ES2616562T3 - Sistema para almacenamiento y recuperación de energía - Google Patents
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Abstract
Un sistema (5) para almacenar y liberar energía, teniendo el sistema (5) un estado de almacenamiento y un estado de liberación y comprendiendo: un subsistema (10) de generador/motor; una bomba hidráulica (12) configurada para bombear fluido hidráulico (13) entre unas lumbreras primera y segunda (14, 16) de bomba en respuesta a una fuerza aplicada a la bomba hidráulica (12) por el subsistema (10) de generador/motor durante el estado de almacenamiento y configurada también para impartir una fuerza al subsistema (10) de generador/motor en respuesta a que el fluido hidráulico (13) sea forzado a fluir a través de la bomba hidráulica (12) durante el estado de liberación entre las lumbreras primera y segunda (14, 16) de bomba; un primer recipiente de compresión/expansión (20) para intercambiar fluido hidráulico (13) con la bomba hidráulica (12) a través de la primera lumbrera (14) de bomba; un segundo recipiente de compresión/expansión (30) para intercambiar fluido hidráulico (13) con la bomba hidráulica (12) a través de la segunda lumbrera (16) de bomba; un subsistema (100) de almacenamiento de gas que comprende al menos una pluralidad de válvulas de gas (112, 14, 122, 124) y que está configurado para recibir y almacenar gas forzado a través del fluido hidráulico (13) desde los recipientes primero y segundo de compresión/expansión de gas (20, 30) durante el estado de almacenamiento, estando configurado el subsistema (100) de almacenamiento de gas para liberar gas durante el estado de liberación para impartir así fuerza al subsistema (10) de generador/motor a través del fluido hidráulico (13); un intercambiador de calor interno (22, 32) dentro de cada uno de los recipientes primero y segundo de compresión/expansión (20, 30) para intercambiar calor entre el fluido hidráulico (13) y el gas de su interior, teniendo cada intercambiador de calor interno (22, 32) una masa térmica muy grande con relación a la masa de gas dentro de los recipientes primero y segundo de compresión/expansión (20, 30); y un subsistema (7) de control configurado para controlar al menos la bomba hidráulica (12) y las válvulas de gas (112, 114, 122, 124) para conmutar de este modo entre el estado de almacenamiento y el estado de liberación.
Description
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DESCRIPCION
Sistema para almacenamiento y recuperacion de ene^a Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica prioridad bajo 35 U.S.C. 119(e) de la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos numero 61/322.778 presentada el 9 de abril de 2010, solicitud de patente provisional de los Estados Unidos numero 61/446.387 presentada el 24 de febrero de 2011, solicitud de patente provisional de los Estados Unidos numero 61/443.171 presentada el 15 de febrero de 2011, y solicitud de patente provisional de los Estados Unidos numero 61/467.168 presentada el 24 de marzo de 2011, el contenido de cada una de las cuales se incorpora al presente documento por referencia en su totalidad.
Campo de la invencion
Esta solicitud se refiere en general a la conversion de potencia y al almacenamiento de energfa y, mas particularmente, a sistemas y metodos para y relacionados con el almacenamiento y recuperacion de energfa en y desde gas comprimido.
Antecedentes de la invencion
Es deseable desarrollar tanto procesos como aparatos que permitan un almacenamiento y recuperacion eficientes de energfa. Las mejoras en el almacenamiento y la recuperacion de energfa tienen aplicaciones importantes en muchos campos diferentes, tal como en sistemas en automoviles, o en el almacenamiento temporal de energfa producida por fuentes intermitentes (como turbinas eolicas o paneles solares) de modo que la energfa pueda acumularse, almacenarse y posteriormente liberarse cuando sea necesario (o cuando el precio es mas alto como reflejo de esa necesidad).
Muchos tipos diferentes de sistemas de almacenamiento de energfa son ya bien conocidos. El mas comun de estos son batenas electricas recargables incluyendo ejemplos comunes sencillos como batenas de plomo-acido en automoviles y extendiendose a innovaciones mas recientes en las pilas basadas en iones de litio y otras. Las pilas electricas recargables estan entre los sistemas de almacenamiento/recuperacion de energfa comunes mas ampliamente usados. En otras escalas y marcos temporales se pueden utilizar volantes para mantener constante la velocidad de rotacion de los generadores o arboles, el agua puede ser bombeada hacia arriba para proporcionar sistemas de almacenamiento y recuperacion de energfa a gran escala cuando se usan junto con presas hidroelectricas y existen al menos dos casos de almacenamiento de energfa de aire comprimido (CAES) donde se utilizan parques eolicos (u otras fuentes intermitentes) para generar electricidad que se utiliza para alimentar compresores que bombean aire comprimido hacia cavernas subterraneas donde la energfa potencial dentro del aire comprimido permanece almacenada. La energfa almacenada se puede entonces utilizar para proporcionar la mayor parte de la impulsion a turbinas de la expansion de gas (como la General Electric LM2500), pero debido a la termodinamica del gas expandiendose desde 1000 psi a 15 psi (1 atmosfera) se producen grandes perdidas de temperatura de dentro del gas expandido y para mantener un sistema operativo el gas natural debe quemarse en las turbinas de gas para proporcionar calor adecuado para permitir temperaturas de funcionamiento "razonables".
Se conocen problemas con sistemas CAES conocidos y estos se refieren a dos areas espedficas. En primer lugar, los sistemas conocidos no son realmente "renovables" ya que dependen de la quema de gas natural (o algun otro combustible) para proporcionar calor con el fin de equilibrar la termodinamica del sistema. En segundo lugar, aquellos son relativamente ineficientes con una eficiencia total de entre un 30 y un 40 por ciento (donde la eficiencia se define como la cantidad de energfa consumida dividida por la cantidad de energfa producida).
Rufer y otros el documento WO 2008-139267 han identificado las eficiencias basicas ultimas posibles mediante el uso de compresion de piston y expansion de gas y, en particular, mediante el uso de pistones lfquidos para conseguir esta compresion/expansion. Rufer y otros ensenan el uso de un dispositivo de lanzadera para separar fluido de bomba de motor hidraulico de los fluidos de trabajo del recipiente de almacenamiento, y sobre las densidades de energfa y las eficiencias que son alcanzables con tal aparato. Rufer y otros ensenan ademas que el intercambio de calor dentro de la parte de "piston lfquido" del aparato mejorara las posibles densidades de energfa. Si uno elige una cualquiera de dos condiciones lfmite para el sistema ffsico responsable de la compresion/expansion de gas, ya sea adiabatica o isotermica, entonces se sigue que el proceso mismo (no realizable en un aparato del mundo real) podna ser eficiente en un 100 por cien. Sin embargo, Rufer y otros ensenan que un proceso que es casi isotermico conseguira densidades de almacenamiento de energfa mucho mejores por unidad de volumen de gas comprimido.
En la tesis doctoral de Sylvain LEMOFOUET-GATSI, titulada "Investigacion y optimizacion de sistemas hfbridos de almacenamiento de electricidad basados en aire comprimido y supercondensadores" se proporcionan mas detalles. (Tesis N 3628 (2006), Instituto Federal Suizo de Tecnologfa, Lausanne (EPFL Lausanne - Suiza).
Van de Ven y Li (Applied Energy 86, 10) muestra las altas eficiencias (mayores del 83 por ciento) obtenibles con compresores de piston lfquido
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Kenway y otros en la publicacion de solicitud PCT WO 2009-076757 ensenan que la termodinamica puede gestionarse mejor limitando las relaciones de compresion de gas a aproximadamente 3,2:1. El aparato revelado hace uso de componentes comunes disponibles comercialmente para lograr la implementacion de una compresion hidraulico-neumatica.
Adler y Siebert en la publicacion de solicitud PCT WO 2006-034748 ensenan ademas el diseno realizable practico de un dispositivo para comprimir un medio gaseoso, particularmente hidrogeno. Se ensena que mediante el uso de un lfquido apropiado (un lfquido ionico), es posible conseguir una compresion muy alta (y relaciones de compresion) dado que las ventajas completas de los pistones lfquidos pueden explotarse sin temor a la cavitacion de la(s) bomba(s)/motor(es).
La cavitacion (o burbujeo) es la aparicion altamente destructiva de burbujas formadas por gases arrastrados y usualmente nucleadas alrededor de pequenas impurezas en el fluido hidraulico. Si la expansion del gas es de, por ejemplo, 1000 veces, entonces una burbuja que fue arrastrada a una escala de 10 micras se expande hasta 10 mm con la fuerza destructiva de una pequena explosion.
Adler y Siebert y Van Ven y Li ensenan ademas que los pistones lfquidos se acomodan facilmente a los intercambiadores de calor en la camara de compresion (o cilindro) de manera que se consigue mucho mas facilmente el mantenimiento de unas condiciones casi isotermicas que con los compresores o expansores convencionales.
La patente norteamericana numero 3.648.458 revela un sistema que convierte calor en movimiento mecanico mediante la derivacion de vapor calentado hacia atras y hacia delante entre depositos a traves de un motor flmdico, pero el sistema no esta configurado para almacenar y liberar subsiguientemente energfa.
La patente norteamericana numero 3.901.033 revela un sistema de accionamiento hidrostatico generalmente del tipo en el que el vapor se dirige alternadamente hacia el interior de dos tanques de reserva, pero el sistema no esta configurado para almacenar y liberar subsiguientemente energfa.
Las siguientes referencias son tambien utiles para comprender el estado de la tecnica: patente norteamericana numero 3.947.736 (Byers y otros); patente norteamericana numero 4.286.203 (Ehret); patente norteamericana numero 3.971.972 (Stitch); patente norteamericana numero 4.128.793 (Stitch); patente norteamericana numero 4.618.810 (Hagerman y otros); patente norteamericana numero 4.364.073 (Becke y otros); Bose, Bimal K. (1980). Sistemas de accionamiento de corriente alterna de velocidad ajustable. Nueva York: IEEE Press. ISBN 0-87942-1460; Heinlein, R. (1982). Viernes. Nueva York, Holt Reinhart y Winston-Shipstone.
Sumario de la invencion
Segun un aspecto, se proporciona un sistema para almacenar y liberar energfa, teniendo el sistema un estado de almacenamiento y un estado de liberacion y comprendiendo: un subsistema de generador/motor; una bomba hidraulica configurada para bombear fluido hidraulico entre las lumbreras primera y segunda de bomba en respuesta a una fuerza aplicada a la bomba hidraulica por el subsistema de generador/motor durante el estado de almacenamiento y configurada tambien para impartir fuerza al subsistema de generador/motor en respuesta a un fluido hidraulico que se fuerza a fluir a traves de la bomba hidraulica durante el estado de liberacion entre las lumbreras primera y segunda de bomba; un primer recipiente de compresion/expansion para intercambiar fluido hidraulico con la bomba hidraulica a traves de la primera lumbrera de bomba; una segundo recipiente de compresion/expansion para intercambiar fluido hidraulico con la bomba hidraulica a traves de la segunda lumbrera de bomba; un subsistema de almacenamiento de gas que comprende al menos una pluralidad de valvulas de gas y configurado para recibir y almacenar gas forzado a traves del fluido hidraulico desde los recipientes primero y segundo de compresion/expansion de gas durante el estado de almacenamiento, estando configurado el subsistema de generador/motor para liberar gas durante el estado de liberacion para impartir asf fuerza al subsistema de generador/motor a traves del fluido hidraulico; un intercambiador de calor interno dentro de cada uno de los recipientes primero y segundo de compresion/expansion para intercambiar calor entre el fluido hidraulico y el gas presente en el mismo, teniendo cada intercambiador de calor interno una masa termica muy grande con respecto a la masa de gas dentro de los recipientes primero y segundo de expansion; y un subsistema de control configurado para controlar al menos la bomba hidraulica y las valvulas de gas para conmutar de este modo entre el estado de almacenamiento y el estado de liberacion. Durante el estado de almacenamiento, en respuesta fluido hidraulico que es bombeado por la bomba hidraulica entre las lumbreras primera y segunda de bomba, se hace que el gas sea comprimido en el subsistema de almacenamiento de gas para almacenar asf energfa. Durante el estado de liberacion, en respuesta a la presion procedente de la liberacion de gas comprimido desde el subsistema de almacenamiento de gas, el fluido hidraulico es obligado a fluir entre las lumbreras primera y segunda de bomba para liberar asf energfa.
En la presente memoria se describen otros aspectos y realizaciones.
Breve descripcion de los dibujos
A continuacion se describiran mas detalladamente realizaciones con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
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La figura 1 es un diagrama esquematico de un sistema para almacenar y recuperar energfa usando gas comprimido, segun una realizacion;
La figura 2 es un diagrama esquematico de conexiones de un subsistema de control con diversos componentes del sistema de la figura 1;
Las figuras 3A y 3B son diagramas de un recipiente de compresion/expansion para el sistema de la figura 1 sin un intercambiador de calor interno y unos niveles respectivos de fluido hidraulico diferentes dentro del mismo;
Las figuras 3C y 3D son diagramas de un recipiente de compresion/expansion para el sistema de la figura 1 con un intercambiador de calor interno y unos niveles respectivos de fluido hidraulico diferentes;
La figura 4 es un diagrama esquematico que muestra componentes del sistema de la figura 1 durante la compresion de gas para almacenar energfa en la que un recipiente de compresion/expansion tiene una cantidad maxima de fluido hidraulico en su interior y otro recipiente de compresion/expansion tiene una cantidad minima de fluido hidraulico en su interior;
La figura 5 es un diagrama esquematico que muestra componentes del sistema de la figura 1 durante la compresion de gas para almacenar energfa en la que ambos recipientes de compresion/expansion tienen mas de la cantidad minima y menos de la cantidad maxima de fluido hidraulico en su interior;
La figura 6 es un diagrama esquematico que muestra componentes del sistema de la figura 1 durante la expansion del gas para liberar energfa en la que ambos recipientes de compresion/expansion tienen mas de la cantidad minima y menos de la cantidad maxima de fluido hidraulico en su interior;
La figura 7 es un diagrama esquematico de una realizacion alternativa de un subsistema de almacenamiento de gas;
La figura 8 es una realizacion alternativa de un sistema para almacenar y recuperar energfa usando gas comprimido;
La figura 9 es un grafico que muestra la variacion de la salida/entrada de potencia de un generador/motor a lo largo del tiempo;
La figura 10 es un grafico que muestra la variacion de la velocidad angular de rotacion y la variacion de la salida/entrada de potencia del generador/motor a lo largo del tiempo;
La figura 11 es un grafico que muestra la variacion de la corriente de excitador del generador/motor con la variacion de la velocidad angular a lo largo del tiempo para alisar las variaciones de la salida/entrada de potencia;
La figura 12 es un grafico que muestra la variacion resultante de la salida/entrada de potencia del generador/motor a lo largo del tiempo como resultado de la variacion de la corriente de excitador como se muestra en la figura 11;
La figura 13 muestra el volumen de bomba hidraulica y variaciones de direccion de flujo con el tiempo;
La figura 14 es un diagrama de circuito esquematico de un circuito para acondicionar potencia trifasica que se aplica a (liberada a traves de) un generador/motor durante el almacenamiento (recuperacion) de energfa;
La figura 15 muestra la forma de onda de la tension de salida como resultado de la modulacion de ancho de impulso filtrada;
La figura 16 muestra un recipiente de compresion/expansion en cooperacion con un cilindro de aislamiento para una configuracion tamponada de dos lfquidos;
La figura 17 muestra un recipiente de compresion/expansion con dos capas de lfquido en el mismo para una configuracion sin tampon de dos lfquidos;
La figura 18 muestra dos recipientes de compresion/expansion para una realizacion alternativa de una configuracion tamponada de dos lfquidos con un piston macizo;
La figura 19 es un diagrama esquematico de una fuente de alimentacion ininterrumpible;
La figura 20 es un diagrama esquematico de una etapa de rectificacion para la fuente de alimentacion ininterrumpible de la figura 19;
La figura 21 es un diagrama esquematico de una etapa de rectificacion alternativa para la fuente de alimentacion ininterrumpible de la figura 19;
La figura 22 es un diagrama esquematico de etapas de rectificacion, alisamiento e inversion de tension de la fuente de alimentacion ininterrumpible de la figura 19;
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La figura 23 es un diagrama esquematico de la etapa de salida de la fuente de alimentacion ininterrumpible de la figura 19;
La figura 24 es un diagrama esquematico de uno de los conjuntos de transistores bipolares de puerta aislada de la etapa de salida de la figura 23;
La figura 25 es un diagrama esquematico que muestra la interconexion de multiples fuentes de energfa secundarias, junto con una fuente de potencia primaria, a un bus de potencia, segun una realizacion;
La figura 26 es un diagrama esquematico que muestra la interconexion de multiples fuentes de alimentacion trifasicas secundarias, junto con una fuente de alimentacion trifasica primaria, a un bus de potencia, segun una realizacion;
La figura 27 es un diagrama esquematico que muestra la interconexion de multiples cargas trifasicas a un bus de potencia;
La figura 28 es un diagrama esquematico que muestra un mecanismo de conmutacion de tension;
La figura 29 es un grafico que muestra variaciones de tension con fuentes de potencia primaria y secundaria; y
La figura 30 es un diagrama esquematico que muestra un control centralizado de multiples fuentes de potencia y su entrega de potencia a multiples cargas.
Descripcion detallada de realizaciones
Volviendo ahora a la figura 1, se muestra un sistema para almacenar y recuperar (es decir, liberar) energfa segun una realizacion de la invencion y se identifica generalmente con el numero de referencia 5. El sistema 5 esta controlado por un subsistema 7 de control que, en esta realizacion, es un controlador logico programable (PLC), pero que podna implementarse alternativamente por otro dispositivo tal como un ordenador personal o similar con hardware de interfaz apropiado. El sistema 5 comprende tambien un subsistema de generador/motor que, en esta realizacion, comprende un solo generador/motor 10 acoplado mecanicamente a una bomba hidraulica 12 con un acoplador de arbol para impartir fuerza de rotacion a la bomba hidraulica 12 con el fin de bombear asf fluido hidraulico 13 entre una primera lumbrera 14 y una segunda lumbrera 16 de la bomba hidraulica 12 durante el almacenamiento de energfa. Ademas, el generador/motor 10 y la bomba hidraulica 12 estan acoplados mecanicamente de tal manera que la bomba hidraulica 12 puede impartir fuerza de rotacion al generador/motor 10 en respuesta al fluido hidraulico 13 que es bombeado entre las lumbreras primera y segunda 14, 16 durante la liberacion de energfa, segun se describira.
En esta realizacion, el generador/motor 10 es un generador/motor trifasico de CA (corriente alterna) con devanados de excitador que funcionan como el impulsor primario de la bomba hidraulica 12 tras la aplicacion de potencia electrica durante el almacenamiento de energfa y que funciona como un generador electrico al rotar la bomba hidraulica 12 durante la liberacion de energfa.
En esta realizacion, la bomba hidraulica 12 tiene un desplazamiento variable y una configuracion descentrada y, por lo tanto, tiene un arbol que gira en una sola direccion (por ejemplo, en el sentido de las agujas del reloj), si fluye fluido hidraulico 13 desde la primera lumbrera 14 hacia la segunda lumbrera 16, o desde la segunda lumbrera 16 hacia la primera lumbrera 14. Esto es, a pesar de la direccion de flujo del fluido hidraulico 13, durante todo el almacenamiento y liberacion, la bomba hidraulica 12 rota en una sola direccion. La bomba hidraulica 12 comprende filtros, valvulas y circuitena de presion de carga para su funcionamiento. En esta realizacion, la(s) valvula(s) (no mostrada(s) para asegurar que la figura 1 sea facil de entender) de la bomba hidraulica 12 es(son) controlada(s) electronicamente por medio de senales proporcionadas por el subsistema 7 de control.
Un volante 18 esta acoplado mecanicamente con el acoplador de arbol para mantener la rotacion durante el flujo de fluido a traves de la bomba hidraulica 12, los cambios de presion, los cambios en la direccion de flujo entre las lumbreras 14 y 16 del fluido hidraulico 13 y los cambios de modo (es decir, de almacenamiento de energfa a liberacion de energfa y viceversa, como se describira). El volante 18 proporciona un momento angular adicional que puede convertirse en energfa electrica por el generador/motor mediante la perdida de rpm en el corto plazo, que en esta realizacion esta de entre aproximadamente 1 y 10 segundos.
Un modulo 19 de acondicionamiento de potencia esta acoplado entre el generador/motor 10 y la red electrica (no mostrada) para controlar el generador/motor 10 y para acondicionar la potencia del generador/motor 10 para su uso en el suministro de potencia a la red electrica. En esta realizacion, el modulo 19 de acondicionamiento de potencia es un inversor precedido por diodos de rectificacion y un condensador de corriente continua ngido. El acondicionamiento de potencia en la direccion opuesta entre la red y el aspecto del motor del subsistema de generador/motor es, por supuesto, un circuito similar en sentido inverso: una excitacion de frecuencia variable.
La bomba hidraulica 12 esta en comunicacion de fluido con un volumen interior de un primer recipiente de compresion/expansion 20 a traves de una tubena 40 de fluido que se extiende desde la primera lumbrera 14, a
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traves de la pared exterior del primer recipiente de compresion/expansion 20, y termina cerca de la parte inferior de su volumen interior. Se permite que el fluido hidraulico 13 fluya entre la bomba hidraulica 12 y el volumen interior del primer recipiente de compresion/expansion 20 a traves de la tubena 40 de fluido.
La bomba hidraulica 12 esta tambien en comunicacion de fluido con un volumen interior de un segundo recipiente de compresion/expansion 30 a traves de una tubena 50 de fluido que se extiende desde la segunda lumbrera 14, a traves de la pared exterior del segundo recipiente de compresion/expansion 30, y termina cerca de la parte inferior de su volumen interior. Se permite fluir al fluido hidraulico 13 entre la bomba hidraulica 12 y el volumen interior del segundo recipiente de compresion/expansion 30 a traves de la tubena 50 de fluido.
Las tubenas 40 y 50 de fluido estan construidas de cualquier material o materiales que sean capaces de soportar presiones impartidas al fluido hidraulico 13 en el sistema 5, tal como acero.
En esta realizacion, el fluido hidraulico 13 es KRYTOX, que es un lfquido no reactivo, no inflamable adecuado para su uso con compresion de gases que incluyen oxfgeno, tales como aire. Pueden emplearse otros fluidos hidraulicos adecuados.
El volumen interior del primer recipiente de compresion/expansion 20 tambien esta en comunicacion de fluido con un subsistema 100 de almacenamiento de gas por medio de una tubena 60 de gas que se extiende desde cerca de la parte superior del volumen interior del primer recipiente de compresion/expansion 20, a traves de su pared exterior, hasta el subsistema 100 de almacenamiento de gas.
El volumen interior del segundo recipiente de compresion/expansion 30 tambien esta en comunicacion de fluido con el subsistema 100 de almacenamiento de gas a traves de una tubena 70 de gas que se extiende desde cerca de la parte superior del volumen interior del segundo recipiente de compresion/expansion 30, a traves de su pared exterior, hasta el subsistema 100 de almacenamiento de gas.
Las tubenas 60 y 70 de gas estan construidas de cualquier material o materiales que sean capaces de soportar presiones impartidas al gas en el sistema 5, tales como acero.
Al menos un transductor 24 de nivel de lfquido esta dispuesto dentro del volumen interior del primer recipiente de compresion/expansion 20 y genera senales de nivel de lfquido indicativas del nivel de fluido hidraulico 13 dentro del primer recipiente de compresion/expansion 20. De manera similar, al menos un transductor 34 de nivel de lfquido esta dispuesto dentro del volumen interior del segundo recipiente de compresion/expansion 30 y genera senales indicativas del nivel de fluido hidraulico 13 dentro del segundo recipiente de compresion/expansion 30. El subsistema 7 de control recibe las senales de nivel de lfquido procedentes de los transductores 24, 34 de nivel de lfquido para controlar, en consecuencia, el sistema 5. En general, el subsistema 7 de control garantiza que el fluido hidraulico 13 no entre en las tubenas 60, 70 de gas. Los transductores 24, 34 de nivel de lfquido generan unas senales respectivas que pueden ser recibidas por el subsistema 7 de control fuera de los recipientes primero y segundo de expansion/compresion 20, 30. Se entendera que tales senales pueden proporcionarse al subsistema 7 de control por cable, o tanto por cables como inalambricamente.
Un primer intercambiador de calor interno 22 esta dispuesto tambien dentro del volumen interior del primer recipiente de compresion/expansion 20, y un segundo intercambiador de calor interno 32 esta dispuesto tambien dentro del volumen interior del segundo recipiente de compresion/expansion 30. Cada uno de los intercambiadores de calor internos 22, 32 funcionan para intercambiar calor entre cualquier fluido hidraulico 13 dentro de los recipientes de compresion/expansion 20, 30 y cualquier gas de dentro que este siendo comprimido/expandido dentro de los respectivos recipientes de compresion/expansion 20, 30. El intercambiador de calor existe en todas partes dentro del volumen de los modulos de compresion/expansion y es termicamente masivo (densidad ffsica de aproximadamente 1 g/cc) y poroso (desplazando menos del 25% del volumen disponible). Debido a que el intercambiador de calor interno es termicamente masivo con respecto al gas, y en todas partes, es diffcil que el gas cambie mucho de temperatura y el proceso permanece casi isotermico. A medida que el lfquido del piston lfquido entra y sale de este intercambiador de calor interno masivo poroso, este captura el calor atrapado dentro del intercambiador de calor, de modo que el calor sea transferido al fluido hidraulico lfquido.
Un primer intercambiador de calor externo 42 asociado con la tubena 40 de fluido funciona para intercambiar calor entre el fluido hidraulico 13 dentro de la tubena 40 de fluido y la atmosfera ambiente. De manera similar, un segundo intercambiador de calor externo 52 asociado con la tubena 42 de fluido funciona para intercambiar calor entre el fluido hidraulico 13 dentro de la tubena 42 de fluido y la atmosfera ambiente.
El primer intercambiador de calor interno 22, el segundo intercambiador de calor interno 32, el primer intercambiador de calor externo 42 y el segundo intercambiador de calor externo 52 cooperan generalmente para proporcionar intercambio de calor entre la atmosfera ambiente fuera de los recipientes de compresion/expansion primero y segundo 20, 30 y el gas dentro de los recipientes primero y segundo de compresion/expansion 20, 30. Tal intercambio de calor es importante para mantener la eficacia y la eficiencia del sistema permitiendo que existan condiciones casi isotermicas en el sistema 5. Como resultado, el gas bajo expansion/compresion e incluso el fluido hidraulico 13 se mantienen generalmente a una temperatura sustancialmente constante.
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La solicitud de patente de los Estados Unidos 2007/0258828 (Adler y otros) revela que con un compresor de piston Ifquido, es posible montar un intercambiador de calor dentro de la camara de compresion de un compresor de gas de piston lfquido. Tambien se menciona que puede ser posible el intercambio de calor pasivo llenando parcialmente el volumen con esferas o placas.
La solicitud PCT 2010/135658 A2 (Aborn e lngersoll) revela que se pueden usar estructuras delgadas con forma de copa dentro del aparato para atrapar burbujas de gas y mejorar, por lo tanto, el intercambio de calor.
La patente de Estados Unidos numero 7.802.426 (Bollinger) revela que se puede conseguir una compresion casi isotermica de gas de alta eficiencia haciendo circular externamente una corriente de ese gas a traves de un intercambiador de calor externo. Se ensena que si las tasas de compresion y el flujo de intercambio de calor se eligen apropiadamente y la tasa de compresion es suficientemente lenta, entonces se pueden conseguir resultados casi isotermicos.
La publicacion de solicitud PCT WO 2008/139267 (Lemofouet y otros) revela que puede conseguirse el intercambio de calor dentro de la camara de compresion convirtiendo el lfquido en una ducha de gotitas mientras aquel llena la camara de compresion.
La publicacion de solicitud PCT WO 2009/034421 (Lemofouet y otros) ensena que el intercambiador de calor puede ser mucho mas efectivo tanto en compresion como en expansion si se implementa como una estructura de muchos tubos pequenos (algo asf como un intercambiador de calor convencional) con un flujo independiente para la compresion de gas del piston lfquido, y el otro para hacer fluir simplemente fluido de intercambio de calor mas alla del proceso de compresion o expansion encapsulado.
En esta realizacion de la invencion descrita en el presente documento, los intercambiadores de calor internos 22 y 32 son identicos entre ellos y estan hechos de espuma de metal. Es preferible que los intercambiadores de calor internos 22, 32 se distribuyan cada uno a lo largo de sustancialmente todo el volumen interior de los respectivos recipientes 20, 30 de modo que el acceso al intercambio de calor este disponible cerca (preferiblemente, cerca de 1 milfmetro o menos) de unas moleculas sustancialmente a lo largo de todo el volumen interior. Por lo tanto, se proporciona una gran masa termica disponible para la transferencia de calor. De esta manera, se puede mantener mejor una operacion casi isotermica del sistema 5. Preferiblemente, para los intercambiadores de calor internos 22, 32 de espuma metalica sustancialmente todos los poros de la espuma metalica tienen un tamano que es inferior a aproximadamente 5 milfmetros cubicos. Sin embargo, se pueden disponer estructuras alternativas que no son tan eficientes en la transferencia de calor entre el gas y el fluido hidraulico 13 (u otro material de piston lfquido en un sistema de dos lfquidos como se describira) y que, de este modo, proporcionan una transferencia de calor menos rapida. Debe tenerse cuidado con las configuraciones de los intercambiadores de calor internos 22 y 32, porque en sistemas practicos el tiempo requerido para comprimir o expandir el gas es inversamente proporcional a los niveles de potencia alcanzables con tales sistemas, y de manera similar es inversamente proporcional al "valor" del compresor, que sin tal cuidado tendna una entrega de aire libre (FAD) o un nivel de potencia efectivo menores.
Alternativamente, los intercambiadores de calor internos 22, 32 pueden estar situados solamente cerca de la parte superior del volumen interior de su respectivo recipiente de compresion/expansion 20, 30, donde el acceso de las moleculas al intercambio de calor es mas cntico para proporcionar una operacion casi isotermica del sistema 5 debido a la rapidez de los cambios de temperatura en el gas que esta siendo comprimido o expandido.
Con el uso de una malla o espuma metalica, el porcentaje de volumen de compresion llenado por los intercambiadores de calor internos 22, 32, a pesar de la ubicuidad de los intercambiadores de calor 22, 32 dentro de los volumenes internos, puede mantenerse en un 25%, e incluso hasta el 3%, del volumen de compresion.
Aunque se ha hecho referencia a la espuma o malla metalica en las realizaciones descritas anteriormente para los intercambiadores de calor internos 22, 32, se comprendera que son posibles alternativas. Por ejemplo, el intercambio de calor interno puede proporcionarse de manera similar por un tapon de metal sinterizado altamente poroso y/o por una bobina metalica enrollada apretadamente, y/o por un subsistema de tubos o dedos formados de material conductor. Los materiales conductores elegidos, tales como metales, pueden ser cobre y/o aluminio. Se pueden usar otros materiales para los intercambiadores de calor internos 22, 32, segun se desee. Ademas, los intercambiadores de calor internos 22, 32 pueden conectarse a las tubenas 40, 50 de fluido o integrarse de algun modo con las tubenas 40, 50 de fluido.
Las figuras 3A y 3B son diagramas de un recipiente de compresion/expansion 20 o 30 sin un intercambiador de calor interno y de unos niveles de fluido hidraulico diferentes respectivos dentro del mismo. Las figuras 3C y 3D son diagramas de un recipiente de compresion/expansion 20 o 30 con un intercambiador de calor interno con la forma de una malla de cobre en espiral enrollada apretadamente situada dentro del volumen interior y de unos niveles de fluido hidraulico diferentes respectivos.
En esta realizacion, el subsistema 100 de almacenamiento de gas comprende una camara de gas de alta presion 110 y una camara de gas de baja presion 120. La tubena 60 de gas del primer recipiente de compresion/expansion 20 proporciona comunicacion de fluido con la camara de gas de alta presion 110 para el intercambio de gas, dependiendo de si se controla una primera valvula 112 de gas de la camara de alta presion (FHPcV) para que este
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abierta o cerrada. De forma similar, la tubena 70 de gas del segundo recipiente de compresion/expansion 30 proporciona comunicacion de fluido con la camara de gas de alta presion 110 para el intercambio de gas, dependiendo de si se controla una segunda valvula 114 de gas de camara de alta presion (SHPcV) para que este abierta o cerrada. Asimismo, la tubena 60 de gas del primer recipiente de compresion/expansion 20 proporciona comunicacion de fluido con la camara de gas de baja presion 120 para el intercambio de gas, dependiendo de si se controla una primera valvula 122 de gas de camara de baja presion (FLPcV) para que este abierta o cerrada. Ademas, la tubena 70 de gas del segundo recipiente de compresion/expansion 30 proporciona comunicacion de fluido de con la camara de gas de baja presion 120 para el intercambio de gas, dependiendo de si se controla una segunda valvula 124 de gas de la camara de presion baja (FLPcV) para que este abierta o cerrada. El control electrico de los estados abierto/cerrado de FHPcV 112, SHPcV 114, FLPcV 122 y SLPcV 124 y, por lo tanto, el control para el almacenamiento y liberacion de gas en el subsistema 100 de almacenamiento de gas se proporciona por el subsistema 7 de control como se describira en el presente documento.
Los transductores de presion de gas (no mostrados con la finalidad de que la figura 1 sea facil de leer) para medir la presion de gas dentro de cada recipiente de compresion/expansion 20, 30, cada una de las camaras de gas de alta presion y baja presion 110, 120 se dotan de y se comunican con el subsistema 7 de control para proporcionar datos de presion del gas dentro de estos componentes. Estos datos de presion son recibidos por el subsistema 7 de control y utilizados durante el control de la operacion del sistema 5. Ademas, uno o mas transductores de presion de lfquido hidraulicos (no mostrados con la finalidad de garantizar que la figura 1 sea facil de leer) para medir la presion del fluido hidraulico en el sistema 5 se dota(n) de y se comunica(n) con el subsistema 7 de control para proporcionar datos de presion del fluido hidraulico en el sistema 5.
La figura 2 es un diagrama esquematico de conexiones del subsistema 7 de control en comunicacion con diversos componentes del sistema 5 tanto para recibir como para transmitir senales de control hacia y desde los transductores de presion, valvulas electronicas, la bomba hidraulica 12 y asf sucesivamente.
La operacion general del sistema 5 para almacenar y liberar energfa se describira ahora con referencia a las figuras 4, 5 y 6.
La figura 5 es un diagrama esquematico de componentes del sistema 5 cuando esta en un estado inicial. Como se muestra, el recipiente de compresion/expansion 20 esta a un nivel maximo de fluido hidraulico 13 y el recipiente de compresion/expansion 30 esta a un nivel mmimo de fluido hidraulico 13. En este estado, el subsistema 7 de control ha proporcionado senales tales que FLPcV 122 esta abierto, FHPcV 112 esta cerrado, SLPcV 124 esta cerrado y SHPcV 114 esta abierto.
El subsistema 7 de control proporciona senales de tal manera que la bomba hidraulica 12 se hace funcionar como una bomba con el flujo de fluido hidraulico 13 moviendose desde la primera lumbrera 14 hasta la segunda lumbrera 16. En esta condicion, el generador/motor 10 esta accionando la bomba hidraulica 12, segun se muestra en la figura 6. Cuando el generador/motor 10 hace rotar la bomba hidraulica 12, el fluido hidraulico 13 es bombeado desde la primera lumbrera 14 hasta la segunda lumbrera 16, superando una diferencia de presion Ap entre la camara de almacenamiento de gas de alta presion 110 y la camara de almacenamiento de gas de baja presion 120. De este modo, la energfa electrica que acciona el generador/motor 10 se convierte en y se almacena como energfa potencial en virtud de la diferencia de presion de gas entre las camaras de almacenamiento de gas 110, 120.
En cualquier momento de este ciclo cuando el nivel del riquido en el primer recipiente de compresion/expansion 20 es menor que un nivel maximo y el nivel del lfquido en el segundo recipiente de compresion/expansion 30 es mayor que un nivel mmimo, segun se calibra por unos respectivos transductores de nivel de fluido, el sistema 5 puede cambiar de estado desde almacenamiento de energfa a liberacion de energfa. Esto puede lograrse invirtiendo la direccion de flujo del fluido hidraulico 13 dentro de la bomba hidraulica 12 y permitiendo que el fluido hidraulico 13 imparta fuerza a la bomba hidraulica 12 para hacer rotar su arbol y accionar el generador/motor 10, segun se muestra en la figura 5.
Debido a que la bomba hidraulica 12 tiene una configuracion "descentrada", la inversion de la direccion de flujo no cambia la direccion de rotacion del arbol de la bomba hidraulica 12. Como resultado, el momento angular no resulta perturbado significativamente. El tiempo de asentamiento/transicion para que la bomba "descentrada" realice esta inversion podna ser del orden de 0,1 segundo y durante este tiempo de asentamiento/transicion el momento angular del volante 18 mantiene la rotacion a una velocidad angular casi constante.
Para un cambio de estado de almacenamiento de energfa a liberacion de energfa, el generador/motor 10 funciona ahora como un generador y como la electricidad producida por el generador/motor 10 es utilizada por una carga electrica, el generador/motor 10 proporciona un contrapar que resiste la rotacion de la bomba hidraulica 12 y absorbe la energfa mecanica que se genera desde la bomba hidraulica 12 que, en este momento, actua como un motor accionado por la diferencia de presion de gas.
Se apreciara que, aunque el sistema 5 es capaz de conmutar desde almacenamiento a liberacion en medio de un ciclo (es decir, siendo medio “que no esta en el final") como se ha descrito anteriormente, la conmutacion no tiene que ocurrir en mitad de un ciclo. Cuando se conmuta desde almacenamiento de energfa a recuperacion de energfa,
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o desde recuperacion a almacenamiento en general, las direcciones del flujo de fluido se invertiran (es decir, de izquierda a derecha, de derecha a izquierda o viceversa) y la bomba hidraulica 12 conmutara de bombeo a ser accionada (o de ser accionada a bombeo) durante el mismo momento de transicion que el generador/motor electrico 10 conmuta de motor a generador (o de generador a motor).
Si el almacenamiento durante el flujo de izquierda a derecha del fluido hidraulico a traves de la bomba hidraulica 12 continuara en lugar de ser interrumpido, como se describio anteriormente, para su recuperacion, la "carrera" actual terminana cuando el nivel del fluido hidraulico 13 en el primer recipiente de compresion/expansion 20 alcanzara un nivel mmimo, correspondiente al nivel del fluido hidraulico 13 en el segundo recipiente de compresion/expansion 30 que alcanza un nivel maximo, segun se determina usando, en esta realizacion, los transductores de nivel de fluido. Al final de esta carrera, el almacenamiento podna continuar tras la aparicion de una transicion diferente. Como respaldo de los transductores de nivel de fluido, se pueden utilizar sensores de presion y temperatura para redundancia.
Para la transicion, la bomba hidraulica 12 sena controlada por el subsistema 7 de control para invertir la direccion de flujo del fluido hidraulico 13 a traves de la bomba hidraulica 12. Ademas, como se ha descrito anteriormente, el arbol de la bomba hidraulica 12 continuana rotando en la misma direccion debido a su configuracion descentrada y durante este cambio de direccion de flujo el volante 18 alisana el momento angular del arbol de la bomba hidraulica 12. Sin embargo, los estados de las valvulas 112, 114, 122, 124 se invertinan cuidadosamente.
Sin embargo, antes de la inversion, aquellas de las valvulas de gas 112, 114, 122, 124 que esten abiertas en el momento de la transicion a la carrera de potencia subsiguiente senan cerradas por el subsistema 7 de control. Habiendose cerrado todas estas valvulas de gas previamente abiertas, se abrina entonces la SLPcV 124. Puesto que en este punto no habna gas en el interior del segundo recipiente de compresion/expansion 30 en ese momento (debido a que el fluido hidraulico 13 estaba a un nivel maximo dentro de ese recipiente), poco o ningun gas fluina, pero se permitina que la presion se equilibrara entre el lfquido hidraulico 13 y el gas en la camara de almacenamiento de gas a baja presion 120.
Cuando el generador/motor 10 suministra potencia a la bomba hidraulica 12 reacoplada pero invertida, la bomba hidraulica mueve el fluido hidraulico 13 desde el segundo recipiente de compresion/expansion 30 al primer recipiente de compresion/expansion 20, comprimiendo de este modo el gas en su interior. Cuando la presion de gas en el primer recipiente de compresion/expansion 20 alcanza generalmente el equilibrio con la presion de gas en la camara de almacenamiento de gas de alta presion 110, segun se determina por el sistema 7 de control que responde a senales de los transductores de presion como se ha descrito anteriormente, se abre la FHPcV 112.
Cuando el nivel del lfquido hidraulico 13 vuelve a estar efectivamente en su mmimo en el segundo recipiente de
compresion/expansion 30 y, en consecuencia, el nivel del liquido hidraulico 13 en el primer recipiente de
compresion/expansion 20 esta efectivamente lleno, entonces el ciclo se invierte de nuevo. Durante esta inversion para efectuar otra carrera de almacenamiento, se hace que la bomba hidraulica 12 sea nuevamente seleccionada por el subsistema 7 de control para cambiar la direccion de flujo del fluido hidraulico 13, de manera que el flujo procedente de la lumbrera 14 de bomba hacia la lumbrera 16 de bomba cambie a un flujo desde la lumbrera 16 de bomba a la lumbrera 14 de bomba. De nuevo, el volante 18 mantiene la rotacion del generador/motor 10 y la bomba hidraulica 12. El subsistema 7 de control cierra tambien cada una de las FHPcV 112, la SHPcV 114, la fLpcV 122 y la SLPcV 124.
En este punto, el subsistema 7 de control abre la FLPcV 122 para poner el primer recipiente de compresion/expansion 20 en comunicacion de fluido con la camara de almacenamiento de gas de baja presion 120 y se inicia un flujo de fluido hidraulico 13 desde la lumbrera 14 de bomba a la lumbrera 16 de bomba. Cuando se ha
conseguido suficiente compresion para que la presion este casi en equilibrio entre el segundo recipiente de
compresion/expansion 30 y la camara de almacenamiento de gas de alta presion 110, la SHPcV 114 se abre para poner la camara de almacenamiento de gas de alta presion 110 en comunicacion de fluido con el segundo recipiente de compresion/expansion 30.
En el caso de que se fuera a iniciar un ciclo de recuperacion en este punto, entonces se abrina la FHPcV 112 para poner el primer recipiente de compresion/expansion 20 en comunicacion de fluido con la camara de almacenamiento de gas de alta presion 110, y la SLPcV 124 se abrina para poner el segundo recipiente de compresion/expansion 30 en comunicacion de fluido con la camara de almacenamiento de gas de baja presion 120.
Se pueden emplear diversas estrategias para recuperar la energfa (expansion y descarga de gas presurizado), una de las cuales es dejar abierta la FHPcV 112 justo hasta que la proporcion del fluido hidraulico 13 en el primer recipiente de compresion/expansion 20 iguale la relacion de la presion de gas en la camara de almacenamiento de gas de baja presion 120 con la presion de gas en la camara de almacenamiento de gas de alta presion 110. Independientemente del momento exacto elegido para ciclar la valvula de gas de alta presion (o las valvulas de alta y baja presion) la siguiente "carrera" de la recuperacion comenzana cuando el nivel de lfquido en el primer recipiente de compresion/expansion 20 haya alcanzado su mmimo y cuando el nivel de lfquido en el segundo recipiente de compresion/expansion 30 haya alcanzado su maximo. En ese punto, todas las valvulas de gas estanan cerradas.
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Sin embargo, la siguiente carrera comenzana con una orden a la bomba hidraulica 12 para invertir el flujo de fluido de manera que la carrera siguiente comenzana con un flujo de fluido desde la lumbrera 16 de bomba hasta la lumbrera 14 de bomba, actuando la bomba hidraulica 12 como un motor y actuando el generador/motor electrico 10 como un generador. La SLPcV 124 se abrina para permitir asf la comunicacion de fluido entre la camara de almacenamiento de gas de baja presion 120 y el segundo recipiente de compresion/expansion 30. Asimismo, la SHPcV 114 se abrina de manera que el diferencial de las presiones del gas continuana impulsando el fluido, pero en esta carrera el accionamiento sena desde la lumbrera 16 de bomba hasta la lumbrera 14 de bomba. El momento de cierre de la valvula, que conecta la camara de almacenamiento de gas de alta presion 110 al segundo recipiente de compresion/expansion 30, se corresponded con la proporcion de niveles de fluido hidraulico que igualan la proporcion de presiones de gas, como se ha descrito anteriormente de manera similar.
La figura 7 es un diagrama esquematico de una realizacion alternativa en la que las valvulas entre el subsistema de almacenamiento de gas y los recipientes de compresion/expansion pueden de hecho estar "doblados" de manera que la sincronizacion inflexible de la apertura y cierre de las valvulas no sea tan cntica. En esta realizacion alternativa, una valvula unidireccional solo permitira que el gas escape del recipiente bajo compresion cuando la presion en el recipiente de compresion sea igual a o exceda ligeramente la de la camara de gas a alta presion. De hecho, el "doblado" de las valvulas de gas es necesario si las valvulas controladas electronicamente son unidireccionales por diseno. Si las valvulas se "doblan" entonces una inversion entre almacenamiento y recuperacion de energfa tambien requiere una inversion de que par de las valvulas se selecciona electronicamente.
El procedimiento de almacenamiento/recuperacion anterior puede aplicarse con exito si el lfquido hidraulico es un lfquido ionico (o un lfquido hidraulico que no absorbe manera similar el gas de modo que no pueda ocurrir el fenomeno de la cavitacion), o si las diferencias de presion entre las camaras de almacenamiento de gas de baja y alta presion se mantienen en una proporcion pequena, tal como 3 o 5.
Un problema con la restriccion de las relaciones de presion es que la densidad de energfa que se puede lograr esta restringida a un pequeno porcentaje de lo que podna ser posible dados los tamanos de las camaras. Un problema con el uso de lfquidos ionicos es que son bastante caros, del orden de aproximadamente 500 veces mas caros que el aceite mineral.
Con el fin de abordar el problema de los lfquidos ionicos caros, podna emplearse un liquido menos costoso tal como KRYTOX - un aceite de bomba de vacfo fluorado con una densidad de 2,1 formulado para ser no reactivo con oxfgeno - para la mayor parte del lfquido, pero tambien para hacer flotar una pequena capa protectora de verdadero lfquido ionico (con una densidad mas alta, tal como 1,4) en la parte superior del KRYTOX para proteger la interfaz gas/lfquido. Sin embargo, los niveles de lfquido tendnan que controlarse de tal manera que el lfquido ionico permaneciera enteramente dentro de los recipientes de compresion/expansion 20, 30 y no fuera drenado dentro de la bomba hidraulica 12. Como resultado, se controlanan las carreras para ser mas cortas.
Si se eligiera aceite mineral, los regfmenes de presion tendnan entonces que estar restringidos a proporciones pequenas como 3 o 5, y el gas en los recipientes de compresion/expansion 20, 30 tendna entonces que elegirse cuidadosamente para asegurar que no tuvieran lugar mezclas reactivas o explosivas. Por ejemplo, puede elegirse nitrogeno. Por otro lado, si se utilizara lfquido ionico (como EMIM TFSI) o KRYTOX con una capa de tapa ionica, entonces el gas dentro de los recipientes de expansion de compresion 20, 30 podna ser aire.
Si se usa aire en los recipientes de expansion/compresion 20, 30 y las presiones operativas o maximas se eligen de tal manera que la camara de almacenamiento de gas de alta presion 110 se mantenga hasta 5000 psi o mas, es posible entonces utilizar un sistema de deposito "unico" con dos piezas auxiliares de hardware: un tornillo u otro compresor mecanico para "precargar" o llenar una camara de almacenamiento de gas de baja presion antes de la compresion final de baja relacion con pistones lfquidos, y un motor de aire para descargar el exceso de aire expandido de vuelta a la presion atmosferica. La camara de almacenamiento de gas de baja presion se mantendna como un deposito de trabajo a una presion de entre 300 psi y 1000 psi, por ejemplo. Esto permitina que los compresores convencionales (pero ineficientes) estuvieran correctamente dimensionados para reunir los grandes volumenes de aire de baja presion (menos de 1000 psi) usado para la baja relacion final, pero con una alta compresion de energfa. Se muestra en la figura 8 una realizacion alternativa que tiene esta configuracion. Con esta configuracion, el 80 por ciento de la accion de almacenamiento/recuperacion de energfa se producina al comprimir el aire en el deposito intermedio (presion baja) hasta su presion final de 5000 psi. Dado que las eficiencias son altas con el uso de un compresor de piston lfquido casi isotermico descrito anteriormente, se puede esperar que las eficiencias de ese proceso sean superiores al 80 por ciento. Se espera que las eficiencias previstas de la compresion convencional en el deposito intermedio o de la expansion a traves de un motor neumatico sean del orden de un 30 por ciento (comparables con el almacenamiento de energfa de aire comprimido convencional o CAES), pero las perdidas altas se limitanan al 20 por ciento de la energfa disponible en la expansion/compresion de "baja presion" entre 1 atmosfera y 60 atmosferas, de manera que la perdida total se limita a un 30 por ciento (eficiencia total de aproximadamente un 70 por ciento).
De esta perdida del 30 por ciento, el 14 por ciento proviene de la porcion de baja presion del proceso (70 por ciento del 20 por ciento), y el restante 16 por ciento (que representa el 20 por ciento del 80 por ciento) del ciclo de alta
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presion. Esto aun permite eficiencias globales de almacenamiento/recuperacion de ene^a muy altas, requiriendose solo un gran deposito requerido como el lugar de almacenamiento de la energfa.
Tal deposito unico grande se puede implementar convenientemente como un conjunto de tubos de acero, o preferiblemente como estructuras compuestas de fibra de carbono. Cuando sea adecuado, puede ser aun mas eficaz como un deposito geologico (ya sea una cupula de sal, o incluso un pozo de petroleo agotado) que tiene una capacidad lo suficientemente grande para almacenar cantidades significativas de energfa potencial en forma de gas presurizado. Los depositos geologicos ofrecen la posibilidad de almacenar cientos de megavatios-hora y, por lo tanto, amortiguar instalaciones eolicas o de energfa solar importantes. Las estructuras compuestas de fibra de carbono o los tubos de acero son actualmente menos economicos, pero pueden resultar efectivos para proporcionar almacenamiento de energfa en lugares remotos o en vehfculos portatiles.
El uso de pistones lfquidos para la compresion de gases es un area muy activa del desarrollo tecnico actual. Se describe en el presente documento un enfoque para aislar o restringir la absorcion de gases por el lfquido hidraulico o para efectuar la reduccion de la solubilidad del gas dentro del lfquido hidraulico y de aparatos particulares.
La publicacion de solicitud de patente de Estados Unidos numero 2007/0258828 A1 (Adler y otros) revela la importancia de evitar la absorcion de gas dentro de un compresor de piston lfquido y una solucion que consiste en el uso de lfquidos que no absorben gases. Los lfquidos particulares propuestos son lfquidos ionicos. Sin embargo, los lfquidos ionicos con una solubilidad de gas inferior a 1o-4 mol/l bar disponibles, tales como lfquidos ionicos basados en TFSI (trifluorometanosulfonimida) que incluyen [EMIN/1] [TFS1] o [BMIM] [TFS1] son muy costosos.
La patente de Estados Unidos numero 5.021.125 (Phillip y otros) discute medios para tratar la absorcion de gas en lfquidos hidraulicos asociados con los acumuladores sin piston muy grandes que podnan usarse en fabricas de pulpa al permitir la separacion gravimetrica de lfquido rico en gas por medio de flujos laminares a traves de tubos verticales largos. Esto requiere estructuras ffsicas muy grandes y, a pesar del gran coste, es solo marginalmente efectivo.
La solicitud PCT numero PCT/US2010/035795 (Abom y otros) propone una solucion consistente en insertar dentro de las estructuras de columna de compresion una sombrilla como "tapas" para atrapar burbujas de gas La estructura requerida es compleja y su eficacia no esta probada.
La solicitud de patente de Estados Unidos numero de serie 12/813.781 y la solicitud PCT numero PCT/CA2008/002178 (ambas de Kenway y otros) revela el uso de dos dispositivos, el primero de una lanzadera de piston de aislamiento (con valvulas de conmutacion apropiadas) donde un piston metalico macizo separa el lfquido y el gas (en un dispositivo que se asemeja a un intensificador hidraulico). El primero no se refiere directamente a un compresor de piston lfquido, sino que se refiere a acumuladores "sin piston". El segundo es del uso de lfquidos de baja absorcion como el fluido de compresor EXXCOLUB, o el uso de una capa flotante de "aceite ligero impermeable al gas" que flota sobre el fluido hidraulico.
La patente de Estados Unidos numero 7.802.426 (Bollinger) ensena que, aunque se puede usar un lfquido para "accionar" un piston en un compresor, esa separacion debe mantenerse entre el lfquido y el gas por medio de un piston macizo. Este enfoque evita muchas de las ventajas termodinamicas que se derivan de tener el lfquido en contacto directo con el gas.
Se busca minimizar la absorcion de gas en fluidos hidraulicos (o los lfquidos solubles en gas deben aislarse de los gases de alta presion) debido al fenomeno de la cavitacion en sistemas hidraulicos. En la publicacion titulada "Desgaste por cavitacion en sistemas hidraulicos" (
http://www.machinerylubrication.com/Read/380/cavitation-wear- hydraulic), E.C. Fitch ensena:
http://www.machinerylubrication.com/Read/380/cavitation-wear- hydraulic), E.C. Fitch ensena:
"El fenomeno de la cavitacion consiste en la interrupcion de la continuidad en el lfquido en el que hay una considerable reduccion local de la presion. La formacion de burbujas dentro de lfquidos (cavitacion) comienza incluso en presencia de presiones positivas que son iguales o cercanas a la presion de vapor saturado del fluido a la temperatura dada. ...El mecanismo de cavitacion se puede describir como sigue: cualquier lfquido contendra burbujas gaseosas o vaporosas, que sirven como nucleos de la cavitacion. Cuando la presion se reduce hasta cierto nivel, las burbujas se convierten en deposito de vapor o de aguas disueltas. El resultado inmediato de esta condicion es que las burbujas aumentan rapidamente en tamano. ...Se cree que la reduccion de la estabilidad volumetrica en la mayona de los lfquidos se asocia con el contenido de diversas mezclas, tales como partfculas solidas y burbujas de gas-vapor no humedas, en particular las que se encuentran a un nivel submicroscopico, que sirven como nucleos de cavitacion. Un aspecto cntico del proceso de desgaste por cavitacion es la destruccion de la superficie y el desplazamiento del material causado por movimientos relativos altos entre una superficie y el fluido expuesto. Como resultado de tales movimientos, la presion local del fluido se reduce ...Cuando la presion vuelve a la normal (que es mas alta que la presion de vapor del fluido), se producen implosiones que hacen que la cavidad o las burbujas de vapor se colapsen. Este colapso de las burbujas genera ondas de choque que producen fuertes fuerzas de impacto en las superficies metalicas adyacentes y causan endurecimiento de trabajo, fatiga y fosas de cavitacion. Por lo tanto, la cavitacion es el nombre dado a un mecanismo en el cual las burbujas de vapor (o cavidades) en un fluido crecen y se colapsan debido a las fluctuaciones de presion locales."
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La cita anterior de la publicacion E.C. Fitch no enfatiza los efectos de temperatura dado que considera tanto los gases como los vapores absorbidos del lfquido hidraulico. En el caso de los vapores, los cambios de presion en el Kquido hidraulico global que surgen de los flujos superficiales locales pueden causar un cambio de fase y un colapso completo de la "burbuja". En el caso de gases absorbidos, el mecanismo puede ser significativamente diferente con relacion a cambios drasticos de temperatura localmente en la burbuja, o incluso la explosion de una burbuja como resultado de la combustion local (si la burbuja contiene aire, oxfgeno o un gas reactivo). Dado que algunos disenos de compresor/expansor de piston lfquido dependen de bombas hidraulicas, o de motores o valvulas para controlar y mover el lfquido hidraulico, es una consideracion importante la minimizacion de la absorcion de gas y el aumento del aislamiento entre gas y lfquidos hidraulicos en los que el gas es soluble.
En este documento se consideran realizaciones de pistones lfquidos.
El uso de un proceso de dos lfquidos tamponado emplea un lfquido para el piston lfquido y un segundo lfquido para el funcionamiento de la bomba hidraulica 12. El primer lfquido puede ser, por ejemplo, refrigerante a base de etilenglicol/agua/inhibidor para la compresion de gases reactivos, ya que este lfquido no se congela o hierve facilmente, y es tambien no inflamable y, por lo tanto, no produce una mezcla explosiva en combinacion con el aire. El segundo lfquido puede ser, por ejemplo, aceite hidraulico. Los dos lfquidos estan separados por un piston aislador (de material macizo), de modo que el lfquido del piston lfquido nunca atraviesa componentes que puedan producir cavitacion.
Se muestra en la figura 16 un sistema de dos lfquidos que emplea un tampon. Tal aparato esta configurado preferiblemente de modo que el lfquido mas pesado este siempre "debajo" del lfquido mas ligero. Como tal, incluso si los dos lfquidos se fugan mas alla de sus juntas, su orden basica se mantiene. Dado que el "lfquido de compresion" 203 se utiliza para el intercambio de calor, este pasa hacia abajo a traves de la tubena 205 que se eleva detras del cilindro de aislamiento 204 y a traves 206 de una envuelta de alta presion externa y de un intercambiador de calor tubular 207 en su camino desde la camara de compresion/expansion 211. El lfquido 203 de la camara de piston intermedio es el mismo que el lfquido 210 y es este lfquido el que atraviesa de la malla interna de intercambio de calor dentro de la camara de compresion/expansion. El lfquido 201 es el aceite hidraulico mas ligero (menos denso) que realmente fluye dentro y fuera de los motores y valvulas de las bombas hidraulicas convencionales. No tiene contacto con el gas y esta tamponado por el piston macizo 202.
En la figura 17 se muestra un sistema de dos lfquidos sin tampon. Este sistema emplea un lfquido primario que es un lfquido denso y no reactivo como unos fluidos de bomba de vacfo DuPont KRYTOX, aceites de la serie Dupont KRYTOX NRT, o aceites halocarbonados con una densidad de aproximadamente 1,9 g/cc. El lfquido tampon es un lfquido con una solubilidad gaseosa extremadamente baja tal como un lfquido ionico GEMIM] [bTa], [BMlM] [BTA] o [BMMIM] [BTA], por ejemplo, que tiene una densidad de aproximadamente 1,5 g/cc. Dado que el lfquido tampon flota sobre el lfquido primario y dado que solo el lfquido primario atravesara la bomba (o pasara fuera de la camara de compresion/expansion), la tapa tampon permanecera flotando. Ademas, puesto que el lfquido ionico tiene una baja viscosidad, este pasara facilmente a traves de estructuras internas de intercambio de calor dentro de la camara de compresion/expansion del piston lfquido.
El sistema de dos lfquidos sin tampon es significativamente mas sencillo ya que hace innecesario tener un cilindro intermedio. Como se discutio anteriormente, los niveles de fluido deben controlarse de manera que el KRYTOX o el aceite halocarbonado nunca sea drenado del recipiente de compresion/expansion. Esto se debe a que en este momento no esta claro que la separacion de densidad gravimetrica, que mantiene el tampon de aislamiento flotante, sera recuperable si el lfquido ionico mas ligero se distribuye a traves de las cavidades de las valvulas hidraulicas, bombas y motores en la parte hidraulica convencional del sistema.
Se muestra en la figura 18 un sistema que emplea un piston macizo para aislar las lumbreras primera y segunda 14, 16 de la bomba hidraulica. Esta realizacion es muy similar al sistema de “dos lfquidos” tamponado mostrado en la figura 16. Sin embargo, en la realizacion ilustrada en la figura 18, los dos pistones de aislamiento son reemplazados por una unica estructura que acepta las lumbreras primera y segunda 14, 16 de la bomba de una bomba/motor hidraulico convencional (por ejemplo, un desplazamiento variable del piston axial descentrado de la bomba/motor como el Linde HPW280) y conecta las lumbreras 14, 16 de la bomba a las dos camaras anulares centrales de una estructura que se asemeja a un intensificador hidraulico. La finalidad de esto es doble: en primer lugar, aislar el lfquido hidraulico que atraviesa la bomba de motor desde el lfquido que actua como el piston lfquido y, en segundo lugar, para anular cualquier "presion de compensacion" o presion de carga. Muchos componentes hidraulicos requieren presion de carga. Si un motor o bomba hidraulicos requiere presion de carga, entonces la presion en las
lumbreras 14, 16 de bomba no puede caer por debajo de la presion de carga. Puesto que las presiones en un
aparato de compresion/expansion que implican pistones lfquidos pueden caer por debajo de un nivel de presion arbitrario para la carga (por ejemplo, 300 PSI) es necesario un aislador como el descrito anteriormente. Si las
lumbreras 14, 16 de bomba estan ambas conectadas al centro de dos camaras anulares de una estructura de
intensificador y los dos volumenes cilmdricos que comprenden las camaras extremas del intensificador estan conectados cada uno a las camaras de compresion/expansion del piston lfquido reales, y el volumen de cada uno de los cilindros extremos en el intensificador es aproximadamente el mismo que el volumen de cada una de las camaras de compresion/expansion, entonces se aislaran los dos lfquidos (para minimizar la absorcion de gases) y la
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presion de carga se anulara de manera que solo la presion diferencial entre las lumbreras 14 y 16 de bomba accione el Kquido de compresion/expansion y el proceso de compresion/expansion.
En una realizacion alternativa, un grupo de estructuras de intensificador paralelas puede estar conectado en paralelo con cada uno de un volumen menor que el volumen de la camara de compresion/expansion, pero cuyo agregado excede el volumen de la camara de compresion/expansion. Si para el ejemplo se usaron 4 estructuras de intensificador, cada una con una relacion de intensificacion de 1, entonces podna elegirse cada una para que tuviera un volumen ligeramente superior a un cuarto (1/4) del volumen de la camara de compresion/expansion.
Alternativamente, dentro del grupo mediante una conexion de canalizacion apropiada, puede alternarse la direccion de movimiento de los pistones macizos, de manera que la aceleracion de los pistones produce fuerzas y momentos totales reducidos sobre la estructura y los soportes mecanicos.
Alternativamente, se puede incorporar una relacion de intensificacion real en el intensificador de manera que se pueda usar un sistema hidraulico de presion mas alta con gases de presion mas baja, o viceversa (por ejemplo, intensificacion 5:1 para aceite a 5000 PSI para comprimir/expandir gas a 1000 PSI).
Para el sistema anteriormente descrito en el que la energfa puede entregarse o extraerse del generador/motor 10, se proporciona una circuitena de acondicionamiento de potencia electrica. Es decir, para que la potencia electrica sea suministrada bajo control al generador/motor 10 (es decir, el impulsor primario electrico) se conecta una circuitena, que contiene elementos de excitacion de frecuencia variable (VFD), entre la fuente de la potencia electrica (red o rejilla de potencia) y el propio generador/motor. Se entendera que los VFD son, en general, bien conocidos.
Por ejemplo, la smtesis de formas de onda de corriente alterna (CA) se discute en la patente norteamericana numero 3.947.736 (Byers y otros), se discute en la patente norteamericana numero 4.286.203 (Ehret) el control de un deslizamiento dentro de motores de induccion de corriente alterna (CA) mediante el uso de estas formas de onda de impulso sinteticas, se discute en la patente norteamericana numero 3.971.972 (Stitch) el uso de la modulacion de ancho de impulso (PWM) para conmutar las unidades basicas de corriente y tension al motor, se discute en la patente norteamericana numero 4.128.793 (Stitch) el uso de rectificadores controlados por silicio (SCRs) o Tiristores como un elemento de conmutacion mas efectivo, y se discute en la patente norteamericana numero 4.618.810 (Hagerman y otros) la consideracion de usar todas las tres fases (en configuraciones tanto directas como invertidas) para proporcionar una fuente controlable de tension y corriente para la smtesis completa por PWM.
Ademas, la patente norteamericana numero 4.364.037 de Becke y otros discutio el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) que simplifico los dispositivos requeridos para conmutar energfa. Bose y otros discuten ademas los principios necesarios para utilizar estos dispositivos en el control suave de maquinas electricas.
Aunque el impulsor primario que es parte de la realizacion descrita no es un motor de induccion, sigue siendo importante un control estrecho. El control de un generador smcrono operado como un motor smcrono requiere modificaciones de las estrategias que gobiernan el uso convencional de VFDs normalmente utilizados para controlar motores de induccion de corriente alterna.
Cuando se utiliza como motor smcrono, se emplean tanto un filtrado mas extremo contra armonicos como un control de realimentacion que reconoce la aceleracion lenta requerida para un motor smcrono con el fin de "arrancar" el generador. La corriente de excitacion tiene que aplicarse tipicamente como una forma de onda de CA de una frecuencia de entre 40 y 240Hz para utilizar los devanados de excitador como "transformador" cuando el generador se arranca desde una velocidad angular de cero. En este estado de cero rpm todavfa es posible inducir un campo magnetico significativo en el rotor mediante el uso del devanado de estator del excitador como el primario de un transformador y el devanado del rotor de excitador como el secundario que recibe la corriente transformada y la rectifica antes de que la corriente fluya hacia los devanados del rotor principal del generador que se utiliza como un motor.
El rotor se transforma asf en el equivalente de un iman permanente multipolar cuyo par rotacional se genera por la aplicacion de un campo magnetico rotatorio a las bobinas de estator del generador. Dado que los campos magneticos y las intensidades de corriente del estator son aun altos incluso cuando el rotor esta estatico o arrancando, los campos generados por el "VFD" pueden aplicarse solamente como impulsos de media fase sencillos separados ampliamente cuando el motor comienza a girar. Si se aplican convencional y continuamente, el generador (que actua como un motor smcrono) puede fallar al arrancar para girar o bien oscilar hacia una posicion mas o menos bloqueada.
El filtrado post-IGBT debe ser tanto alto en inductancia como afinado, de modo que las formas de onda tiendan a ser lisas. El uso de rectificadores de fase controlada o IGBTs en el puente de diodo se puede utilizar para lograr un mayor nivel de alisado. El afinado de salida puede ser altamente elevado (Q alta) con respecto a la frecuencia de red local, ya que el circuito inversor se utilizara para entregar potencia “limpia” de vuelta a la red cuando el sistema este en modo de recuperacion.
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El giro inicial del generador como motor solo debe iniciarse cuando la bomba hidraulica "descentrada" 12 esta en una posicion "neutra", por lo que esta no ofrece de manera eficaz un par de arranque resistivo (o cuando la bomba hidraulica 12 actua realmente como motor por lo que genera un par "negativo" y hace girar el generador/motor 10).
De hecho, dado que este aparato es en general reversible, el diferencial de presion de gas puede utilizarse inicialmente en un modo "expansor" para generar el par de arranque en el arbol de la bomba “descentrada” para ayudar a comenzar a girar el arbol de generador cuando el generador llega a acelerar como un motor.
Tfpicamente, las velocidades operativas estaran entre 500 y 2000 rpm (por ejemplo, 1800 rpm para un generador de 4 polos de 60 Hz) como es apropiado para generadores multipolares de 50 y 60 Hz. Los problemas de arranque que deben superarse por los medios especiales descritos anteriormente se refieren a la obtencion de los primeros cientos de RPM de velocidad de rotacion en el arbol mediante los cuales se acoplan el generador/motor 10 y la bomba hidraulica 12.
A continuacion, se describira brevemente la dependencia temporal de la salida de potencia, la velocidad angular y otras caractensticas de esta invencion.
En cada carrera de expansion, el momento en el que el gas de alta presion se introduce inicialmente en un recipiente de compresion/expansion para expansion, es el momento en el que esta disponible la maxima cantidad de potencia en esa carrera de expansion. Durante el curso de esa carrera de expansion, la potencia disponible disminuye. La figura 9 es un grafico que muestra la variacion de la salida/entrada de potencia de un generador/motor a lo largo del tiempo. A medida que finaliza cada carrera, la potencia cae - reiniciandose en su valor pico cuando el flujo se invierte y comienza una nueva carrera. Un ciclo inverso describe el almacenamiento de energfa en el ciclo de compresion. Es igualmente importante regular el ciclado de potencia en compresion; los mecanismos de regulacion son los mismos, pero utilizados a la inversa.
Debido al uso de una bomba hidraulica 12 "descentrada" como elemento rotacional que acopla el flujo de lfquido con la energfa mecanica, la direccion de rotacion de la bomba no necesita cambiar cuando se invierten los ciclos. De este modo, el momento angular de la bomba hidraulica 12 y el generador/motor electrico del sistema 5 mantienen una velocidad de rotacion que vana con la ganancia y la perdida de energfa a traves de los ciclos de compresion/expansion.
La figura 10 es un grafico que muestra la variacion de la velocidad angular de rotacion y la variacion de la salida/entrada de potencia del generador/motor a lo largo del tiempo. Puesto que el magnetismo dentro del rotor del generador/motor 10 puede controlarse usando la corriente del excitador, es posible regular la velocidad a la cual la potencia entra y sale. La modulacion de la corriente del excitador alcanza un pico cuando la velocidad de rotacion alcanza su mmimo y se hunde cuando la velocidad de rotacion alcanza su maximo Esto permite alisar las variaciones de potencia dentro de la carrera y el ciclo.
La figura 11 es un grafico que muestra la modulacion de la corriente de excitador del generador/motor con la variacion de la velocidad angular en el tiempo para alisar las variaciones de salida/entrada de potencia. La modulacion de esta corriente de excitador (o la modulacion de una portadora de frecuencia mas alta (40-200Hz) que describe la corriente de excitador) proporciona una regulacion significativa de la salida de potencia como se muestra esquematicamente en la figura 12, que es un grafico que muestra la variacion resultante de la entrada/salida de potencia del generador/motor a lo largo del tiempo como resultado de la variacion de la corriente del excitador.
Esta regulacion de la salida (o entrada) de potencia se consigue en coordinacion con cambios de control aplicados al volumen de la bomba hidraulica 12 "descentrada". La figura 13 muestra como se sincronizan estos ciclos de control.
Este cambio y la inversion de volumen en la bomba "descentrada" es tambien una parte integral de la presente invencion. Sin embargo, seguiran existiendo fluctuaciones en la frecuencia de rotacion puesto que el momento angular del sistema (que en esta realizacion incluye un volante 18) es en sf mismo parte del sistema 5 de almacenamiento/recuperacion de energfa que proporciona energfa a corto plazo para llenar los vados cuando el ciclo de compresion/expansion no ofrece la posibilidad de un almacenamiento o recuperacion significativos de energfa.
Se anticipa que los tiempos de los ciclos de compresion/expansion para el sistema 5, que se ha de emplear en usos comunes, son del orden de 30 a 60 segundos.
Aunque el volante 18 esta destinado a proporcionar o absorber energfa con una constante temporal del orden de algunos segundos para ayudar a alisar el ciclo, la frecuencia de rotacion variable requiere el uso de dispositivos similares a VFDs para permitir una conexion eficiente a la red o rejilla de potencia. Esto se debe a que la velocidad de rotacion debe variar algo con respecto a las velocidades del motor sincronizadas dictadas por la frecuencia de la rejilla (tfpicamente 50 o 60 Hz). Los componentes electronicos que realizan esta funcion permiten la rectificacion aislada de la potencia trifasica entrante, la resmtesis mediante el filtrado de las formas de onda de salida procedentes de los IGBTs de PWM en una potencia de salida trifasica con una frecuencia diferente y la conmutacion cuidadosa de esa de esa potencia de manera que pueda ser entregada desde la red electrica al impulsor principal (o
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en la direccion opuesta viniendo desde el generador hacia la red con una resmtesis de frecuencia cuando se genera electricamente potencia).
Segun esta realizacion, tales circuitos se emplean para conseguir la excitacion de frecuencia variable cuando el motor/generador 10 esta siendo utilizado como un motor y la reutilizacion de los mismos elementos de circuito para servir como un inversor que vuelve a muestrear la potencia producida cuando el motor/generador 10 esta siendo utilizado como generador (generando a frecuencias que deben diferir de la red ya que son necesarias variaciones de velocidad angular para alisar la salida de potencia).
En efecto, en el modo de recuperacion, los elementos VFD producen salida electrica para entrega a la red o rejilla electrica que esta emparejada tanto en frecuencia como en fase con la potencia de la red. Se unen unas resistencias de "de sangrado" a los tres devanados del estator cuando el generador se conmuta entre la funcion de motor y la de generador. Aunque no se muestra, se puede usar un contactor separado para desconectar la de sangrado de modo que se limita la perdida de eficiencia durante la operacion continua.
Los contactores, diodos, resistencias, inductores, condensadores de filtro e lGBTs mostrados esquematicamente en la figura 14 ilustran una realizacion de este doble uso del control de potencia de smtesis de frecuencia PWM.
En el modo de almacenamiento, los contactores S1 y S3 estanan cerrados. En el modo de recuperacion S2 y S4 estanan cerrados. La secuencia debe ser "interrumpir antes de hacer” para que el par S1/S3 nunca se cierre simultaneamente con el par S2/S4.
En esta realizacion, las resistencias de sangrado aseguran que exista una trayectoria de "escape" para la energfa residual, puesto que el generador/motor 10 girara tfpica y continuamente con independencia del modo en el que este el sistema 5. Cuando todos los contactores estan abiertos, tambien es necesario que la corriente de excitador sea minimizada para evitar transitorios en exceso. Esta coordinacion de los modos de la corriente de excitador, del volumen de la bomba, de la direccion de la bomba, de las valvulas de gas, de los niveles de lfquido y de los IGBTs es gestionada globalmente por el subsistema 7 de control.
Los conductores de puerta de los lGBTs estan conectados tfpicamente a un microordenador local programado para implementar las estrategias apropiadas de arranque/parada y ejecucion de PWM, y son controlados y secuenciados por el subsistema 7 de control.
Estas estrategias de PWM diferiran tfpicamente de las encontradas en un VFD convencional ya que la mayor parte de la aplicacion estara dentro de rangos de frecuencia proximos a (pero difiriendo ligeramente de manera continua de) la frecuencia de la red electrica. Ademas, es posible "sintonizar" la salida del generador (o motor) eligiendo una frecuencia de excitador de CA que "lata" con la frecuencia de la red y las frecuencias de rotacion. El control del inversor de VFD debe ejercer el control del excitador para producir el alisamiento maximo en la forma de onda salida final, como se muestra en la figura 15. Se pretende que el arranque y la parada del sistema 5 sean eventos raros, pero se requiere una smtesis eficiente y limpia de potencia para la condicion de funcionamiento normal.
Relacionado con el sistema 5 anteriormente descrito para el almacenamiento y recuperacion de energfa se encuentra el concepto particular de uso de tal sistema 5 en fuentes de alimentacion ininterrumpible y similares.
La interrupcion de la alimentacion en ciertos sistemas puede tener consecuencias graves. Por ejemplo, en un molino durante el aserrado de lena, el fallo de alimentacion puede ocasionar la perdida de horas de funcionamiento, mientras que debe cortarse manualmente la lena a mitad de corte debido a la perdida de alimentacion. Aun pueden experimentarse mas situaciones cnticas resultantes de la perdida de potencia en un reactor o en un hospital.
En las aplicaciones donde la interrupcion debe ser "moderada" se emplean a menudo fuentes de alimentacion ininterrumpible (UPS) de diversas configuraciones; un problema fundamental con la mayona de los disenos de UPS radica en el mecanismo para conmutar entre la fuente de alimentacion primaria (normalmente la red) y las fuentes de alimentacion secundarias. El problema es especialmente agudo cuando estan involucradas multiples transiciones. Por ejemplo, en situaciones en las que la red (rejilla) es la fuente de energfa primaria, y una “pasada” por la UPS proporciona de 15 segundos a 2 minutos de alimentacion hasta que se inician y se estabilizan los generadores de respaldo diesel. En tales circunstancias, se requieren varias transiciones para recorrer toda la secuencia y finalmente recuperarse con la restauracion de la alimentacion a la red.
Los problemas que pueden surgir tienden a ser mas severos en los sistemas de potencia en los que el nivel de potencia excede de 100KW y de tal manera deben “conmutarse” de forma segura grandes cantidades de potencia. Es altamente deseable desarrollar tanto procesos como aparatos que permitan una conmutacion continua aun mas general entre fuentes de potencia a altos niveles de potencia cuando se producen cafdas o apagones en la fuente de potencia primaria de corriente alterna, que es tfpicamente la red electrica.
Los conceptos basicos de sistemas de alimentacion de respaldo y fuentes de alimentacion ininterrumpible son bien conocidos, y se muestran en la figura 19 los componentes principales de un sistema UPS de este tipo.
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Los problemas que conducen a transiciones no continuas de fuentes de potencia de primaria a secundaria tienden a estar causados porque, cuando se usan conjuntamente con "electronica de control" moderna, como los VFD, los pequenos "fallos" de transicion tienden a disparar los controladores de motor, los ordenadores de VFD y otras funciones cnticas. Aunque el UPS o los sistemas de alimentacion de respaldo proporcionan "relleno" de alimentacion, las transiciones son diffciles de gestionar y se disparan los controladores, las luces metalicas de vapor se apagan o los procesos se detienen en el breve parpadeo que tiene lugar cuando la potencia de respaldo "surte efecto”.
El concepto de usar semiconductores de conmutacion de alta potencia para controlar motores se ensena por Byers en la patente de Estados Unidos numero 3.947.736. El control del deslizamiento dentro de los motores de induccion de CA mediante el uso de estas formas de onda de impulso sinteticas se describe por Ehret en la patente de Estados Unidos numero 4.286.203. El uso de la modulacion de anchura de impulso (PWM) para conmutar las unidades basicas de corriente y tension en el motor se ensena por Stitch en la patente de Estados Unidos numero 3.971.972. El uso de SCRs o Tiristores como elementos de conmutacion mas eficaces se ensena por Stitch en la Patente de Estados Unidos numero 4.128.793, y la consideracion de usar todas las tres fases en configuraciones tanto directas como invertidas para proporcionar una fuente controlable de tension y corriente para una smtesis completa por PWM se ensena por Hagerman y otros en la patente de Estados Unidos numero 4.618.810.
Ademas, Becke y otros, en la patente de Estados Unidos numero 4.364.037 ensenan el uso de lGBTs, que simplifican los dispositivos necesarios para conmutar la alimentacion. Bose y otros, en la publicacion titulada Sistemas de accionamiento de corriente alterna de velocidad ajustable, Nueva York: IEEE Press, ISBN 0-87942-1460, ensenan ademas los principios de uso de estos dispositivos para el control suave de maquinas electricas.
La figura 20 es un diagrama esquematico de una etapa de rectificacion para la fuente de alimentacion ininterrumpible de la figura 19. Los rectificadores mostrados en la figura 20 son, de hecho, rectificadores controlados de silicio o SCRs. Estos permiten un muy buen control de la carga, pero en la mayona de aplicaciones seran suficientes diodos de estado solido sencillos.
La figura 21 es un diagrama esquematico de una etapa de rectificacion alternativa para la fuente de alimentacion ininterrumpible de la figura 19. El circuito de la figura 21 es mas practico para niveles de potencia mas altos que permiten una carga controlada de un condensador que almacena la corriente continua y proporciona la rigidez convencional del bus de CC en los disenos conocidos originales.
La figura 22 es un diagrama esquematico de las etapas de rectificacion de tension; alisado e inversion de una variacion de la fuente de alimentacion ininterrumpible de la figura 19. Se proporciona un filtrado apropiado de modo que el circuito de carga produzca una CC lisa en el condensador (siendo el condensador el que define el centro nodal del bus de DC).
La figura 23 es un diagrama esquematico de la etapa de salida de la fuente de alimentacion ininterrumpible de la figura 19 y proporciona la forma de onda CA resintetizada utilizando la tecnica de modulacion de ancho de impulso (PWM). Esto se muestra esquematicamente en la figura 24, que afsla uno de los conjuntos de IGBTs.
Segun esta realizacion de la invencion, se utiliza un bus de CC rigidizado como el medio primario de interconexion entre una variedad de cargas (como una multiplicidad de motores de CA de alta potencia) y la red de CA, asf como el sistema de almacenamiento electrico y generadores de respaldo. En particular, la excitacion se controla en combinacion con las caractensticas de conmutacion natural de los puentes de diodo para permitir transiciones generalmente mas continuas entre las fuentes de potencia de respaldo y primaria en el caso de una cafda de tension o apagon momentaneo de la fuente de potencia primaria. Tal control puede obtenerse mediante el control de la tension y la corriente de excitador aplicadas a las bobinas de excitacion de un generador de CA smcrono.
El concepto de controlar la excitacion para proporcionar transiciones generalmente mas continuas es aplicable al control del motor para funciones cnticas (o potencia de respaldo para funciones cnticas) puesto que la centralizacion de la interconexion al nivel de bus de CC permite entregar las funciones de excitacion del impulso de frecuencia variable (VFD) con mayor econoirna a una serie de motores o cargas distribuidas en toda una fabrica o instalacion grande con el beneficio simultaneo de proporcionar proteccion frente a baja tension.
La "rigidizacion" del bus de CC y el control de la excitacion dentro de multiples generadores de CA (una funcion que en la tecnica anterior ha sido gestionada localmente dentro de cada generador por un llamado circuito de regulacion automatico de tension o AVR) para crear niveles de umbral, y la variacion de estrategias tradicionales de PWM en las etapas de salida IGBT para crear "resiliencia" frente a pequenos cambios en los valores del bus de CC, puede hacer que el bus de CC sea adecuado como punto de conexion “en fabrica” o en una institucion.
Segun una realizacion, multiples fuentes de potencia secundarias y una fuente de potencia primaria estan conectadas en paralelo a un bus de CC, como se muestra en la figura 25, este bus es "mas ngido" que el bus de CC dentro de un VFD o UPS normales porque tiene multiples fuentes posibles de tension de CC. Tambien puede ser rigidizado por la adicion de supercondensadores, como se sugiere en materiales EPRI, Sandia, nEtL como almacenamiento de energfa para recursos de energfa distribuidos y otros sistemas de energfa electrica (2003).
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Ademas, el bus de CC puede ser rigidizado adicionalmente conectando batenas como fuentes de potencia secundarias.
Incluso sin las fuentes de CA paralelas, este tipo de bus de CC tiene ya la ventaja de que es relativamente estable, dependiendo principalmente del tiempo de descarga de los condensadores, los supercondensadores o las batenas en la carga.
En los sistemas de potencia grandes, las fuentes secundarias de potencia de CA trifasicas son usualmente tambien alternadores o generadores de CA, como se muestra en la figura 26.
Para interconectar multiples fuentes de energfa secundarias con una fuente primaria de esta manera, las tensiones de excitacion se gestionan de modo que los generadores de alta potencia puedan permanecer en "espera" como reserva de “rotacion" asmcrona con tiempo de conmutacion de subciclo gracias a la conmutacion de diodos compartida disponible como parte de la estructura de "bus de CC ngido".
La regulacion automatica de tension (AVR) ha sido tradicionalmente una funcion analogica y, aunque existe el control digital de AVR, y el control digital comun a veces se utiliza en grandes instalaciones de generacion de potencia para la gestion de recursos smcronos, el “bus de CC ngido” proporciona una mejora. De hecho, la AVR tradicional se elimina y se sustituye por una corriente de excitador controlada por ordenador (mediante un convertidor digital a analogico, o D/A, conectado al ordenador de control o un modulo de salida analogico conectado a un PLC). La corriente de excitacion del generador dentro del aparato se mantiene a un nivel que produce una salida rectificada "justo por debajo" del nivel de tension producido al rectificar la red. Dado que el arbol del aparato esta girando siempre y solo requiere liberacion de presion de gas a traves de las valvulas de solenoide, y el movimiento del "plato oscilante" dentro de la bomba descentrada para liberar esa potencia al arbol del generador, el control gentil de la corriente de excitacion proporciona una manera suave de transicion entre varias grandes fuentes de alta potencia que comparten el "bus de CC ngido”.
Por ejemplo, los generadores que alimentan un "bus de CC ngido no necesitan sincronizarse entre ellos. Esto implica que los volantes u otros dispositivos de recuperacion de almacenamiento de energfa (como el sistema 5 descrito anteriormente y las alternativas de los mismos) que producen su salida de CA a traves de generadores o alternadores giratorios pueden mantenerse en estado de espera simplemente manteniendo su tension de excitacion a un nivel lo suficientemente bajo como para que las variaciones ordinarias en el "bus de CC ngido" no atraviesen el nivel de tension rectificado pico de esa fuente de CA espedfica.
De este modo, si la fuente primaria se cae o se apaga, la potencia dentro de los alternadores de CA giratorios se extrae cuando el bus de cC cae por debajo del umbral de diodo para la fuente de potencia secundaria particular. Esto ofrece una transicion generalmente continua a las fuentes secundarias y permite a los volantes o sistemas, tales como el sistema 5 y las alternativas descritas en el presente documento, que proporcionan de 15 segundos a 2 minutos de potencia, mantengan el nivel de tension de cC y retardar la tasa de cafda.
Si todas las cargas estan unidas mediante bloques inversores lGBT controlados independientemente, como se muestra en la figura 27, se puede gestionar el control suave de cargas cnticas en el caso de un fallo de la fuente de energfa primaria.
Las cargas prioritarias pueden mantenerse durante el tiempo que sea necesario (tal vez indefinidamente si la carga esta operando la alimentacion de un teatro, o la bomba de refrigeracion en un reactor nuclear). Las cargas no prioritarias pueden ser apagadas o secuenciadas suavemente ya que la alimentacion de CA invertida que las excita se controla individualmente por bloques de salida lGBT.
Tales bloques de salida de semiconductor casi no tienen coste (en comparacion con, por ejemplo, un VFD completamente implementado) y ofrecenan al menos un arranque suave de motores/cargas en todo momento. Sin embargo, estos bloques lGBT son utiles puesto que el algoritmo para el control del modulo de PWM puede modificarse para permitir una cierta "cafda" en el bus de DC.
Tal cafda es inevitable con el uso de la conmutacion de diodo para proporcionar una transicion continua de fuentes de potencia como se muestra en la figura 29. Esto puede aliviarse en parte levantando suavemente las tensiones de excitacion en los alternadores secundarios de CA cuando cada uno de ellos "entra en juego" en la gestion de potencia. A medida que aumenta cada tension de excitador, tambien aumentara la tension de CA asociada con el alternador en particular, y esa fuente predominara en la conmutacion de diodo que da acceso al "bus de DC ngido".
La figura 28 ilustra el mecanismo basico de conmutacion de tension.
La figura 30 ilustra un control centralizado para la gestion de potencia global. La variacion de la estrategia de PWM (desde convencional) requerida para superar la cafda se puede expresar simplemente con el concepto de que la tension nominal fijada del "bus de CC ngido" se establece mas alta de lo que normalmente se requerina de modo que los anchos de impulso y la densidad de impulsos requeridos para lograr un funcionamiento ordinario sean mas cortos e inferiores que los ordinarios. Cuando se fija la cafda (hasta el 5 o 10% del lfmite requerido en este tipo de
proceso o aparato), los anchos y densidades de impulso se "degradan" a normal. Esto requiere una eleccion de IGBTs con una tension ligeramente mas alta, pero la prima de coste no debe ser significativa.
La estructura de "bus de CC ngido" tambien puede requerir el funcionamiento ffsico de cables de alta tension de CC a lo largo de todas las fabricas o instalaciones que utilizan este proceso o este tipo de aparato.
5 Aunque se han descrito realizaciones, los expertos en la tecnica apreciaran que pueden realizarse variaciones y modificaciones sin apartarse del proposito y del alcance del mismo segun se define en las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, aunque las realizaciones se han descrito anteriormente empleando un subsistema de generador/motor unitario, en una realizacion alternativa, el subsistema de generador/motor puede comprender un generador que es un componente separado del motor. Como tal, el arbol al que esta acoplada la bomba hidraulica 12 tambien estana 10 acoplado a dos componentes: un motor y un generador. Con tal configuracion, el motor podna seleccionarse y/o ajustarse a los requisitos para recibir potencia externamente y accionar la bomba hidraulica, y el generador podna seleccionarse y/o ajustarse por separado a los requisitos de ser accionado por la bomba hidraulica y de generar electricidad.
El generador puede estar sobredimensionado, de modo que si, por ejemplo, se desea generar 100 kW, se 15 selecciona un generador que es capaz de generar un multiplo de la potencia deseada. Si bien el coste de la infraestructura del sistema aumentana probablemente, se obtendnan eficiencias operacionales debido a que la perdida de calor en un generador mas grande que funciona dentro de un rango muy eficiente sena menor que la perdida de calor en un generador mas pequeno que quizas operase fuera de su rango mas eficiente.
Claims (15)
- 5101520253035404550REIVINDICACIONES1. Un sistema (5) para almacenar y liberar energfa, teniendo el sistema (5) un estado de almacenamiento y un estado de liberacion y comprendiendo:un subsistema (10) de generador/motor;una bomba hidraulica (12) configurada para bombear fluido hidraulico (13) entre unas lumbreras primera y segunda (14, 16) de bomba en respuesta a una fuerza aplicada a la bomba hidraulica (12) por el subsistema (10) de generador/motor durante el estado de almacenamiento y configurada tambien para impartir una fuerza al subsistema (10) de generador/motor en respuesta a que el fluido hidraulico (13) sea forzado a fluir a traves de la bomba hidraulica (12) durante el estado de liberacion entre las lumbreras primera y segunda (14, 16) de bomba;un primer recipiente de compresion/expansion (20) para intercambiar fluido hidraulico (13) con la bomba hidraulica (12) a traves de la primera lumbrera (14) de bomba;un segundo recipiente de compresion/expansion (30) para intercambiar fluido hidraulico (13) con la bomba hidraulica (12) a traves de la segunda lumbrera (16) de bomba;un subsistema (100) de almacenamiento de gas que comprende al menos una pluralidad de valvulas de gas (112, 114, 122, 124) y que esta configurado para recibir y almacenar gas forzado a traves del fluido hidraulico (13) desde los recipientes primero y segundo de compresion/expansion de gas (20, 30) durante el estado de almacenamiento, estando configurado el subsistema (100) de almacenamiento de gas para liberar gas durante el estado de liberacion para impartir asf fuerza al subsistema (10) de generador/motor a traves del fluido hidraulico (13);un intercambiador de calor interno (22, 32) dentro de cada uno de los recipientes primero y segundo de compresion/expansion (20, 30) para intercambiar calor entre el fluido hidraulico (13) y el gas de su interior, teniendo cada intercambiador de calor interno (22, 32) una masa termica muy grande con relacion a la masa de gas dentro de los recipientes primero y segundo de compresion/expansion (20, 30); yun subsistema (7) de control configurado para controlar al menos la bomba hidraulica (12) y las valvulas de gas (112, 114, 122, 124) para conmutar de este modo entre el estado de almacenamiento y el estado de liberacion.
- 2. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 1, en el que el subsistema (100) de almacenamiento de gas comprende:una camara de gas de alta presion (110) para intercambiar selectivamente gas con el primer o segundo recipiente de compresion/expansion (20, 30) en respuesta a estados de abierto/cerrado de valvulas de gas respectivas (112, 114, 122, 124); yuna camara de gas de baja presion (120) para intercambiar selectivamente gas con el primer o segundo recipiente de compresion/expansion (20, 30) en respuesta a estados de abierto/cerrado de las respectivas valvulas de gas (112, 114, 122, 124).
- 3. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 2, en el que dentro de cada intercambiador de calor interno (22, 32) la densidad de la malla o espuma metalica del intercambiador de calor se ha incrementado sustancialmente en una parte superior del cilindro donde el calor de compresion o expansion es mayor.
- 4. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 3, en el que la malla o el material de espuma metalica es sustancialmente mas denso que el gas bajo compresion y tiene preferiblemente una densidad de agregado de 1g/cc aunque el factor de relleno es realmente menor del 25% del volumen disponible en la camara de expansion/compresion (20, 30), y opcionalmente en el que cada intercambiador de calor interno (22, 32) llena menos del 25% del volumen interior del recipiente respectivo y opcionalmente en el que cada intercambiador de calor interno llena aproximadamente el 3 por ciento del volumen interior del recipiente respectivo.
- 5. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 3, en el que cada intercambiador de calor interno (22, 32) es una espuma metalica, y opcionalmente en el que sustancialmente todos los poros de la espuma metalica tienen un tamano menor de aproximadamente 5 milfmetros cubicos.
- 6. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 3, que comprende ademas un intercambiador de calor externo (42, 52) en contacto con el fluido hidraulico (13) para intercambiar calor entre el fluido hidraulico (13) y el ambiente, u opcionalmente en el que cada intercambiador de calor interno (42, 52) es un tapon de metal sinterizado altamente poroso.
- 7. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 3, en el que cada intercambiador de calor interno (22, 32) es una bobina, y opcionalmente en el que cada intercambiador de calor interno (22, 32) comprende al menos uno de entre cobre y aluminio.5101520253035
- 8. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de ene^a de la reivindicacion 1, que comprende ademas un volante (18) asociado al subsistema (10) de generador/motor, u opcionalmente que comprende ademas un modulo de acondicionamiento de potencia (19) asociado con el subsistema (10) de generador/motor para acondicionar la potencia electrica del subsistema (10) de generador/motor durante el estado de liberacion, u opcionalmente en el que la bomba hidraulica (12) esta configurada para rotar en la misma direccion si el fluido hidraulico (13) esta fluyendo desde la primera lumbrera (14) de bomba hacia la segunda lumbrera (16) de bomba o desde la segunda lumbrera (16) de bomba hacia la primera lumbrera (14) de bomba, u opcionalmente que comprende ademas transductores de presion para comunicar datos al subsistema (7) de control con respecto a la presion de gas dentro de cada uno de los recipientes primero y segundo de compresion/expansion (20, 30) y dentro del subsistema (100) de almacenamiento de gas, u opcionalmente en el que al menos uno de los recipientes primero y segundo de compresion/expansion (20, 30) aloja un transductor de nivel de lfquido respectivo (24, 34) para comunicar datos al subsistema (7) de control con respecto al nivel de lfquido hidraulico dentro del recipiente de compresion/expansion (20, 30).
- 9. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 1, en el que el fluido hidraulico (13) es un fluido no inflamable, no reactivo, u opcionalmente que comprende ademas, entre el gas y el fluido hidraulico (13) dentro de cada uno de los recipientes primero y segundo de compresion/expansion (20, 30), un segundo fluido que no es inflamable ni reactivo, y que tiene una densidad mas baja y una impermeabilidad mas alta que el fluido hidraulico (13).
- 10. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 9, en el que el segundo fluido es un refrigerante basado en etilenglicol/agua/inhibidor.
- 11. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 9, en el que el fluido hidraulico (13) y el segundo fluido estan separados por un piston aislador
- 12. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 9, en el que el fluido hidraulico (13) y el segundo fluido estan directamente adyacentes entre ellos.
- 13. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de una de las reivindicaciones 11 y 12, en el que los recipientes primero y segundo de compresion/expansion (20, 30) estan configurados de tal manera que el mas pesado del fluido hidraulico (13) y del segundo fluido esta por debajo del mas ligero del fluido hidraulico (13) y del segundo fluido.
- 14. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 12, en el que el fluido hidraulico (13) se selecciona del grupo que consiste en: aceites de halocarbonados con una densidad de aproximadamente 1,9 g/cc, u opcionalmente en el que el segundo fluido es un fluido ionico con una densidad de aproximadamente 1,5 g/cc.
- 15. El sistema (5) de almacenamiento/recuperacion de energfa de la reivindicacion 1, en el que el subsistema (10) de generador/motor comprende un generador/motor unitario, u opcionalmente en el que el subsistema (10) de generador/motor comprende tanto un generador como un motor, cada uno de los cuales esta conectado mecanicamente a la bomba hidraulica (12).
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