ES2314404T3 - Grupo de maquinas de una instalacion de almacenamiento de energia. - Google Patents
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Abstract
Grupo de máquinas de una instalación de almacenamiento de energía (1), constituido por varios árboles (10, 11, 12) unidos entre sí por medio de acoplamientos mecánicos (13, 14) conmutables, siendo un árbol, el árbol (10) de una máquina eléctrica giratoria (5), preferentemente un motor o un generador, en un segundo árbol (11) está montada una máquina motriz, preferentemente una turbina, y en un tercer árbol (12) está dispuesta una máquina de trabajo (7), preferentemente una bomba o turbina-bomba, estando el árbol (10) de la máquina eléctrica giratoria (5) unido al árbol (11) de una máquina motriz (6) por medio de un primer acoplamiento mecánico conmutable (13) y el árbol (11) de una máquina motriz (6) está unido al árbol (12) de una máquina de trabajo (7) por medio de un segundo acoplamiento mecánico conmutable (14), caracterizado porque el árbol (11) de la máquina motriz (6) está previsto como árbol de sincronización, cuyo número de revoluciones es ajustable a discreción por la máquina motriz dispuesta sobre él entre cero y el número de revoluciones de la máquina eléctrica giratoria (5).
Description
Grupo de máquinas de una instalación de
almacenamiento de energía.
La presente invención se refiere a un grupo de
máquinas de una instalación de almacenamiento de energía,
constituido por varios árboles unidos entre sí por medio de
acoplamientos mecánicos conmutables, siendo un árbol, el árbol de
una máquina eléctrica giratoria, preferentemente un motor o
generador, y en un segundo árbol está dispuesta una máquina motriz,
preferentemente una turbina, y en un tercer árbol está dispuesta una
máquina de trabajo, preferentemente una bomba o
turbina-bomba.
Los grupos de máquinas de una instalación de
almacenamiento de energía están constituidos por regla general por
una máquina eléctrica, que es accionada como motor o como generador
y que está unida a una turbina o a una bomba. Tales instalaciones
son conocidas, por ejemplo, por el documento DE 21 48 682 o el DE 24
38 034. En estas instalaciones el generador/motor está dispuesto
entre una turbina y una bomba y el árbol del generador/motor está
unido, respectivamente, por medio de un acoplamiento mecánico
conmutable al árbol de la turbina o de la bomba. En estas
instalaciones, no obstante, en la conmutación del funcionamiento de
bomba a turbina o viceversa, el generador/motor es desconectado de
la red, esto es, frenado por completo y acelerado de nuevo, con lo
que un proceso de conmutación dura un tiempo relativamente
largo.
Otras disposiciones conocidas de tal grupo de
máquinas emplean un transformador de momento de giro hidráulico o
un transformador sincronizador para la conmutación entre los tipos
de funcionamiento individuales. Con ello, el generador/motor puede
permanecer en la red y seguir girando con el número de revoluciones
de sincronización; tales transformadores hidráulicos tienen, sin
embargo, otros inconvenientes graves. Son caros y precisan un
espacio de construcción relativamente grande, sobre todo en
dirección radial, necesitan tuberías de admisión y descarga para el
abastecimiento de agua del transformador y deben ser enfriados en
determinados estados de funcionamiento. Además, en tales
transformadores hidráulicos en estado vacío se producen pérdidas por
ventilación, son necesarios trabajos de mantenimiento frecuentes y
presentan altos costes de funcionamiento. Además, en tales
transformadores hidráulicos se pro-
ducen, sobre todo en el llenado del transformador, cargas de ruido de un nivel de intensidad acústica de 100 dB o más.
ducen, sobre todo en el llenado del transformador, cargas de ruido de un nivel de intensidad acústica de 100 dB o más.
La presente invención se propone, por tanto, el
objeto de proporcionar un grupo de máquinas de una instalación de
almacenamiento de energía que posibilite procesos de conmutación
entre los tipos de funcionamiento individuales sin tener que
desconectar la máquina eléctrica de la red, que requiera costes de
inversión y funcionamiento bajos, que haga posible un montaje y un
control fáciles, que ocupe un espacio de construcción pequeño, en
particular en dirección radial, y que sea poco ruidoso en el
funcionamiento.
Este objeto se lleva a cabo según la invención,
de manera que en un extremo del árbol de una máquina eléctrica
giratoria está dispuesta una primera parte de un primer acoplamiento
mecánico conmutable, en un extremo de un árbol de la máquina de
trabajo está dispuesta una primera parte de un segundo acoplamiento
mecánico conmutable y entre el árbol de la máquina eléctrica
giratoria y el árbol de la máquina de trabajo está dispuesto como
árbol de sincronización, el árbol de la máquina motriz, estando
dispuesta en cada extremo de este árbol de sincronización una
segunda parte de un acoplamiento mecánico conmutable. Por la
disposición del árbol de sincronización con turbina entre la
máquina eléctrica y la bomba, estando dispuesto entre la bomba y la
turbina, así como entre la turbina y el generador/motor,
respectivamente, un acoplamiento mecánico conmutable, es posible
utilizar el árbol de sincronización por la turbina, para la
sincronización de la bomba con la máquina eléctrica, para la
sincronización de la turbina con la máquina eléctrica, así como en
el funcionamiento normal de la turbina.
Por la disposición según la invención del árbol
de sincronización pueden ser empleados acoplamientos mecánicos
conmutables estándar, disponibles, baratos y se puede prescindir de
un transformador de momento de giro hidráulico. Además, la
disposición según la invención del árbol de sincronización
posibilita procesos de conmutación entre los tipos de
funcionamiento individuales, sin que la máquina eléctrica tenga que
ser desconectada de la red. Los acoplamientos mecánicos presentan
así un menor tamaño de construcción en comparación con los
transformadores hidráulicos, requieren gastos de mantenimiento y
costes de funcionamiento bajos, se pueden controlar fácilmente y
son muy poco ruidosos en el funcionamiento.
Otras ventajas de las formas de realización
particulares de la invención resultan de las reivindicaciones
subordinadas.
La invención se describe a continuación en
virtud de las figuras 1 y 2 a modo de ejemplo y sin limitación, y
muestran:
Fig. 1, una representación esquemática de una
instalación de almacenamiento de energía, y
Fig. 2, una representación esquemática de un
grupo de máquinas según la invención.
La instalación de almacenamiento de energía 1
representada en la Fig. 1 está formada esencialmente por un
depósito de agua superior 2 y un depósito de agua inferior 3, entre
los que está dispuesto el grupo de máquinas 4. Para la generación
de energía es dirigida agua desde el depósito de agua superior 2 a
través de una turbina 6 del grupo de máquinas 4, que es accionada
con un generador 5 unido a la red eléctrica de abastecimiento 9, a
un depósito de agua inferior 3. En los tiempos en los que existe
menos consumo de corriente, por ejemplo por la noche, es bombeada
agua desde el depósito de agua inferior 3 a través de una bomba 7,
que ahora es accionada por el generador 5 en el funcionamiento de
motor, al depósito de agua superior 2. Tal instalación de
almacenamiento de energía 1 y las posibilidades para la disposición
de tuberías 8, esto es, tuberías de admisión y evacuación, de una
instalación de almacenamiento de energía 1 son suficientemente
conocidas y por tanto no se abordarán en detalle.
La turbina 6 puede ser una turbina discrecional,
por ejemplo de tipo Pelton o Francis. También la bomba 7 puede ser
una bomba discrecional adecuada unifásica o multifásica. Igualmente
la bomba 7 podría ser realizada también como
turbina-bomba pero sin embargo aquí sólo es usada
como bomba.
La Fig. 2 muestra un grupo de máquinas 4 según
la invención de una instalación de almacenamiento de energía 1
constituido por un generador/motor 5 eléctrico (máquina eléctrica
giratoria), una turbina 6 (máquina motriz) y una bomba 7 (máquina
de trabajo), y está indicada también una bomba multifásica.
En un extremo del eje 10 del generador/motor
está dispuesta una primera parte 13a de un primer acoplamiento
mecánico conmutable 13. En un extremo del árbol 12 de la bomba está
dispuesto el rodete de la bomba o el rodete de la
turbina-bomba y en el otro extremo, una primera
parte 14a de un segundo acoplamiento mecánico 14 conmutable. La
turbina 6 está dispuesta solidaria en rotación sobre un eje de
sincronización 11, que está dispuesto entre el eje 10 del
generador/motor y el eje 12 de la bomba, y en su otro extremo está
dispuesta una segunda parte 13b del primer acoplamiento 13 y en el
segundo extremo, una segunda parte 14b del segundo acoplamiento 14.
Las partes individuales 13a, 13b y 14a, 14b constituyen,
respectivamente, un acoplamiento 13 y 14. La línea de árboles del
grupo de máquinas 4 está así formada por el árbol 10 del
generador/motor -el árbol de sincronización 11-el
árbol de bomba 12, que están unidos entre sí por, respectivamente,
un acoplamiento mecánico conmutable 13, 14. Como acoplamientos 13,
14 son adecuados acoplamientos de dientes, acoplamientos de fricción
(por ejemplo, acoplamientos de láminas) o también incluso
acoplamientos que se autosincronicen y se autoconmuten, también
llamados acoplamientos de adelantamiento. Los procesos de
conmutación pueden así ser llevados a cabo por dispositivos de
conmutación suficientemente conocidos; los acoplamientos podrían, no
obstante, también ser realizados autoconmutables, siendo activado
el proceso de conmutación por ejemplo por un momento de giro
diferencial en los dos árboles, como por ejemplo en caso de un
acoplamiento de adelantamiento. Este momento de giro diferencial
podría, como está descrito arriba, ser ajustado a través de la
turbina 6, por ejemplo.
Por la turbina 6, el árbol de sincronización 11
puede ser ajustado por medios suficientemente conocidos, como por
ejemplo los álabes directores en el caso de turbinas de Francis o de
toberas de aguja en el caso de turbinas Pelton, a un número de
revoluciones discrecional y bajo carga también a un momento de giro
discrecional. El número de revoluciones es ajustado así según la
necesidad entre cero y un número de revoluciones predeterminado por
el generador/motor 5, por ejemplo el número de revoluciones de
sincronización de la máquina eléctrica 5 dependiendo de la red
eléctrica de abastecimiento 9 unida al generador/motor 5. El momento
de giro puede ser ajustado igualmente de modo discrecional entre un
momento de giro mínimo, preferentemente nulo, o también incluso más
bajo (es decir, un momento de frenado), y un momento de giro máximo,
preferentemente el momento nominal del generador/motor 1, que
resulta de la potencia nominal en el caso del número de revoluciones
nominal. Para generar un momento de frenado puede estar previsto
también un dispositivo de frenado adicional en el árbol de
sincronización 11, por ejemplo un freno de disco, o en la propia
turbina 6, por ejemplo una tobera de frenado. Pero para la
generación de un momento de giro naturalmente debe ajustarse al
árbol de sincronización 11 una carga, por ejemplo la bomba 7. En
caso de que el árbol de sincronización 11 gire libremente, esto es,
ambos acoplamientos 13, 14 estén desacoplados, el momento de giro en
el árbol de sincronización 11 sería nulo y sólo puede ser ajustado
un número de revoluciones.
Por este árbol de sincronización 11 es posible
ahora conmutar entre todos los tipos de funcionamiento del grupo de
máquinas 4 (generador/motor 5, turbina 6 y bomba 7) de una
instalación de almacenamiento de energía 1, sin que el
generador/motor 5 varíe su número de revoluciones. Es decir, las
conmutaciones entre los diferentes tipos de funcionamiento pueden
ser realizadas, mientras que el generador/motor 5 se encuentra en la
red eléctrica 9 de abastecimiento o gira con el número de
revoluciones de sincronización. Esto obliga naturalmente a que la
dirección de giro del generador/motor 5 en los diferentes tipos de
funcionamiento no varíe. Como tipos de funcionamiento posibles se
pueden mencionar: de turbina, de bomba, de desplazamiento de fase,
de cortocircuito hidráulico o de ciclos de bombeo que son descritos
en lo siguiente a modo de ejemplo.
En caso de conmutación de funcionamiento de
turbina a funcionamiento de bomba, el acoplamiento 13 entre el
generador/motor 5 y la turbina 6 es desacoplado y el generador/motor
es cambiado de funcionamiento de generador a motor, sin que el
generador/motor 5 deba ser desconectado de la red 9. La turbina 6 es
retardada a cero o eventualmente al mismo número de revoluciones
con el que marcha la bomba 7, con lo que el acoplamiento 14 entre
la turbina 6 y la bomba 7 puede ser acoplado o se acopla
automáticamente. La turbina 6 es ahora puesta en marcha de nuevo y
la bomba 7 acelerada por la turbina 6 al número de revoluciones del
generador/motor 5, preferentemente el número de revoluciones de
sincronización. Tras alcanzar este número de revoluciones, y
eventualmente tras el ajuste de un número de revoluciones
determinado, el acoplamiento 13 entre el generador/motor 5 y la
turbina 6 puede ser acoplado o se acopla automáticamente, con lo que
la bomba 7 ahora es accionada por el motor 5. Con ello puede ser
ajustado el abastecimiento de agua a presión de la turbina 6 y es
bombeada agua desde el depósito de agua inferior 3 hacia el
depósito de agua superior 2.
En la conmutación de funcionamiento de bomba al
funcionamiento de turbina, el acoplamiento 14 entre la turbina 6 y
la bomba 7 puede ser desacoplado y con ello la bomba 7 ser
desacoplada del resto de la línea de árboles. O el acoplamiento 13
entre el generador/motor 5 y la turbina 6 podría ser desacoplado en
primer lugar, ser retardadas la turbina 6 y la bomba 7 a un número
de revoluciones nulo, el acoplamiento 14 entre la turbina 6 y la
bomba 7 durante el retardo o al número de revoluciones nulo ser
desacoplado y, a continuación, la turbina ser llevada de nuevo al
número de revoluciones de la máquina eléctrica 5, pudiendo la
turbina 6 ser unida de nuevo a la máquina eléctrica 5, que para
ello es conmutada simultáneamente de nuevo al funcionamiento de
generador.
También en primer lugar podría ser abierta la
alimentación de agua hacia la turbina 6, de manera que la turbina 6
accione la bomba 7 y el motor no extraiga energía de la red 9. A
continuación, el acoplamiento 14 entre la turbina 6 y la bomba 7
podría ser desacoplado y la máquina eléctrica 5 conmutada al
funcionamiento de generador. El funcionamiento simultáneo de bomba
7 y turbina 6 se denomina también cortocircuito hidráulico y se
describirá con mayor precisión más adelante.
\vskip1.000000\baselineskip
En este tipo de funcionamiento el
generador/motor 5 marcha libre, el acoplamiento 13 entre el
generador/motor 5 y la turbina 6 está también desacoplado. Este
funcionamiento es empleado de forma conocida para influir en la
posición de fase de la red eléctrica de abastecimiento 9. Si después
debe ser conmutado al tipo de funcionamiento de bomba o turbina,
entonces el árbol de sincronización 11 descrito antes, eventualmente
junto con el árbol 12 de bomba, es llevado en primer lugar al
número de revoluciones de la máquina eléctrica 5, y eventualmente
también a un momento de giro determinado para el acoplamiento, y a
continuación es acoplado de nuevo el acoplamiento 13 entre el
generador/motor 5.
\vskip1.000000\baselineskip
Esencialmente es posible también un
funcionamiento en el que estén en funcionamiento tanto la bomba 7
como la turbina 6, tal funcionamiento se designa como cortocircuito
hidráulico. Este tipo de funcionamiento puede ser aprovechado para
controlar la demanda de energía de la máquina eléctrica 5 accionada
como motor y/o controlar el flujo volumétrico de la bomba 7.
En el modo bomba, el motor 5 acciona la bomba 7
y para ello extrae energía eléctrica de la red eléctrica de
abastecimiento 9. No obstante, se puede también impulsar la turbina
6 con agua a presión, de manera que en parte la turbina 6 accione
la bomba 7 y con ello disminuya la demanda de energía del motor 5.
En el caso ideal se ajusta un punto nulo, en el que la bomba 7 es
accionada completamente por la turbina 6 y la demanda de energía
del motor 5 es igual a cero. Así, naturalmente es transportada menos
agua al depósito de agua superior, ya que simultáneamente es
accionada la turbina 6.
El flujo volumétrico de la bomba 7 resulta
esencialmente de los niveles de agua OW, UW del depósito de agua
superior e inferior 2, 3, ya que el número de revoluciones de la
bomba 7 está predeterminado por el número de revoluciones de
sincronización de la máquina eléctrica 5. Para regular el flujo
volumétrico se podría accionar en el modo bomba paralelamente la
turbina 6 para así influir de forma selectiva en el flujo
volumétrico en el depósito de agua 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Por regla general se bombea en tiempos de
consumo de energía bajo, principalmente por la noche, y en caso de
picos de consumo, principalmente durante el día, se usa el
funcionamiento de turbina. Por la liberalización del mercado de la
corriente eléctrica y el comercio de la corriente eléctrica pueden
ser necesarios procesos de conmutación frecuentes. Así, el grupo de
máquinas 4 es accionado alternativamente unos minutos en modo bomba
y unos minutos en modo turbina. Esta conmutación rápida se denomina
ciclo de bomba y requiere la posibilidad de la conmutación rápida
entre el funcionamiento de bomba y el de turbina, como se describió
antes.
Al poner en marcha el grupo de máquinas, el
generador/motor 5 puede ser acelerado en el funcionamiento de motor
automáticamente al número de revoluciones de sincronización y al
mismo tiempo, independientemente de ello, el eje de sincronización
11 puede ser acelerado por la turbina 6 al mismo número de
revoluciones y después de que tanto el eje 10 del generador/motor
como el árbol de sincronización 11 hayan alcanzado el número de
revoluciones deseado, preferentemente el número de revoluciones de
sincronización de la máquina eléctrica 5, el acoplamiento 13 puede
ser acoplado para la transmisión del momento de giro de la turbina 6
al generador 5 y el generador/motor 5 ser conmutado a
funcionamiento de generador. Alternativamente, el motor/generador 5
puede también por la turbina 6 como turbina de arranque, en caso de
que el acoplamiento 13 entre la máquina eléctrica 5 y la turbina 6
esté acoplado, ser acelerado al número de revoluciones de
sincronización. La puesta en marcha del grupo de máquinas 4 en el
funcionamiento de bomba se realiza de forma análoga.
\newpage
El control y automatización de un grupo de
máquinas de una instalación de almacenamiento de energía es
suficientemente conocido y tampoco es contenido del núcleo de la
invención, por lo que no se abordará aquí en detalle.
Aunque la invención ha sido descrita aquí sólo
en virtud de una instalación de almacenamiento de energía hidráulica
1, es claro que la invención es aplicable también de forma análoga
para una central acumuladora de aire comprimido, empleándose en
lugar de la bomba 7, un compresor y siendo la turbina 6, una turbina
de gas.
Claims (5)
1. Grupo de máquinas de una instalación de
almacenamiento de energía (1), constituido por varios árboles (10,
11, 12) unidos entre sí por medio de acoplamientos mecánicos (13,
14) conmutables, siendo un árbol, el árbol (10) de una máquina
eléctrica giratoria (5), preferentemente un motor o un generador, en
un segundo árbol (11) está montada una máquina motriz,
preferentemente una turbina, y en un tercer árbol (12) está
dispuesta una máquina de trabajo (7), preferentemente una bomba o
turbina-bomba, estando el árbol (10) de la máquina
eléctrica giratoria (5) unido al árbol (11) de una máquina motriz
(6) por medio de un primer acoplamiento mecánico conmutable (13) y
el árbol (11) de una máquina motriz (6) está unido al árbol (12) de
una máquina de trabajo (7) por medio de un segundo acoplamiento
mecánico conmutable (14), caracterizado porque el árbol (11)
de la máquina motriz (6) está previsto como árbol de sincronización,
cuyo número de revoluciones es ajustable a discreción por la
máquina motriz dispuesta sobre él entre cero y el número de
revoluciones de la máquina eléctrica giratoria (5).
2. Grupo de máquinas según la reivindicación 1 ó
2, caracterizado porque el momento de giro del árbol de
sincronización (11) es ajustable discrecionalmente por la máquina
motriz (6) dispuesta sobre él entre un momento de giro mínimo
predeterminable, preferentemente nulo o más bajo, y un momento de
giro máximo predeterminable.
3. Empleo de un grupo de máquinas según una de
las reivindicaciones 1 a 3 para una central de almacenamiento de
energía.
4. Procedimiento para la conmutación entre
diferentes tipos de funcionamiento de un grupo de máquinas de una
instalación de almacenamiento de energía, caracterizado
porque un árbol de sincronización (11) con una máquina motriz (6)
dispuesta solidaria en rotación sobre él es llevada al número de
revoluciones de un árbol (10) de una máquina eléctrica giratoria
(10) o al número de revoluciones de un árbol (12) de una máquina de
trabajo (7) y a continuación es acoplado o se acopla un
acoplamiento mecánico conmutable (13, 14) entre el árbol (10) de
una máquina eléctrica giratoria (5) y el árbol de sincronización
(11) o el árbol de sincronización (11) y el árbol (12) de una
máquina de trabajo (7).
5. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque el árbol de sincronización (11) antes
del acoplamiento es ajustado a un momento de giro determinado.
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