al menos suficiente como para hacer trabajo útil. Así, al capturar muchos paquetes pequeños de baja energía y acumularlos para formar un paquete de alta energía, lo suficientemente alta como para cargar la batería u operar una carga, el circuito extractor de energía de la presente invención puede utilizar la baja energía generada por el panel solar bajo condiciones de radiación solar incidente reducida. El circuito extractor de energía comprende de preferencia un circuito reforzador de voltaje y corriente. El circuito reforzador de voltaje se usa para generar voltaje más alto y el circuito reforzador de corriente para generar corriente más alta. El circuito extractor de energía también está diseñado preferiblemente para funcionar a todos los niveles de energía de la disposición de celdas solares, proporcionando la fusión reforzadora a un bajo nivel de energía durante el periodo de baja energía de la disposición de celdas solares, y evitando la falla de componentes a un alto nivel de energía durante la operación normal de la disposición de celdas solares. El extractor de energía puede comprender además un cortocircuito para evitar daño al circuito extractor de energía a alta energía. Además, muchos circuitos extractores de energía pueden instalarse también en serie para cumplir una amplia gama de niveles de energía de la disposición de celdas solares. El circuito extractor de energía de la presente invención también se puede usar en otras fuentes de energía para utilizar una porción de energía que normalmente se perdería. Breve descripción de las figuras La figura 1 muestra una batería de la técnica anterior cargando voltaje de un módulo solar. La figura 2 muestra un sistema de suministro de energía solar de la técnica anterior ejemplar. La figura 3 muestra una modalidad de la presente invención en un sistema de celdas solares. La figura 4 muestra una configuración básica de un circuito extractor de energía. La figura 5 muestra una topología de retorno de transformador de un circuito extractor de energía. La figura 6 muestra una modalidad de la presente invención usando un transistor como un interruptor en el circuito extractor de energía. La figura 7 muestra un circuito ejemplar de una modulación por ancho de pulso.
La figura 8A muestra la terminal de salida de un microcircuito temporizador 555. La figura 8B muestra un circuito ejemplar de un circuito temporizador 555 para operación monoestable. La figura 9 muestra un circuito ejemplar de un circuito temporizador 555 para operación estable. La figura 10 muestra un circuito ejemplar del circuito extractor de energía de la presente invención usando un circuito temporizador 555. La figura 11 muestra una modalidad de la presente invención para dos circuitos extractores de energía en cascada. Descripción detallada de la invención Las disposiciones de celdas solares son una excelente fuente de energía toda vez que pueden ser operadas en cualquier lugar bajo luz solar. Sin embargo, mejorar la eficiencia de la disposición de celdas solares es una gran preocupación toda vez que la disposición de celdas solares normalmente no es operada bajo condiciones de baja luz. Específicamente, ya que la mayoría de las disposiciones de celdas solares vienen con una batería recargable, bajo las condiciones ambientales que no permiten que la disposición de celdas solares produzca energía adecuada para cargar la batería, la disposición de celdas solares es inactiva. La presente invención describe un circuito para mejorar la eficiencia de una disposición de celdas solares, y específicamente para operar la disposición de celdas solares bajo condiciones de baja luz. La presente invención también es adecuada para celdas solares de baja calidad y celdas solares flexibles, ya que incluso en las mejores condiciones de luz solar, muchas de estas celdas solares aún podrían producir menos energía, tanta energía como las celdas solares de silicio de cristal individual y alta calidad bajo condiciones de baja luz. El componente básico de la presente invención es un circuito extractor de energía que extrae muchos de los paquetes de baja energía generados por las celdas solares bajo condiciones de baja luz solar, los pone en un acumulador, y luego usar la energía en el acumulador para cargar la batería . La energía que proviene del acumulador también se puede usar para energizar una carga, siempre y cuando la carga esté diseñada para soportar la naturaleza cíclica del suministro de energía proveniente del acumulador, significando que un ciclo del acumulador es cargado con los diferentes paquetes de energía, y luego descargado a la carga. La figura 2 muestra un sistema de suministro de energía de celdas solares de la técnica anterior ejemplar. En esta configuración, la celda solar 10 proporciona energía a una batería 20 y una carga 30. La batería 20 y carga 30 están diseñadas para 12 VDC, y por lo tanto no operarían a un voltaje operativo mucho más bajo que 12 V. La celda solar es típicamente nominal a 17 V bajo luz solar completa directa 40. De esta manera bajo luz solar óptima, la configuración requeriría de un circuito MPPT para una mejor eficiencia. Sin embargo, cuando la luz solar 40 cae, por ejemplo en un clima nublado, el panel solar 10 podría sólo producir menos de 12 V, por ejemplo 10 V. Bajo esta condición, el panel solar se hace inoperante, y la carga 30 es operada por la batería 20. De esta forma la energía generada por el panel solar de 0 V a 12 V en esta configuración sería desperdiciada. La Figura 3 muestra una primera modalidad del circuito extractor de energía de la presente invención. El circuito extractor de energía 115 está dispuesto entre el panel solar 110 y la batería 120 y la carga 130. El circuito extractor de energía 115 toma energía de más a través de una línea de energía 112 del panel solar 110 para operar sus circuitos internos. El circuito extractor de energía comprende un acumulador, un reforzador de voltaje o un reforzador de corriente, y está diseñado para acumular los paquetes de baja energía del panel solar hasta un nivel que pueda operar la carga o cargar la batería. Por ejemplo, supóngase que el clima esté nublado y' el panel solar sólo produzca 5 V, 1 mA de salida. Sin el circuito extractor de energía, este panel solar no sería capaz de cargar la batería o de operar la carga que requiriera de una energía mayor que 5 mW. El circuito extractor de energía de la presente invención tomaría muchos paquetes de energía de, por ejemplo, 5 V, 1 mA y los pondría en un acumulador. Luego de acumular suficientes paquetes de energía, el acumulador tendría suficiente energía, voltaje o corriente, por ejemplo 30 V, 5 mA, como para cargar la batería o para energizar la carga. El circuito extractor de energía no incrementa la generación de energía del panel solar, sólo acumula suficientes paquetes de energía para superar la barrera de energía antes de suministrar la energía. Así, el circuito extractor de energía se usa de preferencia para cargar una batería, o para operar una carga designada cíclica debido a las características del circuito extractor de energía. Otra característica del circuito extractor de energía de la presente invención es su requerimiento de energía. Incluso a pesar de que el circuito extractor de energía esté conectado al panel solar y la batería y carga con todos estos componentes nominales a alta energía (12-17 V en el ejemplo anterior) , el circuito extractor de energía está diseñado para operar a una energía mucho más baja, suministro de energía de 4-5 V o incluso más bajo en el ejemplo anterior. La razón es que el circuito extractor de energía realmente opera cuando el nivel de energía del panel solar baja, y no cuando el panel solar está en su energía máxima. Sin embargo, el circuito extractor de energía también tiene que conservar la alta energía del panel solar en su pico. Por lo tanto, para un panel solar nominal a 17 V, para capturar la energía en la escala de 4.5 V a 12 V, el circuito extractor de energía tiene que ser diseñado para operar en la escala de 4.5 a 18 V. En otra modalidad, el circuito extractor de energía puede comprender además un cortocircuito para evitar el daño al circuito extractor de energía a alta energía. Por ejemplo, el circuito extractor de energía anterior puede operar en la escala de 4.5 a 12 V con un cortocircuito para desconectar y derivar el circuito extractor de energía y conectar directamente el panel solar a la batería y carga. Ya que a un alto nivel de energía, la utilidad del extractor de energía es limitada, la desconexión y derivación del circuito extractor de energía no reduciría la eficiencia total del circuito de panel solar. En otra modalidad más, el circuito extractor de energía puede ponerse en cascada para extraer más una gama más amplia de energía del panel solar. Por ejemplo, un extractor de energía operado en la escala de 0.3 a 4.5 V puede ser puesto en cascada con otro extractor de energía operado en la escala de 4.5 a 17 V. De esa forma a un panel solar de 17 V que se conectara a una batería de 12 V le podría ser extraído su energía en la escala de 0.3 a 17 V. La descripción anterior se enfoca en la extracción de energía de celdas solares, pero el circuito de extracción de energía de la presente invención no está limitado sólo a energía solar, sino que puede aplicarse hacia cualquier fuente de energía eléctrica. Por ejemplo, una batería descargada no podría operar la carga a la que estuviera conectada, pero con el circuito de extracción de energía, después de un periodo de acumulación de energía, la batería puede suministrar suficiente energía para operar la carga durante un corto tiempo. También al conectar muchas baterías descargadas en paralelo, el circuito de extracción de energía podría acumular suficiente energía para operar la carga durante cierto tiempo. Otra aplicación es la energía hidroeléctrica que usa agua fluyente para generar electricidad. Durante el periodo de flujo de agua reducido que no es suficiente para cargar la carga existente, el circuito de extracción de energía de la presente invención podría extraer y almacenar hidro energía que de otra manera podría perderse. Otra aplicación más es la energía eólica que usa el flujo de aire para generar electricidad. Durante el periodo de bajo viento que no es suficiente para cargar la carga existente, el circuito de extracción de energía de la presente invención podría extraer y almacenar la energía eólica que de otra manera pudiera perderse. Otra aplicación es en la tecnología de celdas de combustible. Durante el periodo de modo de sueño, la celda de combustible genera muy poca energía para la carga existente. Usando el circuito de extracción de energía de la presente invención, la energía generada de las celdas de combustible durante el periodo de baja energía puede extraerse y almacenarse . Lo fundamental de la presente invención es el concepto de acumular muchos paquetes de energía pequeños, y luego usar la colección de estos paquetes de energía para energizar una carga o cargar una batería. La etapa de acumulación comprende las etapas de colectar un paquete de energía de la celda solar o de una fuente de energía, y luego poner este paquete de energía en un acumulador. Estas etapas de recolectar energía y ponerla en el acumulador se repiten hasta que haya suficiente energía en el acumulador como para energizar una carga o para cargar una batería. Después la energía en el acumulador se usa para energizar la carga o para cargar la batería. Y el ciclo se repite otra vez. Al colectar y acumular pequeños paquetes de energía, lo suficientemente pequeños como para que .por ellos mismos, estos paquetes de energía son prácticamente inútiles y no pueden usarse para nada, la acumulación de estos paquetes de energía pueda formar una cantidad significativa de energía, lo suficientemente alta como para ser útil. Así, el concepto del circuito extractor de energía de la presente invención se adapta muy bien a la idea de un circuito reforzador de voltaje. En circuitos reforzadores de voltaje de CD a CD típicos, la energía se carga a un inductor y luego se descarga a un capacitor en donde la energía es acumulada. Sin embargo, a diferencia del circuito reforzador de voltaje en el que el circuito reforzador conserva la energía, significando que se incrementa el voltaje mientras se mantiene constante el producto de voltaje y corriente; el circuito extractor de energía de la presente invención conserva sólo el trabajo, significando el producto de energía y tiempo. De esta manera el circuito extractor de energía en la presente invención puede incrementar el nivel de energía al costo de tiempo, la presente invención usa la idea de un reforzador de voltaje, pero proporciona un concepto inventivo nuevo y diferente para aprovechar pequeños paquetes de energía y al acumular estos paquetes de energía, los paquetes de energía combinados resultantes pueden usarse. La energía acumulada puede tener voltaje más alto y corriente más alta. De esta manera la presente invención puede comprender un reforzador de voltaje y un reforzador de corriente. La configuración preferida es un reforzador de voltaje, y con un transformador que tenga una alta relación de bobina primaria a bobina secundaria, la corriente también puede ser reforzada a un nivel más alto. Así, incluso a pesar de que la presente invención use el concepto de un reforzador de voltaje, el resultado es muy diferente toda vez que el circuito extractor de energía produce energía en modo de estallido, nivel de energía más alto que el nivel de energía de entrada pero en un tiempo más corto. El circuito reforzador de voltaje ha sido empleado extensamente en el convertidor de CD a CD. Sin capacitores conectados en paralelo son cargados, un voltaje V aparecerá a través de cada capacitor. Si después estos capacitores son re-dispuestos en serie, el voltaje total se incrementará a nV. Una mejor configuración de extractor de energía básico se muestra en la Figura 4 (que emplea la configuración reforzadora de voltaje básica) , el cual comprende un inductor L, un interruptor S, un diodo D y un capacitor acumulador C. El interruptor S es controlado normalmente por un generador de pulsos. El inductor L, el interruptor S y el generador de pulsos constituyen la primera acumulación de energía componente 210 del circuito extractor de energía, y el capacitor C constituye el segundo acumulador componente 220. Si el interruptor S ha sido abierto durante largo tiempo, el voltaje a través del capacitor C es igual al voltaje de entrada. Cuando el interruptor se cierra (fase de carga) , la energía es almacenada en el inductor L y el diodo D evita que el capacitor C sea descargado. Cuando el interruptor se abre (fase de descarga), la energía almacenada en el inductor L es descargada y acumulada en el capacitor C. Si el proceso de abrir y cerrar el interruptor se repite una y otra vez, el voltaje a través del capacitor C se elevará con cada ciclo. Un convertidor de CD en CD normalmente emplea cierta retroalimentación y control para regular el voltaje de salida, pero el extractor de energía podría o no podría requerir de alguna retroalimentación. La principal preocupación del extractor de energía es la acumulación de paquetes de energía y de esta manera el nivel de energía acumulado, el cual podría ser demasiado alto y dar como resultado la ruptura del componente individual. El circuito extractor de energía básico puede tener una variedad de configuraciones tales como el cambio del inductor y el diodo produciendo la topología inversora, o un transformador reforzador de topología de retorno que produzca el refuerzo, invirtiendo y aislando voltaje de salida. La figura 5 muestra la acumulación de energía 230 que comprende una bobina primaria Pri del transformador y un interruptor S controlado por un generador de pulsos, junto ya sea con un acumulador 240 que es la bobina secundaria Sec del transformador o un acumulador 245 que es un capacitor C o ambos. El circuito extractor de energía comprende típicamente un interruptor y un inductor, y en la topología de retorno de transformador, la bobina primaria del transformador es el inductor del circuito extractor de energía. El capacitor o la bobina secundaria del transformador sirve como un acumulador. Al usar una alta relación de bobina primaria a bobina secundaria del transformador, el circuito extractor de energía puede reforzar el nivel de corriente suministrado al acumulador, por ejemplo la bobina secundaria o un capacitor adicional en paralelo con la bobina secundaria. El interruptor en el circuito extractor de energía puede ser un transistor conectado a través de la fuente y drenaje (o emisor/colector) con la compuerta (o base) controlada por un generador de señales de pulso. La figura 6 muestra la acumulación de energía 250 que comprende una bobina primaria Pri del transformador y un interruptor transistor T controlado por un generador de pulsos, junto ya sea con un acumulador 260 que es la bobina secundaria Sec del transformador o un acumulador 265 que es un capacitor C o ambos acumuladores 260 y 265. Las técnicas de control populares incluyen modulación por frecuencia de pulsos, en donde el interruptor es ciclizado a un ciclo de trabajo de 50%; modulación de frecuencia de pulsos limitada por corriente, en donde el ciclo de carga termina cuando una corriente inductora pico predeterminada se alcanza, modulación de ancho de impulsos, en donde la frecuencia del interruptor es constante y el ciclo de trabajo varía con la carga. La figura 7 muestra un circuito ejemplar de una modulación por ancho de impulsos, que emplea un comparador que tiene una señal en diente de sierra y una señal sinusoidal moduladora. La señal de salida del comparador se vuelve alta cuando la onda sinusoidal es más alta que' el diente de sierra. El generador de pulsos también es un componente básico del circuito extractor de energía. Hay varias configuraciones de circuitos para un generador de pulsos . Una configuración de generador de pulsos básico es el circuito temporizador, que emplea un microcircuito tal como el microcircuito temporizador 555, mostrado en la figura 8. Muchos de los cálculos de temporización para los circuitos usando el temporizador 555 se basan en la respuesta de un circuito R-C en serie con una entrada de voltaje escalonado o constante, y una salida exponencial tomada a través del capacitor. Dos modos de operación básicos del temporizador 555 son (1) operación monoestable, en la cual el temporizador se despierta y genera un solo pulso, luego se vuelve a dormir, y (2) operación estable, en la cual el temporizador es atrapado en un ciclo sinfín - genera un pulso, duerme, genera un pulso, duerme, ... y así sucesivamente por siempre. La operación monoestable (un pulso) se puede entender como consistiendo en estos eventos en secuencia (circuito mostrado en la Figura 8B) : 0. (hasta t = 0) Un interruptor cerrado mantiene al C descargado: Vc = 0, Vout es bajo. 1. (en t = 0) Ocurre un evento de activación: Vtrigger cae debajo de Vcontroi/2, muy brevemente. Esto causa que el interruptor se abra. 2. (0<t<t?) Vc(t) se eleva exponencialmente hacia Vcc con constante de tiempo RC. Vout es alto. 3. (en t = ti) Vc alcanza VCOntroi- Esto causa que el interruptor se cierre, lo cual descarga instantáneamente el C. 4. (de t = ti encendido) Un interruptor cerrado mantiene al C descargado: Vc = 0, Vout es bajo. La operación estable (tren de pulsos) mostrada en la figura 8, puede entenderse como consistiendo en estos eventos, iniciando en un punto en donde Vc = VCOntroi/2 : 1. (en t = 0) Vc = Vcontroi/2, y el interruptor se abre. 2. (0<t<t?) Vc(t) se eleva exponencialmente hacia Vcc con constante de tiempo (R?+R2)C. Vou es alto. 3. (en t = ti) Vc alcanza Vcontroi • Esto hace que el interruptor se cierre. 4. (t?<t<t?+t2) Vc(t) cae exponencialmente hacia cero con constante de tiempo R2C. Vout es bajo. 5. (en t = ti + t2=T) Vc alcanza Vcontroi/2. Esto hace que el interruptor se abra. Estas condiciones son las mismas que en la etapa 1, por lo que el ciclo se repite cada T segundos. (Ir a etapa 2). Usando el circuito temporizador 555 de la figura 9, una modalidad de la presente invención se muestra en la figura 10. El circuito usa una topología de retorno de transformador para aislar la salida, también puede proporcionar corriente más alta para cargar el capacitor. El temporizador 555 es particularmente adecuado para el panel solar de 17 V, toda vez que el voltaje nominal del temporizador 555 es entre 4.5 V y 18 V. De esta manera la modalidad de la figura 9 puede operarse a la radiación solar incidente hasta la operación de 4.5 V del panel solar, proporcionando energía que un panel solar normal no puede. Para operación adicional hasta una operación de 0.3 V del panel solar, se requiere un oscilador que opere a un voltaje más bajo. Un oscilador de anillo que pueda operar a no más de 0.4 ó 0.5 V (patente de E.U.A. 5,936,477 de attenhofer et al.) se necesitará para proporcionar el circuito reforzador a bajo nivel de energía. La figura 11 ilustra dos circuitos extractores de energía en cascada 300 y 310 que se conectan en serie para cubrir la escala de voltaje necesaria. La formación en cascada y cortocircuito podrían requerirse además para asegurar una operación adecuada. Componentes adicionales de una energía solar pueden incluirse, por ejemplo un cargador de batería que use un controlador de modulación por ancho de pulsos (PWM) y un circuito de Control de Carga y Protección de Batería de corriente directa (CD) , un inversor para generar voltajes de CA para operar equipo convencional , etc . Durante el uso, las celdas solares pueden ser abiertas por extensión para incrementar su área de recepción de luz para usarse en la carga de un paquete de baterías, y pueden plegarse en una forma compacta para ser almacenadas cuando no estén en uso. Ya que las celdas solares son delgadas, el cubo de celdas solares es relativamente compacto. Las celdas solares pueden hacerse más grandes al incrementar el número de unidades de celda solar de silicio amorfas . Una pluralidad de celdas solares también pueden conectarse eléctricamente por cables u otros conectores. De esta forma, la salida de la celda solar puede cambiarse fácilmente. Por consiguiente, incluso si el requerimiento de voltaje o capacidad de una batería cambia, la salida de carga puede fácilmente revisarse para adaptarse al nuevo requerimiento. La tecnología cargadora de la presente invención también puede ajustar la "Ventana de Carga de Batería" al utilizar técnicas en tecnología de interrupción de suministro de energía por lo que la ventana de carga se localiza más cerca del punto de eficiencia máxima en la curva IV de la celda solar. La energía generada es luego usada ya sea para cargar las baterías de reserva o extender el tiempo descargado mientras las baterías están en carga completa y bajo carga. La presente invención es también particularmente adecuada para celdas solares de bajo costo toda vez que estas celdas solares tienden a producir menos energía y no son tan eficientes como las de alto costo. Celdas solares flexibles y celdas solares de plástico son ejemplos de celdas solares de bajo costo que pueden beneficiarse del circuito de extracción de energía de la presente invención. El circuito está diseñado para cada tecnología de baterías, incluyendo baterías de níquel cadmio (Ni-CD) , baterías de iones de litio, baterías de plomo ácido, entre otras. Por ejemplo, las baterías de Ni-CD tienen que ser descargadas antes de que ocurra la carga. Será aparente para aquellos expertos en la técnica que pueden hacerse muchas modificaciones y variaciones a la presente invención sin alejarse del espíritu o alcance de la misma. Así, se intenta que la presente invención cubra las modificaciones y variaciones de la misma siempre y cuando estén dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y sus equivalentes . Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (39)

  1. REIVINDICACIONES
  2. Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un circuito de extracción de energía para extraer energía de una fuente de energía durante el periodo de capacidad de energía no adecuado para energizar una carga o para cargar una batería, el circuito se caracteriza porque comprende un acumulador eléctrico y un circuito de acumulación de energía conectado entre la fuente de energía y el acumulador para cargar el acumulador hasta por lo menos una energía operable por carga o cargable por batería, en donde la energía eléctrica en el acumulador puede ser usada para energizar una carga o para cargar una batería. 2. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía recibe energía de la fuente de energía, y es capaz de operar incluso cuando el nivel de energía, voltaje o corriente de la fuente de energía caiga sustancialmente debajo de su valor nominal.
  3. 3. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porgue el circuito de acumulación de energía comprende un circuito reforzador de voltaje.
  4. 4. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el '5 circuito de acumulación de energía comprende un circuito reforzador de corriente.
  5. 5. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende una combinación 0 de circuito reforzador de voltaje y reforzador de voltaje.
  6. 6. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía es controlado por un generador de señales de pulso que tiene una frecuencia 5 predeterminada suministrada por un oscilador.
  7. 7. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende un inductor y un circuito interruptor operado por un generador de señales de 0 pulso.
  8. 8. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende una bobina primaria de un transformador y un circuito interruptor operado 5 por un generador de señales de pulso.
  9. 9. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el circuito interruptor comprende un transistor de interrupción cuya trayectoria de drenaje de fuente está conectada entre la fuente de energía y el transformador y cuya compuerta está conectada a la salida de un generador de señales de pulso.
  10. 10. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el acumulador comprende una bobina secundaria de un transformador.
  11. 11. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el acumulador comprende un capacitor.
  12. 12. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el generador de señales de pulso es un oscilador de anillo.
  13. 13. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el generador de señales de pulso es un temporizador estable.
  14. 14. El circuito de extracción de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el generador de señales de pulso comprende un circuito temporizador RC.
  15. 15. Un circuito de extracción de energía solar para extraer energía de una fuente de energía solar para energizar una carga o para cargar una batería durante el periodo de baja radiación solar incidente no adecuado para energizar la carga o para cargar la batería, el circuito se caracteriza porque comprende un acumulador eléctrico y un circuito de acumulación de energía conectado entre la fuente de energía solar y el acumulador para cargar el acumulador hasta por lo menos una energía operable por carga o cargable por batería, en donde la energía eléctrica en el acumulador puede ser usada para energizar una carga o para cargar una batería.
  16. 16. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía recibe energía de la fuente de energía solar, y es capaz de operar incluso cuando el nivel de energía, voltaje o corriente de la fuente de energía solar caiga sustancialmente debajo de su valor nominal.
  17. 17. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende un circuito reforzador de voltaje.
  18. 18. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende un circuito reforzador de corriente.
  19. 19. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende una combinación de circuito reforzador de voltaje y reforzador de voltaje.
  20. 20. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la fuente de energía solar es operada por conversión fotovoltaica.
  21. 21. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía es controlado por un generador . de señales de pulso que tiene una frecuencia predeterminada suministrada por un oscilador.
  22. 22. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende un inductor y un circuito interruptor operado por un generador de señales de pulso.
  23. 23. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende una bobina primaria de un transformador y un circuito interruptor operado por un generador de señales de pulso.
  24. 24. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende una bobina primaria de un transformador, un circuito interruptor operado por un generador de señales de pulso y un diodo.
  25. 25. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el circuito interruptor comprende un transistor de interrupción cuya trayectoria de drenaje de fuente está conectada entre la fuente de energía y el transformador y cuya compuerta está conectada a la salida de un generador de señales de pulso.
  26. 26. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el acumulador comprende una bobina secundaria de un transformador .
  27. 27. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el acumulador comprende un capacitor.
  28. 28. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el generador de señales de pulso es un oscilador de anillo.
  29. 29. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el generador de señales de pulso es un temporizador estable.
  30. 30. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el generador de señales de pulso comprende un circuito temporizador RC.
  31. 31. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la técnica de control de acumulación de energía comprende modulación de frecuencia por pulsos .
  32. 32. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la técnica de control de acumulación de energía comprende modulación de ancho por pulsos .
  33. 33. El circuito de extracción de energía solar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito de acumulación de energía comprende la conexión en serie de un transformador y un circuito interruptor.
  34. 34. Un método para mejorar la eficiencia de una fuente de energía mediante la extracción de energía de la fuente de energía durante el periodo de capacidad de energía no adecuado para energizar una carga, el método se caracteriza porque comprende acumular energía de la fuente de energía al colectar un paquete de energía de la fuente de energía, poner el paquete de energía en un acumulador y repetir la colección de paquetes de energía hasta que el acumulador tenga energía adecuada para energizar una carga y usar la energía acumulada para energizar una carga.
  35. 35. El método de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque la acumulación de energía se logra mediante conversión de refuerzo de voltaje de CD en CD.
  36. 36. El método de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque la fuente de energía es una disposición de celdas solares.
  37. 37. El método de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque la fuente de energía es una disposición de celdas solares y el periodo de capacidad de energía no adecuado para energizar una carga o cargar un elemento de almacenamiento de la disposición de celdas solares es cuando no hay radiación solar incidente adecuada para la disposición de celdas solares.
  38. 38. El método de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque una carga comprende una batería con energización de la carga que comprende cargar la batería.
  39. 39. El método de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque se repiten las etapas anteriores.
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