ES2536603B1

ES2536603B1 - Sistema de control dinámico de supercondensadores con optimización de la carga y la descarga.

Info

Publication number: ES2536603B1
Application number: ES201331565A
Authority: ES
Inventors: Antonio CALO LOPEZ; Ayalid Mirlydeth VILLAMARIN VILLEGAS; Hugo Jose Rodriguez San Segundo
Original assignee: ATON ENERGY SOLUTIONS S L; ATON ENERGY SOLUTIONS SL
Current assignee: ATON ENERGY SOLUTIONS S L; ATON ENERGY SOLUTIONS SL
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2033-10-24
Also published as: WO2015059329A1; ES2536603A1

Abstract

Se presenta un sistema de control dinámico para optimizar el tiempo en el que una serie de módulos de supercondensadores es capaz de ofrecer una determinada energía. Para ello, se realiza una gestión dinámica de la carga de dichos módulos, así como su descarga. Ambas gestiones, aunque se controlen desde un mismo dispositivo, han de estar separadas, de forma que no siempre estén cargando y descargando los mismos módulos de supercondensadores a la vez. Así, siempre hay módulos en carga, y se prolonga el tiempo disponible para descarga. Por otro lado, mientras que la descarga se realiza a intensidad constante, la carga se realiza a potencia constante. De este modo, se aprovecha la propiedad conocida de que los supercondensadores cargan más deprisa a potencia constante que a intensidad constante. Uno de los resultados más interesantes es que el sistema puede ofrecer potencias de salida mucho más elevadas que la potencia de carga, durante el tiempo relativamente prolongado que el sistema ha optimizado. Por tanto, dicho sistema se convierte en un eficaz absorbedor de picos de potencia. Esta aplicación es conocida, pero, a diferencia de un simple supercondensador, la presente invención lo hará durante un tiempo prolongado. Las aplicaciones son inmediatas: al absorber picos de potencia de consumo, se puede reducir, por ejemplo, la potencia contratada en una vivienda, o la potencia fotovoltaica o eólica de un sistema de autoconsumo, tanto inyectado a red como aislado. También es un sistema interesante para aplicar a vehículos eléctricos con módulos fotovoltaicos, pudiendo reducir la potencia requerida de las baterías, y por tanto el tamaño de las mismas, además de alargar su vida útil. Los ascensores, que requieren de picos de potencia elevados durante ciertos periodos de tiempo, son también una aplicación inmediata.

Description

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DESCRIPCION

Sistema de control dinamico de supercondensadores con optimization de la carga y la descarga.

Sector de la tecnica

La invention se encuadra en el sector tecnico de electronica, mas concretamente en el relativo a la gestion de sistemas de almacenamiento y gestion energetica de supercondensadores.

Estado de la tecnica

Desde que en la decada de los 50 del siglo pasado se inventaron los supercondensadores, destacan sus ventajas como acumuladores de energla de gran capacidad. Ademas, su carga es mucho mas rapida que la de otros sistemas de almacenamiento. Lo mismo se puede decir de su descarga, la cual, al contrario que otros acumuladores, puede realizarse hasta casi el vaclo completo. Su vida util tambien es una ventaja, puesto que presentan millones de ciclos, frente a los cientos o pocos miles de ciclos que pueden prestar las baterlas convencionales.

Sin embargo, no es hasta hace dos decadas cuando se produce su desarrollo comercial a gran escala. Ello fue debido al avance de la tecnologla que permitio la reduction de la resistencia interna. Desde entonces, es muy numeroso el numero de patentes que tienen que ver con este tipo de dispositivos y sus aplicaciones.

El uso de supercondensadores se ha extendido especialmente all! donde es necesario un aporte intenso de energla en un breve periodo de tiempo, tal como motores de arranque (por ejemplo en vehlculos electricos, donde tambien la rapida carga es de utilidad en frenadas), o absorcion de breves picos de potencia en consumos de redes electricas.

En lo que concierne a la utilidad para la presente invencion, ha sido intenso el esfuerzo investigador.

Por ejemplo, respecto a disenar elementos de control que permitan aumentar la vida util de los supercondensadores evitando sobretensiones y aplicando controles a varios modulos de supercondensadores, son interesantes las patentes realizadas por X. Maynard et al. (US 2013/0093400 A1), o E. Cegnar et al. (US 2009/0315484 A1). En ambas, y segun las tensiones de los distintos modulos, el centro de control decide que modulo o modulos de condensadores se cargan en determinado momento y cuales se descargan. Mientras que Maynard se centra en la protection contra sobretensiones, en el caso de la patente de Cegnar et al., el sistema se aplica a activar luminarias LED de forma continua.

Otras patentes muy utiles son por ejemplo la US 2005/0041370 A1 de M. Wilk et al., o la US 2013/0082520 A1 de F. Leeman et al. En ambas se describen distintos metodos de empaquetar e interconectar supercapacitadores de forma muy compacta, reduciendo as! el espacio que el acumulador necesita.

Son tambien de especial relevancia los inventos que utilizan supercondensadores como complemento de otros acumuladores, como baterlas o incluso sistemas hldricos. En estos sistemas, los supercondensadores permiten descargas instantaneas muy potentes, dejando las descargas mas uniformes y prolongadas en el tiempo para los otros sistemas

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de acumulacion. Ejemplos de inventos en este sentido son WO 2006/059016 A1 de J. Siaudeau, WO 2008/050031 A3 de E. Condemine, ES201100429 de E. Dominguez Amarillo, o US 2012/0025614 A1 de P. Taimela et al. Es util la aplicacion de esta combination, por ejemplo, en sistemas de aporte ininterrumpido de potencia (uninterrupted power supply, o UPS).

Por ultimo, tambien existen inventos que aplican parte de lo anterior a utilidades especlficas, tales como repartir potencia a distintos electrodomesticos de cocina (WO 2012/140399 A2), o senales de carretera impulsadas por modulos solares fotovoltaicos (US 2009/0211133 A1).

Explicacion de la invencion

El estudio de estado del arte permite observar que ningun invento conocido intenta prolongar el tiempo en el que una serie de modulos de supercondensadores puede ofrecer una determinada potencia.

La presente invention es un sistema (1) de control dinamico de supercondensadores que precisamente busca optimizar el tiempo de carga y descarga, prolongando este ultimo. Utiliza muchos de los inventos mencionados anteriormente y los combina para alcanzar ese objetivo. Se tendra un numero n de modulos de supercondensadores (2) (nombrados "a” a "n” en la Figura 1), cada uno de los cuales estara formado por varios supercondensadores unitarios conectados en serie. La conexion entre modulos de supercondensadores (2) es flexible mediante reles u otra forma de interconexion, de forma que se puedan conectar varios de ellos en serie y/o en paralelo, segun se decida. Esta decision la tomara un sistema de control (3) como los relatados en las invenciones del apartado anterior.

Para tomar la decision, el sistema (3) recopilara datos tanto de la fuente de potencia (que pueden ser modulos solares fotovoltaicos (4), molinos eolicos (5), la red electrica (6) o cualquier otra fuente de potencia), como de la carga asociada al circuito (7) (por ejemplo, los distintos consumos de una vivienda). En funcion de los datos de carga y descarga, conectara en serie y/o paralelo los modulos de supercondensadores (2). Es importante destacar que la carga desde la fuente (4 a 6) se realiza de manera separada de la descarga hacia el consumo (7). Ello quiere decir que si, por ejemplo, la vivienda (7) esta consumiendo de los modulos "b” y "c”, la carga a partir de la fuente (4 a 6) se podra realizar en otros modulos, por ejemplo el "a” y el "n”, o parcialmente en los mismos "b” y "c”. El numero de modulos (2) que se carga o se descarga a la vez es variable y estara determinado por el sistema de control (3), que decidira en funcion de los datos recibidos. Asimismo, la configuration del sistema (1) es tambien variable, por ejemplo en cuanto al numero total n de modulos de supercondensadores, pudiendo aumentar o disminuir en funcion de la aplicacion final.

Como resultado, se tiene siempre cargado un numero calculado de modulos de supercondensadores (2), de tal forma que la descarga, que se puede producir con varios modulos (2) en serie y/o en paralelo, se prolonga en el tiempo. Dicho tiempo sera optimizado por el sistema de control (3) segun los datos recibidos en cada momento. El optimo dependera de la potencia de entrada, y de la intensidad de salida.

Por otro lado, se realiza la entrada al sistema (1) a potencia constante, mientras que la salida es a intensidad constante. De este modo, la carga de los modulos de supercondensadores (2) sera mas rapida que la descarga, puesto que el voltaje de entrada siempre sera el maximo posible (en la salida vendra determinado siempre por la

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intensidad). Este metodo ayuda a la optimization del tiempo de descarga que realiza el sistema de control (3).

El resultado del sistema de control dinamico es un tiempo optimizado, prolongado, de la descarga de los modulos de supercondensadores (2). Ello implica extender en el tiempo las ventajas de los supercondensadores, es decir, lograr suministrar elevadas potencias durante un tiempo mas prolongado, cuyo optimo dependera de la configuration del sistema de control dinamico (1).

Description de los dibujos

Figura 1. Sistema de control dinamico (1) formado por varios modulos de supercondensadores (2) y un sistema de control (3) de los mismos, que gestiona la carga desde una fuente (4 a 6) y la descarga en cualquier dispositivo (7).

Figura 2. Curva de consumo de una vivienda tipo en un dla tlpico. La potencia contratada “c” debera coincidir con el maximo de potencia consumida si se desea cubrir todo el consumo. Sin embargo, utilizando el sistema de control dinamico (1), la potencia contratada puede bajar a “b” o incluso a “a”.

Figura 3. Modo de realization de la invention, preferente pero no exclusivo, en el que una instalacion renovable fotovoltaica (4) y/o eolica (5) inyecta al sistema de control dinamico (1), que esta conectado a un inversor de corriente (8). Este tambien esta conectado a la red electrica (6), y al dispositivo de descarga (7).

Figura 4. Modo de realization de la invention, preferente pero no exclusivo, en el que una instalacion renovable fotovoltaica (4) y/o eolica (5) inyecta al sistema de control dinamico (1) y a un acumulador (10) a traves de un regulador de carga (9). Ambos, sistema (1) y acumulador (10), estan conectados a un inversor de corriente (8) que descarga en el dispositivo (7).

Figura 5. Curva tlpica de consumo de un ascensor. El par se corresponde con la corriente y en cada caso los valores son distintos dependiendo del contrapesado, el peso de cabina y la carga que hay en la cabina. IME es la corriente que se mantiene en regimen nominal. IM1L es un pico instantaneo. IMAE1 y IMAE2 son las corrientes en el primer y segundo Jerk. Tlpicamente se toma IMAE1 para dimensionar los convertidores de frecuencia porque la corriente al final del primer Jerk se mantiene practicamente durante todo el proceso de aceleracion. Este proceso varla en funcion de como este parametrizado el ascensor pero suele durar entre 1 y 2 segundos.

Modos de realization de la invention

Una de las aplicaciones del sistema (1), preferente pero no exclusiva, es la reduction de potencia electrica contratada. Por ejemplo, en una vivienda tipo, un consumo tlpico de potencia es el representado en la Figura 2. La potencia contratada debe ser siempre la maxima que se espera consumir en cualquier determinado momento. Ello implica que la vivienda de la Figura 2 debera contratar la potencia “c” para cubrir su maximo de potencia. Sin embargo, se observa que esa potencia solamente se necesita durante un intervalo muy pequeno de tiempo. De hecho, los maximos picos de potencia, muy por encima de los mlnimos, siempre se dan en intervalos de minutos, como mucho de una hora.

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Por todo lo anterior, el sistema (1) se puede disenar de forma tal que el tiempo de descarga cubra los picos de potencia en tiempos tales que permita reducir la potencia contratada a un nivel “b”, o incluso a un nivel "a” (ver Figura 2). Durante los intervalos en los que el sistema (1) no esta funcionando (la mayor parte del tiempo) se carga con la fuente (4 a 6), y solamente funcionara en los intervalos de tiempo limitados en que se den los picos de potencia.

Este mismo concepto es aplicable a otros sectores mas industriales, como por ejemplo el de los ascensores o escaleras mecanicas. Estos necesitan su potencia maxima solo durante determinados momentos, especialmente en el arranque. La Figura 5 representa la curva de consumo de un ascensor tlpico. La corriente nominal IME es la corriente que utilizara el ascensor tan solo unos segundos despues del arranque. Se observa que el valor de esta corriente es mucho menor, incluso la mitad, de las corrientes utilizadas para el arranque. Por ello, se puede utilizar el sistema (1) para, por un lado, reducir la potencia contratada necesaria para un sector tradicionalmente con elevados consumos energeticos; y, por otro lado, tambien se podrla conectar el ascensor o escalera mecanica a una fuente de potencia (4 a 6) acoplada a un sistema (1), de tal forma dichos picos de potencia se aporten mediante este sistema y pueda servir ademas como sistema de emergencia alternativo, en caso de corte de suministro electrico.

En el mismo sentido, otro modo de realization, tambien preferente pero no exclusivo, es la reduction de potencia fotovoltaica o eolica de un sistema de autoconsumo inyectado a la red, tal y como se representa en la Figura 3. En dicho sistema, la fuente renovable 4 y/o 5 inyecta directamente al sistema de control dinamico (1), cargando los modulos de supercondensadores. El sistema (1) se conecta a un inversor de corriente (8), tambien conectado a la red electrica (6), y finalmente a la carga final (7), por ejemplo la vivienda. El numero de modulos fotovoltaicos (4) y/o molinos eolicos (5) se reduce, ya que los picos de potencia son absorbidos por el sistema de control dinamico (1).

Otro modo de realizacion no exclusivo es la aplicacion a un sistema fotovoltaico y/o eolico aislado, como el representado en la Figura 4. Es aplicable, por ejemplo, tanto a una vivienda aislada de la red, como a un coche electrico. En dicho sistema, la fuente (4 y/o 5) inyecta tanto directamente al acumulador (10) a traves de un regulador (9), como al sistema de control dinamico (1). Ambos, acumulador (10) y sistema (1) se conectan a un inversor de corriente (8), que a su vez descarga en, por ejemplo, la vivienda (7). Tambien en este caso se ve reducido el parque fotovoltaico y/o eolico necesario, ya que los picos de potencia durante un tiempo prolongado optimizado son absorbidos mediante el sistema de control dinamico (1).

Claims

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ES 2 536 603 A1

REIVINDICACIONES

1. Sistema de control dinamico de supercondensadores con optimization de la carga y la descarga (1) caracterizado por estar compuesto por un numero variable de modulos de supercondensadores (2), dichos modulos compuestos por un numero tambien variable de supercondensadores conectados en serie entre si, y por un sistema de control (3), que permite que la carga de los modulos (2) se pueda realizar de forma separada o conjunta de la descarga, asl como la conexion de los mismos en serie o paralelo segun se necesite potencia de salida, y segun se estime la necesidad de carga, prolongando de este modo el tiempo de descarga hasta alcanzar un optimo, teniendo siempre modulos en carga, y realizando la carga a potencia constante y la descarga a intensidad constante.
2. Sistema de control dinamico de supercondensadores con optimizacion de la carga y la descarga (1) segun reivindicacion 1, caracterizado por que cuando se aplica para reducir la potencia electrica contratada en un suministro electrico, en edificaciones o en sistemas de ascensores o escaleras mecanicas, absorbe picos de potencia durante el tiempo optimizado; asl como tambien aplicarse en ascensores o escaleras mecanicas de tal forma que dichos picos de potencia se aporten mediante este sistema (1), acoplado a una fuente de potencia (4 a 6) haciendolo funcionar de forma autonoma y pueda servir ademas como sistema de emergencia alternativo, en caso de corte de suministro electrico.
3. Sistema de control dinamico de supercondensadores con optimizacion de la carga y la descarga (1) segun reivindicacion 1, caracterizado por que cuando se aplica para reducir la potencia fotovoltaica o eolica de un sistema de autoconsumo conectado a red, absorbe picos de potencia durante el tiempo maximo de descarga.
4. Sistema de control dinamico de supercondensadores con optimizacion de la carga y la descarga (1) segun reivindicacion 1, caracterizado por que cuando se aplica para reducir la potencia fotovoltaica o eolica, asl como la capacidad de acumulacion, de un sistema de autoconsumo aislado, absorbe picos de potencia durante el tiempo maximo de descarga.