WO2013147580A2 - Interruptor de doble alimentación con medición de voltaje de operación - Google Patents

Interruptor de doble alimentación con medición de voltaje de operación Download PDF

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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46—Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • H01M10/465—Accumulators structurally combined with charging apparatus with solar battery as charging system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • renewable energy generation systems One of the many advantages of renewable energy generation systems is that the system can be autonomous, that is, you may not rely on a power pole. This requires an autonomous power generation equipment and a storage device. Generally, solar cells or wind generators are used, and lead-acid batteries are used as storage. A major drawback is that, in order to ensure the continuous operation of the equipment, it is necessary to review the most critical (lower) indices related to power generation, call solar radiation, wind speed, etc. and this means that they require a greater quantity of equipment and / or with greater capacity for generation and storage; resulting in a considerable increase in economic investment. Many times the installed capacity is not enough and the equipment is disconnected before the end of its operation.
  • the customer is doubly dissatisfied: first because he "failed" the equipment, and second because he paid a large sum of money to acquire it.
  • These systems are completely autonomous from the power of the electricity grid. They use a battery charge controller that acts as a switch: While the battery receives a charge, it controls the voltage and current levels, prevents overcharging the batteries, and disconnects the generator when the battery is already sufficiently charged. And when detecting low charge in the battery disconnects the equipment regardless of whether or not its required function is terminated.
  • the switch that is intended to be protected by means of the present application operates in a system of two or more power supplies, usually one of them is for preferential use with renewable energy (variable supply), and the other is the power grid ( constant supply) to ensure the continuous operation of the equipment.
  • This switch does not require, but can accept, a battery controller. If batteries are used, the recharge and discharge are controlled by different procedures that will be detailed later.
  • UPS switch uninterruptible power supply
  • UPS switch uninterruptible power supply
  • the switch that is intended to be protected by means of this application works very similar to a UPS, but vice versa: it switches with the mains when the battery is no longer sufficiently charged, among other additional functions that will be detailed later.
  • FIG. 1 A flow diagram of the connection with the use of this switch for preferred use of a public lighting lamp with solar cell and battery is shown in Figure 1.
  • Figure 2 shows a cube diagram of the switch for preferential use of a lamp with solar cell and battery.
  • Figure 3 shows the connection of the relay that switches from one source to another, when it is the case of a battery and the mains, as power supplies.
  • Figure 4 shows how the relay is activated to disconnect, for example, a solar cell in the event of a lamp failure (which does not turn on).
  • This novel switch makes it possible to add a source (which will become primary) to power an electric charge, leaving the original source (which will become secondary) for reservation purposes.
  • the added source can be, for preferential use, a renewable energy generator, call it a solar cell, wind generator, etc. Since this type of generation is uncontrollable and variable in supply, a storage device is required, call it a battery.
  • the secondary source would be the municipal power grid (original connection). When the battery runs out, this switch connects to this secondary source to ensure the supply and continuous use of the electrical equipment.
  • FIG. 1 A flow diagram of the connection with the use of this switch for preferred use of a public lighting lamp with solar cell and battery, and the municipal power grid as the original source of supply is shown in Figure 1.
  • the light sensor (100) gives the order to turn on the lamp (110).
  • the switch (120) connects the battery to the lamp (130) and begins to measure its charge state. When the switch detects that the state of charge of the battery does not comply with the specification, it disconnects it and now connects to the municipal power grid (140). At dawn the light sensor gives the order to turn off the lamp (100) and the switch disconnects it (150). The solar cell starts charging the battery again during the day (160). At dusk the cycle repeats.
  • FIG. 2 A cube diagram of the switch for preferred use of the same lamp with solar cell and battery is shown in Figure 2.
  • the lamp which appears below in the figure, receives power from the battery, as a primary source, and then from the mains (RE), as a secondary source when the first one runs out or fails, all this controlled by the switch.
  • the power grid appears on the left in the figure.
  • the switch it is possible to make such a connection.
  • the system works as follows: A load or electrical equipment that is powered by an established device will be connected to an additional source.
  • the switch proposed by the invention will control the connection between one or another source, with priority given to the electrical supply of the added source. This new added source will become the primary one, the original source remaining secondary. This will be achieved by measuring the operating voltage value of the primary source. Upon detecting depletion or failure of the latter, the switch will switch to the secondary source (the original). In this way a continuous operation of the equipment and a lower energy consumption of the original source is achieved.
  • the system works as follows: An electric charge, call a public lighting lamp, receives power from an electrical source added (primary) to the original connection, call a battery, which was previously charged For a generator, call yourself a solar cell. This (primary) source will provide power to the lamp for a certain time. This time will depend on the capacity of the battery, the size of the cell, and the solar radiation that occurred during a certain day.
  • the switch When this battery operation time (primary) is exhausted, the switch will switch with the source of origin, that is, with the municipal (secondary) power grid so that the lamp remains on.
  • the switch (source change) will be performed by the switch when you read that the electrical operating value (voltage) does not comply with the user and / or equipment specification. The user can select this value on the switch or he can request that the factory default instruction come.
  • FIG 3 shows the relay connection (R) that switches from one source to another.
  • the initial state is the connection to the battery (I a ).
  • the variable resistance (RV), which appears below the drawing, is what drives the coil (B), in the middle part, and this moves the contact of the battery towards that of the mains (2 a ).
  • variable resistance is given the data of the minimum charge state of the battery (operating voltage).
  • the operating voltage will be that required by the electrical equipment for its optimal function.
  • the lamp turns on thanks to a photo sensor that is installed outside the switch.
  • the battery to be used is selected according to its capacity, the size and type of the solar cell, the lamp power, and the maximum annual solar radiation for the place where the equipment will be installed.
  • This switch has a safety instruction to avoid battery overload (in the example), in case you do not turn on the lamp due to a fault in it.
  • This instruction consists in confirming that the lamp has been turned on, which ensures a discharge in the battery and thus it is possible to recharge without any risk. Otherwise, if the lamp did not turn on, the switch will disconnect the solar cell to avoid overcharging and battery damage.
  • Figure 4 shows how the relay is activated to disconnect, returning to the aforementioned use, a solar cell in case of a lamp failure (which does not turn on).
  • the resistance (Rm) that connects to the coil (B) is calibrated to open the switch when the battery reaches its minimum charge voltage (Vm) or higher, which is a high value of state of charge, which would be at risk to continue receiving cargo. This value is also optional to be selected by the user, or for the device to have it predetermined.
  • the initial state of the contact is that of connection to the solar cell (CS), as shown at the top of the drawing.
  • the coil disconnects the solar cell. Until the battery shows, by means of the voltage, that it is discharged, the coil will deactivate and the connector will return to the position of connection with the solar cell.
  • the switch can be manufactured to operate in direct current (CD) or alternating current (AC).
  • CD direct current
  • AC alternating current
  • the primary source that of batteries, solar cells, wind turbines, etc. they work in CD
  • the secondary source the electrical network, works in CA. It must be connected to a device that changes from CA to CD or vice versa depending on how you want to use it.

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Description

INTERRUPTOR DE DOBLE ALIMENTACION CON MEDICION DE VOLTAJE DE
OPERACION
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Interruptor que hace posible la conexión de una segunda fuente de alimentación con el fin de reducir el uso y consumo de la fuente original.
ANTECEDENTES
Una de tantas ventajas de los sistemas de generación de energía renovable es que el sistema puede ser autónomo, es decir, puedes no depender de un poste de alimentación de energía eléctrica. Para esto se requiere de un equipo de generación eléctrica autónomo y un dispositivo de almacenamiento. Por lo general se utilizan celdas solares o generadores eólicos, y como almacenamiento se utilizan baterías del tipo plomo- ácido. Un gran inconveniente es que, para asegurar la continua operación del equipo, se requiere revisar los índices más críticos (menores) relacionados a la generación de energía, llámese radiación solar, velocidad del viento, etc. y esto hace que requieran mayor cantidad de equipos y/o con mayor capacidad de generación y almacenamiento; teniendo como consecuencia un aumento considerable en la inversión económica. Muchas de las veces la capacidad instalada no es suficiente y el equipo se desconecta antes de que termine su operación. El cliente queda doblemente insatisfecho: primero porque "le fallo" el equipo, y segundo porque pago una fuerte suma de dinero para adquirirlo. Estos sistemas son completamente autónomos de la energía de la red eléctrica. Utilizan un controlador de carga de batería que hace las veces de un interruptor: Mientras la batería recibe carga, éste va controlando los niveles de voltaje y corriente, evita la sobrecarga en las baterías, y desconecta el generador cuando la batería ya tiene suficiente carga. Y al detectar baja carga en la batería desconecta el equipo sin importar si termino o no su requerida función.
El interruptor que se pretende proteger por medio de la presente solicitud opera en un sistema de dos o más fuentes de alimentación, por lo general una de ellas es para uso preferente con energía renovable (suministro variable), y la otra es la red eléctrica (suministro constante) para así asegurar la continua operación del equipo.
El presente interruptor no requiere, aunque lo puede aceptar, de un controlador de baterías. Si se utilizan baterías, la recarga y descarga se controlan por medio de diferentes procedimientos que más adelante se detallarán.
Existen también interruptores de transferencia que se aplican como conmutadores de potencia en procesos industriales. Los hay también para equipo electrónico, de audio y video. Pero no cumplen con las características requeridas para el objeto de esta invención.
También existe el interruptor UPS (uninterruptible power supply) que es el que cambia de fuente, conmuta con una batería, cuando se interrumpe la energía de la red eléctrica. El interruptor que se pretende proteger por medio de la presente solicitud funciona muy parecido a un UPS, pero al revés: conmuta con la red eléctrica cuando la batería ya no tiene carga suficiente, entre otras funciones adicionales que mas adelante se detallaran.
Existen varios dispositivos eléctricos, electrónicos y/o de instrumentación y control que reciben nombres como: interruptores, conmutadores, relevadores, controladores; de transferencia y/o semiautomáticos. Todos con funciones muy parecidas. Yo opté por llamar a mi invención interruptor y que lo importante son sus características y su novedoso funcionamiento, no su nombre. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
En la figura 1 se muestra un diagrama de flujo de la conexión con el uso de este interruptor para uso preferente de una lámpara de alumbrado público con celda solar y batería.
En la figura 2 se muestra un diagrama de cubos del interruptor para uso preferente de una lámpara con celda solar y batería.
En la figura 3 se muestra la conexión del relevador que conmuta de una fuente con otra, cuando sea el caso de una batería y la red eléctrica, como fuentes de alimentación.
En la figura 4 se muestra cómo se activa el relevador para desconectar, por ejemplo, una celda solar en caso de una falla en la lámpara (que no prenda).
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Este novedoso interruptor hace posible la adición de una fuente (que se convertirá en primaria) para alimentar una carga eléctrica, dejando a la fuente original (que se convertirá en secundaria) para fines de reserva. La fuente añadida (primaria) puede tratarse, para uso preferente, de un generador de energía renovable, llámese celda solar, generador eólico, etc. Como éste tipo de generación es no controlable y de suministro variable, se requiere de un dispositivo de almacenamiento, llámese batería. Para este mismo uso preferente, la fuente secundaria seria la red eléctrica municipal (conexión original). Al agotarse la batería éste interruptor conecta a ésta fuente secundaria para asegurar el suministro y el continuo uso del equipo eléctrico.
En la figura 1 se muestra un diagrama de flujo de la conexión con el uso de este interruptor para uso preferente de una lámpara de alumbrado público con celda solar y batería, y la red eléctrica municipal como fuente original de suministro.
Al anochecer el sensor de luz (100) da la orden de encender la lámpara (110). El interruptor (120) conecta la batería a la lámpara (130) y empieza a medir su estado carga. Cuando el interruptor detecta que el estado de carga de la batería no cumple con la especificación la desconecta y ahora se conecta con la red eléctrica municipal (140). Al amanecer el sensor de luz da la orden de apagar la lámpara (100) y el interruptor la desconecta (150). La celda solar comienza a cargar la batería de nuevo durante el día (160). Al anochecer el ciclo se repite.
Se puede observar, en este diagrama, que se cuenta con una instrucción que se refiere a una eventual falla de la lámpara y que protegería a la batería de una sobrecarga (en la parte izquierda del diagrama): Cuando termina el ciclo de encendido de la lámpara (100), el interruptor revisa si la batería se descargó, es decir, si la lámpara encendió y consumió la carga de la batería (170) y (175), de no ser así la celda solar debe desconectarse (180) para evitar una sobrecargar en la batería. Se trata de utilizar lo menos posible la energía de la fuente original, que para este uso preferente mencionado sería la de la red eléctrica municipal, que por lo general es una fuente no renovable y que hay que pagar por cada Kwh generado. Pero tampoco se trata de ser completamente autónomos de dicha red, es decir, utilizar solamente la fuente añadida, porque se requeriría de mucha inversión en equipos de generación y almacenamiento renovable para asegurar la continua operación.
En la figura 2 se muestra un diagrama de cubos del interruptor para uso preferente de la misma lámpara con celda solar y batería. La energía procesada por la celda solar (CS), que aparece en la parte de arriba, llega a este novedoso interruptor (I) y conecta con la batería (BA). La batería (BA), la cual aparece en la parte derecha, recibe la energía de la celda solar y además entrega electricidad a la lámpara (L) controlada por el interruptor. La lámpara, que aparece abajo en la figura, recibe alimentación de la batería, como fuente primaria, y luego de la red eléctrica (RE), como fuente secundaria al agotarse o fallar la primera, todo esto controlado por el interruptor. La red eléctrica, aparece a la izquierda en la figura.
En esta figura 2, cabe mencionar, que la energía proveniente de la red eléctrica municipal ya viene corregida a corriente directa (CD) gracias a un regulador-inversor y que por motivos de simplicidad no se muestra (este es un dispositivo independiente del interruptor).
Una mejora considerable al hacer esta conexión es que se puede reducir notablemente el costo de inversión inicial de estos equipos. Inclusive se logra tener el control y decisión total de dicha inversión, y así no depender del comportamiento de la naturaleza, ni de las condiciones ambientales actuales e históricas de cualquier zona del planeta.
Gracias a este interruptor es posible hacer dicha conexión. El sistema funciona de la siguiente manera: Un carga o equipo eléctrico que es alimentado por una rúente establecida, se conectará a una fuente adicional. El interruptor que la invención propone controlará la conexión entre una u otra fuente, teniendo como prioridad el suministro eléctrico de la fuente añadida. Esta nueva fuente añadida pasará a ser la primaria, quedando como secundaria la fuente original. Esto lo logrará midiendo el valor de voltaje de operación de la fuente primaria. Al detectar agotamiento o falla de ésta, el interruptor conmutara a la fuente secundaria (la original). De esta manera se logra una continua operación del equipo y un menor consumo energético de la fuente original. Para uso preferente en alumbrado público con batería como fuente adicional, el sistema funciona así: Una carga eléctrica, llámese lámpara de alumbrado público, recibe la energía de una fuente eléctrica añadida (primaria) a la conexión original, llámese batería, que fue previamente cargada por un generador, llámese celda solar. Esta fuente (primaria) proveerá de energía a la lámpara por un tiempo determinado. Este tiempo dependerá de la capacidad de la batería, el tamaño de la celda, y la radiación solar ocurrida durante cierto día.
Al agotarse este tiempo de operación de la batería (primaria), el interruptor conmutará con la fuente de origen, es decir, con la red eléctrica municipal (secundaria) para que la lámpara siga encendida. La conmutación (cambio de fuente) la realizará el interruptor cuando lea que el valor eléctrico de operación (voltaje) no cumple con la especificación del usuario y/o del equipo. El usuario puede seleccionar dicho valor en el interruptor o puede solicitar que ya venga la instrucción predeterminada de fábrica.
En la figura 3 se muestra la conexión del relevador (R) que conmuta de una fuente con otra. Para el mismo uso preferencial, antes citado, el estado inicial es la conexión con la batería (Ia). La resistencia variable (RV), la cual aparece abajo del dibujo, es la que hace accionar a la bobina (B), en la parte de en medio, y esta mueve el contacto de la batería hacia el de la red eléctrica (2a).
A la resistencia variable se le dan los datos del estado de carga mínimo de la batería (voltaje de operación).
Opcionalmente puede trabajar directamente con la energía generada al momento por un aerogenerador o celdas solares, etc. en este caso, el voltaje de operación será que el que requiera el equipo eléctrico para su óptima función.
Entre las novedades que tiene esta invención es que no necesita de un controlador de carga para el almacenamiento de la energía en caso de usar batería. Continuando con el ejemplo de uso citado, la lámpara enciende gracias a un foto sensor que está instalado fuera del interruptor. La batería a usar es seleccionada según su capacidad, el tamaño y tipo de la celda solar, la potencia de la lámpara, y la radiación solar máxima anual para el lugar donde se instalará el equipo. Este interruptor cuenta con una instrucción de seguridad para evitar una sobrecarga de la batería (del ejemplo), en caso de que no encienda la lámpara debido a alguna falla en ella. Esta instrucción consiste, en ratificar que la lámpara haya prendido, con lo cual aseguramos una descarga en la batería y así es posible volver a recargarse sin riesgo alguno. De no ser así, si la lámpara no prendió, el interruptor desconectará la celda solar para evitar sobrecarga y daño en la batería.
En la figura 4 se muestra cómo se activa el relevador para desconectar, volviendo al uso citado, una celda solar en caso de una falla en la lámpara (que no prenda). La resistencia (Rm) que conecta con la bobina (B) se calibra para que abra el interruptor cuando la batería marque su voltaje mínimo de carga (Vm) o mayor, que es un valor alto de estado de carga, el cual estaría en riesgo de seguir recibiendo carga. Este valor también es opcional para que sea seleccionado por el usuario, o que el equipo lo tenga predeterminado.
El estado inicial del contacto es el de conexión con la celda solar (CS), como se muestra en la parte de arriba del dibujo. Al activarse el circuito, la bobina desconecta la celda solar. Hasta que la batería muestre, por medio del voltaje, que esta descargada, la bobina se desactivará y el conector volverá a la posición de conexión con la celda solar.
El interruptor se puede fabricar para que funcione en corriente directa (CD) o corriente alterna (CA). La fuente primaria, la de las baterías, celdas solares, aerogeneradores, etc. trabajan en CD y la fuente secundaria, la red eléctrica, trabaja en CA. Se debe de conectar a un dispositivo que cambie de CA a CD o viceversa según como se quiera usar.

Claims

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:
1. Interruptor de doble alimentación con medición de voltaje de operación caracterizado porque conecta un equipo a una fuente adicional, y que al llegar a un estado de agotamiento, falla, o no conveniencia, medido por medio de su voltaje de operación, cambia de fuente, conmuta con la fuente original; de tal modo que el equipo eléctrico sigue funcionando.
2. Interruptor de doble alimentación con medición de voltaje de operación que se caracteriza de que no necesita de un controlador de carga para baterías ya que tiene integrado un medidor de voltaje de operación, el cual, al ser usado con baterías, sirve para determinar de manera simple el estado de carga de la misma y con esto protegerla de sobre-descargas, con la tranquilidad que da el contar con una segunda fuente de suministro; también cuenta con una instrucción para proteger a la batería de sobre-cargas al desconectar el generador cuando el equipo eléctrico no haya utilizado la energía de la batería (no haya prendido).
3. Interruptor de doble alimentación con medición de voltaje de operación caracterizado porque hace posible agregar un equipo adicional "para uso preferente con generación de energía renovable a una conexión ordinaria con la red eléctrica, con el fin de usar esta energía limpia y gratuita, sin la necesidad de realizar estudios exhaustivos para determinar las capacidades necesarias de los equipos de generación y almacenamiento, y también, sin la necesidad de invertir grandes cantidades de dinero para echar a andar el equipo, haciendo posible que la inversión sea de acuerdo a las posibilidades del cliente o del usuario, y no a las conductas de la naturaleza.
4. Interruptor de doble alimentación con medición de voltaje de operación caracterizado porque mide el voltaje de operación de la fuente por medio de una resistencia variable y un relevador magnético y con esto determina qué fuente de alimentación usar para asegurar la continua operación y protección del equipo y la de las fuentes de suministro eléctrico.
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