ES2256012T3 - Fuente de alimentacion ininterrumpida que utiliza una fuente de energia termica. - Google Patents

Abstract

Un sistema de alimentación ininterrumpida (en adelante UPS) (100, 200, 300, 400, 500, 600, 640, 650, 700, 860, 900 y 1000) que suministra energía de reserva a una carga (128) en el caso de una pérdida de energía de una fuente principal de energía (120), cuyo UPS comprende: un material que se puede calentar para proveer una fuente de energía térmica; un sistema de calentador (118, 330, 930) que calienta dicho material; y un sistema de conversión (104, 106, 108, 110, 114, 116, 228, 404, 604, 644, 704, 804, 806, 814, 970, 1004) acoplado a dicha fuente de energía térmica almacenada, cuyo sistema de conversión convierte dicha energía térmica almacenada en energía eléctrica tras dicha pérdida de energía principal de tal manera que el mencionado sistema de conversión suministra energía eléctrica a dicha carga (128).

Description

Fuente de alimentación ininterrumpida que utiliza una fuente de energía térmica.

Antecedentes del invento

Este invento se refiere a sistemas de alimentación ininterrumpida que incluyen una fuente de energía térmica como una fuente de energía de reserva. Más particularmente, los sistemas de alimentación del presente invento incluyen un material que se calienta y mantiene a una temperatura elevada durante las operaciones de funcionamiento a la espera. En el caso de una avería del sistema de alimentación principal, tal como la energía de una central eléctrica, la energía térmica almacenada se convierte en energía eléctrica que proporciona la energía de reserva necesaria hasta que vuelve a la línea el suministro de energía principal.

Los sistemas de alimentación ininterrumpida (en adelante UPS) son bien conocidos. Tales dispositivos a menudo se usan para proporcionar una cantidad nominal de energía durante un período determinado de tiempo de tal manera que diversas partes de equipo que utilizan energía principal se puedan parar de un modo relativamente normal, en lugar de que se produzca una parada instantánea debida a una pérdida de energía principal sin un sistema de alimentación de reserva. Una configuración conocida para un UPS es proveer un banco de baterías químicas como fuente de alimentación auxiliar de poca duración. Las baterías a menudo se combinan con un generador de emergencia que suministra energía auxiliar de larga duración.

Las batería químicas adolecen de varias deficiencias que incluyen gran volumen, falta de fiabilidad, duración limitada (que típicamente requieren cambiarlas cada 3 a 8 años), elevados costes de mantenimiento y seguridad relativamente baja. Por ejemplo, las baterías químicas necesitan una recarga relativamente constante y compleja, dependiendo del tipo de baterías de que se trate, para asegurar que continúan funcionando con eficacia y mantienen toda su capacidad de almacenamiento de energía. Sin embargo, aún las baterías bien mantenidas podrían no ser fiables, debido a una sensibilidad relativamente elevada a la temperatura.

Adicionalmente, las baterías químicas plantean diversas consideraciones de seguridad debido a la naturaleza general de las grandes cantidades de productos químicos tóxicos y cáusticos implicados. Las instalaciones de baterías típicamente grandes a menudo requieren sistemas especiales de ventilación y acondicionamiento de aire para los cuartos de almacenamiento dedicados a baterías.

La patente de EE.UU. Nº 4.094.148 se refiere a un proceso para la generación de energía eléctrica en un contexto no de UPS en el que el calor liberado por los gases de escape derivados de la combustión de productos gaseosos en un proceso de gasificación de carbón se almacena y utiliza para generar un aumento de energía eléctrica durante los períodos de demanda máxima.

A la vista de lo anterior, es un objeto del presente invento proveer sistemas perfeccionados de alimentación ininterrumpida que proporcionen energía de reserva a partir de una fuente térmica de energía.

Es también un objeto del presente invento proveer sistemas perfeccionados de alimentación ininterrumpida que son relativamente insensibles a las variaciones de la temperatura ambiente mientras suministran energía de reserva.

Un objeto adicional del presente invento es proveer sistemas perfeccionados de alimentación ininterrumpida que tienen menos requisitos de mantenimiento.

Es todavía un objeto adicional del presente invento proporcionar sistemas perfeccionados de alimentación ininterrumpida que tienen un ciclo de vida esencialmente ilimitado.

Sumario del invento

Estos y otros objetos del invento se cumplen de acuerdo con los principios del invento mediante la provisión de varios sistemas de alimentación ininterrumpida que, de acuerdo con la reivindicación 1, incluyen un material que se calienta para almacenar energía y que utilizan la energía almacenada para proporcionar energía de reserva. Ese material podría ser al menos o bien un recipiente que almacena un líquido que se calienta o bien una masa sólida, tal como un bloque de hierro, que se calienta. El material se podría calentar utilizando varios métodos diferentes, tales como el calentamiento con una resistencia eléctrica o usando una caldera para calentar fluido que se hace circular en un circuito cerrado desde el recipiente a la caldera, o el calentamiento con una resistencia eléctrica para calentar la masa sólida.

Cuando se dispone de energía principal, tal como la energía de una central eléctrica, se podría usar la energía principal para calentar una resistencia sumergida en el fluido contenido en el recipiente o una resistencia en contacto térmico con la masa sólida. La resistencia entonces calienta el material para mantenerlo a una temperatura predeterminada, tal como entre 150 y 300 grados Celsius para el líquido, o entre 150 y 1.000 grados Celsius para el sólido, Alternativamente, en las realizaciones con fluidos, el fluido contenido en el recipiente se puede hacer circular a través de una caldera que podría activarse, por ejemplo, por el combustible de una tubería de una fábrica de gas o por un tanque externo de combustible, o por ambos. La energía de la central eléctrica se podría usar también para alimentar un generador como un motor de tal manera que esté girando siempre - lo cual permitirá que el sistema suministre energía de reserva casi instantánea en el caso de una pérdida de energía principal.

Las máquinas térmicas utilizadas para activar el generador en las diversas realizaciones de UPS del presente invento pueden ser máquinas térmicas mecánicas, tales como una máquina de vapor o un motor Stirling. En su lugar, podrían ser máquinas térmicas termoiónicas o termoeléctricas que generasen corriente continua directamente a partir de la energía térmica almacenada. Si se utiliza una configuración de máquina térmica, la máquina podría ser una turbina o una máquina alternativa sin apartarse del alcance del invento. Un tipo particular de turbina de vapor que podría usarse es una turbina de expansión que acciona un eje que activa el generador.

En algunos casos, un fluido, tal como agua, pasa a través de unas tuberías instaladas dentro del recipiente. El fluido caliente transmite calor al fluido contenido en la tubería de circuito cerrado para que el fluido se caliente. Podría ser preferible para aumentar el rendimiento calentar el fluido por encima de su punto de ebullición de manera que, por ejemplo, el agua se transforme en vapor. Sin embargo, los expertos en la técnica apreciarán que los principios del presente invento se pueden llevar a la práctica sin que se produzca un cambio de fase. El vapor resultante se usa para impulsar o bien la máquina térmica o bien una turbina conectada al generador (la expansión cambia la presión del vapor de un valor alto a un valor bajo, lo cual impulsa la turbina). En otros casos, el calor del material se podría transmitir directamente desde el recipiente o la masa sólida a la máquina térmica.

Una ventaja adicional del presente invento se debe al propio rotor de la turbina, que gira constantemente cuando hay energía eléctrica producida por la propia central (de ese modo, durante el modo de funcionamiento a la espera, el generador funciona como un motor). Se pueden obtener perfeccionamientos adicionales mediante la utilización de cojinetes magnéticos, preferiblemente cojinetes activos para aligerar sustancialmente todo el peso del rotor de tal manera que el rotor pueda girar continuamente a velocidades elevadas sin desgaste. El rotor giratorio de la máquina térmica, que puede girar desde alrededor de 20- 50k RPM, proporciona una fuente adicional de energía almacenada, en este caso energía cinética, que se puede usar para suministrar energía a la carga crítica durante el período en que aumenta el flujo de calor.

Se pueden conseguir ventajas adicionales del presente invento mediante la inclusión de un condensador o de un tanque de refrigeración de líquido en el circuito agua/vapor. El condensador o tanque de refrigeración, si se usa, enfría el vapor de la turbina de expansión en agua para volver a recircularlo al recipiente de calentamiento. Si se usa un condensador, podría también preferirse utilizar un radiador que funcione para descargar el calor del condensador. Preferiblemente, se hace una elección entre un condensador convencional y un condensador modificado que incluye un tanque de refrigeración dependiendo del tiempo de funcionamiento deseado del sistema. Por ejemplo, si el sistema de reserva está diseñado para una duración relativamente corta, tal como 15-20 minutos (en cuyo caso probablemente se usaría otra fuente de energía de reserva, tal como un grupo externo de motor Diesel-generador ), se podría usar la configuración de tanque de refrigeración. Si. por el contrario, el sistema de alimentación de reserva está diseñado para funcionar hasta que vuelva a disponerse de la energía de la central eléctrica, entonces sería preferible utilizar la combinación de condensador convencional/radiador.

Las características adicionales del invento, su naturaleza y diversas ventajas resultarán más aparentes a partir de los dibujos adjuntos y de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema de alimentación ininterrumpida (en adelante UPS) que incluye una fuente de energía térmica construido de acuerdo con los principios del presente invento;

La Figura 2 es un diagrama esquemático de otro UPS que incluye una fuente de energía térmica construido de acuerdo con los principios del presente invento;

La Figura 3 es un diagrama esquemático de otro UPS que incluye una fuente de energía térmica construido de acuerdo con los principios del presente invento;

La Figura 4 es un diagrama esquemático de otro UPS que incluye una fuente de energía térmica construido de acuerdo con los principios del presente invento;

La Figura 5 es un diagrama esquemático de otro UPS que incluye una fuente de energía térmica construido de acuerdo con los principios del presente invento;

Las Figuras 6A a 6C son diagramas esquemáticos de otros UPS que incluyen una fuente de energía térmica construido de acuerdo con los principios del presente invento;

La Figura 7 es un diagrama esquemático de otro UPS que incluye una fuente de energía térmica construido de acuerdo con los principios del presente invento;

La Figura 8 es una ilustración de una vista en perspectiva tridimensional de un UPS basado en una fuente de energía térmica construido con los principios del presente invento;

La Figura 9 es una ilustración de una vista en perspectiva tridimensional de otro UPS basado en una fuente de energía térmica construido con los principios del presente invento;

La Figura 10 es una vista en perspectiva tridimensional parcialmente recortada de un grupo de turbina de expansión/generador usado en algunas configuraciones de los UPS del presente invento;

La Figura 11 es una vista en perspectiva tridimensional parcialmente recortada de un condensador de vapor usado en algunas configuraciones de los UPS del presente invento;

La Figura 12 es una ilustración de una vista en perspectiva tridimensional, recortada parcialmente, de otro UPS basado en una fuente de energía térmica construido con los principios del presente invento; y

La Figura 13 es una vista en perspectiva tridimensional, recortada parcialmente, de un tanque de refrigeración usado en algunas configuraciones de los UPS del presente invento.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema de alimentación ininterrumpida 100 (en adelante UPS 100) basado en una fuente de energía térmica construido de acuerdo con los principios del presente invento. El UPS 100 se muestra incluyendo varios componentes; sin embargo, los expertos en la técnica apreciarán que los principios del presente invento se podrían cumplir usando cualquiera de las configuraciones específicas descritas en la presente memoria, otras combinaciones de estas configuraciones, o incluso configuraciones que utilicen otros componentes dentro del alcance de las reivindicaciones incluidas como apéndice a la presente memoria.

El UPS 100 incluye una unidad 102 de almacenamiento de energía térmica - en este caso, un intercambiador de calor lleno de aceite y una unidad de almacenamiento, a los que de aquí en adelante en la presente memoria se hará referencia colectivamente como conjunto 102 de tanque caliente - una máquina térmica 104, un generador 106, un convertidor 108 de corriente alterna (c.a.) a corriente continua (c.c.) 108, un convertidor 110 de corriente continua (c.c.) a corriente alterna (c.a.), un convertidor 112 de corriente continua (c.c.) a corriente continua (c.c.), una bomba 114, una válvula 116, un calentador 118 de resistencia, una fuente de alimentación principal 120 - en este caso, energía de una central eléctrica - y unos circuitos de regulación 122 (que incluyen un interruptor 124 y una inductancia 126), que todos funcionan para suministrar energía a la carga 128. Los convertidores descritos en la presente memoria se pueden proveer como convertidores convencionales, un conjunto ordenado de interruptores de semiconductor de alta potencia, u otros circuitos sin apartarse del presente invento.

La Figura 2 muestra un esquema de un UPS 200 basado en una fuente de energía térmica que también se ha construido de acuerdo con los principios del presente invento. El UPS 200 es sustancialmente similar al UPS 100, excepto que el UPS 200 añade un segundo nivel de conversión mediante el uso del convertidor reasignado 210 de corriente alterna (c.a.) a corriente continua (c.c.) (el convertidor 210 podría ser sustancialmente similar al convertidor 110, excepto que está configurado para suministrar energía directamente a la barra colectora de corriente continua desde la central eléctrica 120), y un convertidor 228 de corriente continua (c.c.) a corriente alterna (c.a.). La configuración de la Figura 2 convierte la energía procedente de la central eléctrica de corriente alterna a corriente continua y luego de nuevo a corriente alterna suministrándola a la carga 128. Por otra parte, la configuración mostrada en la Figura 1 suministra energía regulada en corriente alterna directamente de la central eléctrica a la carga a través de los circuitos 122 de regulación. Cada configuración tiene sus ventajas e inconvenientes, como resultará aparente para los expertos en la técnica. Por ejemplo, la topología de conversión única de la Figura 1 proporciona un rendimiento más alto y menores costes (se requiere un convertidor menos) que la topología de la Figura 2, que a su vez provee una tensión y una regulación de frecuencia a largo plazo perfeccionadas cuando se compara con los circuitos de la Figura 1.

El UPS 100 y el UPS 200 funcionan de acuerdo con los principios del presente invento de la forma siguiente. Durante el funcionamiento normal, cuando se dispone de la energía eléctrica de la central, la central eléctrica 120 suministra energía en corriente alterna (c.a.) a la carga 128 (bien a través de los circuitos 122 de regulación o bien mediante los convertidores 210 y 228). Al mismo tiempo, la energía en corriente alterna de la central eléctrica se convierte a corriente continua (c.c.) (mediante el convertidor 110 o el convertidor 210, según sea apropiado) y se suministra a la barra colectora de c.c.. La energía en c.c. se suministra a la resistencia 118 a través del terminal 112 de barra colectora de c.c. (que podría ser un convertidor de c.c. a c.c. u otros circuitos conocidos). La resistencia 118, que está sumergida en un tanque de fluido, tal como aceite, calienta el fluido hasta una temperatura predeterminada, tal como entre 50 y 300 grados centígrados. Alternativamente, una masa sólida tal como una masa de hierro se podría acoplar térmicamente a la resistencia 118 para que la resistencia 118 caliente la masa sólida. - en este caso, la masa sólida se podría calentar hasta una temperatura tal como entre 150 y 1.000 grados centígrados. La energía térmica se podría extraer también de un material cuando pasa de un estado líquido a un estado sólido Por ejemplo, el tanque caliente 102 se puede llenar de aluminio fundido que se mantiene aproximadamente a 670 grados centígrados mediante la resistencia 118 cuando se dispone de una fuente de energía eléctrica principal. Cuando falla la fuente de energía eléctrica principal, el aluminio fundido se enfría y comienza a solidificarse, liberando de ese modo el calor de su energía de fusión a una temperatura sustancialmente constante. El calor de fusión así liberado se usa por último para alimentar la carga crítica 128, La energía procedente de la barra colectora de c.c. se podría suministrar también al generador 106 a través del convertidor 108 (en cuyo caso el convertidor 108 proporcionaría la conversión de c.c. a c.a.) para hacer girar al generador 108 como motor con el fin de que preferiblemente esté girando siempre.

Cuando falla el suministro de energía eléctrica de la central 120, la energía térmica almacenada en el conjunto de tanque caliente 102 se convierte en energía eléctrica y se suministra a la barra colectora de c.c. a través del convertidor de c.a. a c.c. 108. En la topología de la Figura 1, el interruptor 124 permanecería ABIERTO hasta que se vuelva a suministrar energía eléctrica desde la central 120 o desde un grupo motor-generador de emergencia (no mostrado). La conversión de energía térmica en energía eléctrica se realiza proporcionando un fluido, preferiblemente agua, en una tubería de circuito cerrado que se coloca en el fluido caliente del conjunto 102 de tanque caliente. El caudal del agua y por tanto el suministro de calor a la máquina térmica 104 se aumentan mediante la bomba 114 y válvula 116 cuando el UPS está suministrando energía de reserva.

La máquina térmica 104, podría ser una máquina térmica convencional (por ejemplo, un motor de turbina o una máquina alternativa), o un motor Stirling que acciona al generador 106 y hace que éste produzca energía eléctrica en c.a., En cualquiera de ambos casos, la energía en c.a. se convierte en energía en c.c. mediante el convertidor 108 de c.a. a c.c. que luego se suministra como energía en c.a. a la carga 128, a través del convertidor 110 de c.c. a c.a. o del convertidor 128 de c.c. a c.a. (dependiendo de si se está utilizando la configuración de la Figura 1 o de la Figura 2). Alternativamente, las funciones de la máquina térmica 094 y del generador 106 podrían realizarse mediante un generador termoeléctrico o termoiónico, tal como el mostrado en la Figura 6 B, que convierte directamente el calor en energía eléctrica en c.c., por lo que no son necesarios ni el generador 106 ni el convertidor 108. Esta energía eléctrica en c.c. se podría convertir en energía en c.a. para alimentar cargas de c.a. o podría usarse directamente para cargas de c.c. de misión crítica, tales como las que existen en las torres de transmisión para telefonía móvil.

Cuando se vuelve a disponer de la energía eléctrica producida por la central 120, la válvula 116 corta el caudal de líquido o gas caliente que atraviesa la máquina térmica 104, y la energía producida por la central eléctrica se vuelve a convertir en energía en c.c. y se suministra a la resistencia térmica 118. De ese modo, la temperatura del fluido contenido en el conjunto 102 de tanque caliente vuelve a aumentar hasta su temperatura predeterminada y se mantiene en este valor hasta la próxima interrupción.

La Figura 3 muestra una configuración de un UPS 300 basado en una fuente de energía térmica que proporciona un modo alternativo de calentar el fluido contenido en el intercambiador de calor. En lugar de utilizar la resistencia eléctrica 118 descrita anteriormente para el conjunto 102 de tanque caliente, el conjunto 302 de tanque caliente utiliza una segunda tubería de circuito cerrado que, en este caso, contiene preferiblemente un fluido tal como aceite. El fluido se calienta mediante los quemadores 330, que queman un combustible tal como gas natural suministrado, por ejemplo, por la fábrica de gas 332 o por el tanque de almacenamiento 334 (a través de la válvula 336). El aceite caliente se bombea a través del circuito cerrado por medio de la bomba 338 de tal manera que la tubería, que está sumergida en el conjunto 302 de tanque caliente, transporta la energía térmica hasta el fluido contenido en el conjunto 302 de tanque caliente.

La intensidad de la llama de los quemadores 330 y el caudal del aceite se pueden variar para que el fluido contenido en el conjunto 302 de tanque caliente se mantenga a una temperatura relativamente constante. Como alternativa, los quemadores 330 se podrían configura de tal manera que calienten directamente el recipiente del conjunto 302 de tanque caliente, obviando de ese modo la necesidad de utilizar un segundo sistema de circuito cerrado. Una ventaja del UPS 300 sobre el UPS 200 y el UPS 100 es que el UPS 300 podría potencialmente funcionar de un modo indefinido, siempre que se mantenga el suministro de combustible. Además, aún cuando se interrumpa el suministro de combustible, el UPS 300 suministra energía de reserva durante aproximadamente la misma cantidad de tiempo que el UPS 100 y el
UPS 200.

La Figura 4 muestra otra configuración de un sistema UPS 400 basado en el almacenamiento de energía térmica. El UPS 400 es similar al UPS 100, en que se usa la resistencia 118 para calentar el fluido contenido en el conjunto 102 de tanque caliente y en que se usan los circuitos de regulación 122 para suministrar energía eléctrica en c.a. al UPS 400 desde la central eléctrica 120 (aunque los expertos en la técnica apreciarán que en su lugar podría usarse el convertidor adicional de la Figura 2). La Figura 4 muestra una configuración específica para la máquina térmica como turbina de expansión 434. Adicionalmente, el UPS 400 podría incluir un condensador de vapor 430 y un radiador 432, que se acoplan juntos por medio de una segunda tubería de circuito cerrado. Un fluido, preferiblemente agua, se bombea a través de la tubería de segundo circuito cerrado por la bomba 434, como se describe más adelante.

El UPS 400 entra en servicio cuando se produce una interrupción en el suministro de energía de la central eléctrica 120. En ese momento, la bomba 114 bombea agua a través de la tubería del primer circuito cerrado para que el agua establezca contacto térmico con el aceite caliente contenido en el conjunto 102 de tanque caliente. El aceite caliente hace que el agua se caliente por encima de su punto de ebullición transformándose en vapor que atraviesa la válvula 116 y es expulsado a la turbina de expansión 404. Cuando el vapor atraviesa la turbina de expansión 404, se expande desde una presión alta hasta una presión baja, lo cual impulsa la turbina del rotor de expansión 404. A su vez, la rotación de la turbina de expansión 404 activa el generador de alta velocidad 106 que produce energía eléctrica en c.a. La energía eléctrica en c.a, se alimenta al convertidor 108 que la convierte en energía en c.c. y la alimenta a la barra colectora de c.c. Alguna parte de la energía en c.c. se podría realimentar a través del convertidor 112 de c.c, a c.c. para calentar la resistencia 118 y de ese modo regular la velocidad de rotación de la turbina de expansión, aunque la mayor parte de la energía restante se convierte en energía en c.a. mediante el convertidor 110 y se suministra a la carga 128.

El vapor a baja presión que se expulsa de la turbina de expansión 404 está relativamente frío. Se desplaza desde la turbina de expansión 404 hasta el condensador de vapor 430 para su enfriamiento adicional. El condensador 430, que podría incluir también un depósito de líquido frío (no mostrado), se mantiene frío mediante el radiador 432 a través de la tubería de segundo circuito cerrado y la bomba 434. El vapor condensado, que podría ahora ser agua, se devuelve al conjunto 102 de tanque caliente según se ha descrito anteriormente para continuar el proceso de conversión de energía hasta que se restablece el suministro de la energía eléctrica producida por la central 120. Como se ha descrito con respecto a la Figura 1, el interruptor 124 permanece ABIERTO mientras el UPS 400 suministra energía de reserva a la carga 128. Una vez que se ha restablecido la energía principal, se cierra el interruptor 124.

La Figura 5 muestra una configuración adicional de un UPS 500 basado en una unidad de almacenamiento de energía térmica que utiliza componentes de los UPS 100, UPS 300 y UPS 400. La diferencia principal entre el UPS 500 y los sistemas descritos anteriormente es que el UPS 500 utiliza el convertidor único del UPS 100, el calentador de quemadores de gas del UPS 300 y el conjunto de turbina de expansión/condensador/radiador del UPS 400. Los expertos en la técnica apreciarán que, justo como se ilustra en la Figura 5, son posibles varias configuraciones diferentes que utilicen los principios del presente invento, incluyendo las descritas en la presente memoria, así como otras. Por ejemplo, en vez de lo anterior, el UPS 500 podría configurarse como un sistema de dos convertidores en lugar del sistema mostrado de un solo convertidor.

La Figura 6A muestra un ejemplo de un UPS 600 basado en una unidad de almacenamiento de energía térmica que está configurado para suministrar energía de reserva durante un período limitado de tiempo, por ejemplo, tal como solamente veinte minutos más o menos. En tales circunstancias, podría ser más económico y menos complejo sustituir las unidades de condensador/radiador por un sencillo conjunto 630 de tanque frío (que, según se ha descrito anteriormente para el conjunto de tanque caliente, podría ser un tanque de almacenamiento de energía térmica - excepto que en este caso, se almacena un líquido frío - combinado con un intercambiador de calor integral).

La máquina térmica 604, preferiblemente un motor Stirling, está provista entonces de una entrada secundaria y de una salida que alimenta el líquido a baja temperatura para enfriar el conjunto 630 de tanque por medio de la bomba 632. El caudal se controla también mediante la válvula 634 de tal manera el agua ahora enfriada vuelve a introducirse a la máquina térmica 604. El conjunto 630 de tanque frío podría ser un solo tanque con serpentines de tubos conductores del calor (por ejemplo, tubos de cobre) que proporcionan una gran superficie para que se produzca el intercambio de calor. Alternativamente, como se muestra con el UPS 700 en la Figura 7, el circuito cerrado que contiene vapor y agua podría ser un solo camino que discurra desde el conjunto 102 de tanque caliente, a través de la válvula 116 hasta la máquina térmica 704 y continuar hasta el conjunto 630 de tanque frío, desde donde vuelve directamente al conjunto 102 de tanque caliente por medio de la bomba 114.

La Figura 6B muestra otra pequeña variación sobre los diseños de UPS anteriormente descritos. Los expertos en la técnica apreciarán que los principios descritos con respecto a la Figura 6B se podrían aplicar igualmente a muchas de las Figuras anteriormente descritas. La Figura 6B muestra el UPS 640, que es sustancialmente similar al UPS 600 de la Figura 6A. Hay dos diferencias principales entre el UPS 600 y el UPS 640. La primera diferencia es que el UPS 640 utiliza la máquina térmica 644 en lugar de la máquina térmica 604. La máquina térmica 644 es una máquina térmica termoiónica o termoeléctrica que, como se ha expuesto anteriormente, produce energía eléctrica en c.c. directamente a partir de la energía térmica. De acuerdo con ello, se han eliminado el generador 106 y el convertidor 108 de c.a. a c.c.

Adicionalmente, hay una conexión directa desde la central eléctrica 120 a la resistencia de calentamiento 118, por lo que se puede eliminar el convertidor 112 de c.c. a c.a,. Sin embargo, en lugar del convertidor 112 se usa el interruptor 642 para limitar la intensidad de la corriente que circula a través de la resistencia 118. El interruptor 642 podría ser, por ejemplo, un tiristor conectado en oposición en lugar del convertidor 112 basado en transistores, que es poco económico.

En la Figura 6C se muestra como UPS 650 otra variante del UPS 600. Los expertos en la técnica apreciarán que los principios descritos con respecto a la Figura 6C se podrían aplicar igualmente a muchas de las Figuras descritas anteriormente. El UPS 650 es sustancialmente similar al UPS 600, excepto en que el conjunto 102 de tanque caliente se ha sustituido por el conjunto 602 de tanque caliente. El conjunto 602 de tanque caliente es similar al conjunto 102 de tanque caliente en que incluye un recipiente que contiene un fluido que se calienta para almacenar energía térmica. Adicionalmente, ambos conjuntos 102 y 602 de tanque caliente incluyen un intercambiador de calor integral que trasmite la energía térmica almacenada a la máquina térmica 604. Sin embargo, el conjunto 602 de tanque caliente incluye un sistema exotérmico 652 que habilita al UPS 650 a funcionar durante un período prolongado de tiempo. La reacción exotérmica del sistema 652 puede ser reversible o irreversible. El sistema exotérmico 652 proporciona la posibilidad de suministrar energía de reserva a largo plazo sin los requisitos de ventilación de un sistema de calentamiento basado en un combustible.

El sistema exotérmico 652 incluye, por ejemplo, un tanque de un material conductor del calor (tal como de aluminio) que se puede introducir en el recipiente principal dentro del conjunto 102 de tanque caliente. Si una interrupción del suministro de la energía eléctrica principal se prolonga más allá de un período de tiempo determinado, tal como cinco minutos (y no se usa o no entra en funcionamiento un grupo motor diesel - generador separado y opcional) se suministra una señal de control al sistema exotérmico 652 que da lugar a que al menos dos sustancias entren en contacto entre sí resultando en una reacción exotérmica controlada. El calor desprendido en esta reacción calienta el tanque conductor del calor, el cual calienta el fluido contenido en el recipiente introducido en el conjunto 602 de tanque caliente. El calor producido por el sistema exotérmico 652 dura hasta que se hayan consumido los productos químicos, en cuyo momento se podría reemplazar el equipo insertado que contiene los productos químicos. De acuerdo con lo anterior, dicho sistema podría suministrar energía de reserva durante varios días.

De nuevo en este caso, hay una amplia variedad de configuraciones diferentes disponibles que utilizan los principios del presente invento para suministrar energía de reserva a partir de un sistema de almacenamiento de energía térmica. Las configuraciones específicas varían de acuerdo con los requisitos del usuario final, que incluyen la duración prevista como una fuente de energía de reserva y requisitos de energía.

La Figura 8 presenta una vista en perspectiva tridimensional de una ilustración del UPS 800, que podría ser, por ejemplo, una realización del UPS 400. El UPS 800 incluye un armario 860 de componentes electrónicos, un conjunto 802 de tanque caliente, una turbina de expansión 804, un generador 806, unas bombas 814, y un conjunto 840 de tanque caliente secundario. La salida trifásica 807 del generador 806 se acopla a unas barras colectoras 809 que conducen la energía eléctrica en c.a. del generador hasta el armario 860 de componentes electrónicos. Dos conexiones adicionales 803 que se han mostrado discurriendo entre el armario 860 de componentes electrónicos y el conjunto 802 de tanque caliente proporcionan energía eléctrica para calentar la resistencia (no mostrada) sumergida en el aceite del conjunto 802 de tanque caliente.

El armario 860 de componentes electrónicos aloja la mayor parte de los elementos electrónicos, incluyendo, por ejemplo, los sistemas de control (no mostrados) y los convertidores 108, 110 y 112. Un condensador 850, que podría ser similar al condensador mostrado en las Figuras 4 y 5, está acoplado a la turbina de expansión 804 para recibir el vapor relativamente frío. El condensador citado 850 podría ser un radiador como se ha descrito anteriormente (tal configuración se ha ilustrado en la Figura 9). El conjunto 840 de tanque caliente secundario se podría utilizar para proporcionar un tiempo adicional de funcionamiento para el sistema sin la necesidad de una tubería de combustible.

La Figura 9 presenta una vista tridimensional en perspectiva de una ilustración del UPS 900, que podría ser, por ejemplo, una realización del UPS 500 (es decir, un sistema con quemadores de gas). El UPS 600 incluye un pequeño conjunto 902 de tanque caliente, una turbina de expansión 804, un generador 806 (acoplado a las barras colectoras 809 para conducir la corriente eléctrica generada a los componentes electrónicos), unos quemadores 930, un radiador 932, un condensador 850, y un armario 960 de componentes electrónicos. En este caso, el tanque caliente podría ser más pequeño que el mostrado en la Figura 8, porque el tiempo de funcionamiento del sistema se ha aumentado mediante un suministro externo de combustible que activa los quemadores 930. Por tanto, en dicho sistema, el aceite contenido en el conjunto 902 de tanque caliente permanecerá relativamente caliente, aún después de que haya entrado en servicio el UPS 900 y esté suministrando energía de reserva a la carga.

La Figura 10 muestra una vista tridimensional, parcialmente recortada, de un sistema 970 de turbina de expansión/generador que se podría utilizar de acuerdo con los principios del invento anteriormente descrito. El grupo 970 de turbina de expansión/generador incluye una sección de turbina 972 y una sección de generador 974. El vapor o cualquier otra clase de gas presurizado que se haya calentado mediante un intercambiador de calor se introduce en la sección de turbina 972 por la admisión 976. El vapor da lugar a que la turbina gire, lo cual impulsa a la sección de generador 974. El vapor expandido a baja presión sale de la sección de turbina a través de la descarga 978 para su tratamiento posterior (por ejemplo, mediante un condensador y/o un tanque de líquido frío). La sección de generador 974 incluye unas bobinas 980 a través de las cuales se induce la energía eléctrica.

El grupo 970 de turbina de expansión/generador podría aportar ventajas adicionales mediante la inclusión de unos cojinetes magnéticos activos 982 que permiten que la sección de turbina de expansión 972 y la sección de generador 974 giren continuamente a velocidades elevadas (por ejemplo, desde alrededor de 20.000 rpm hasta aproximadamente 50.000 rpm), sin que se desgasten los cojinetes. De un modo significativo, la inercia rotatoria del grupo turbina de expansión/generador se podría convertir en energía eléctrica para suministrar energía a una carga crítica mientras entra en servicio el UPS. Este período de tiempo, por ejemplo, podría ser hasta de doscientos milisegundos antes de que se hayan abierto las válvulas. Sin embargo, si el grupo turbina de expansión/generador no estuviese girando continuamente, el UPS necesitaría entonces varios segundos para entrar en servicio a la línea - algo que típicamente es inaceptable.

La Figura 11 muestra una vista tridimensional, parcialmente recortada, de un condensador de vapor 990 que se podría utilizar de acuerdo con los principios del invento descrito anteriormente. El condensador 990 incluye unos tubos 992 conductores del calor que contienen fluido de enfriamiento. El fluido de enfriamiento se bombea de una manera cíclica desde el condensador 990 hasta un sistema de radiador (no mostrado) y vuelve al condensador. El vapor relativamente frío entra al condensador a través de la admisión 994, donde se enfría adicionalmente por entrar en contacto con los tubos 992. La mezcla enfriada de vapor/agua sale a través de la descarga 996 para su eventual retorno al conjunto de tanque caliente.

La parte de depósito del condensador 990 (es decir, la parte que rodea a los tubos 992) puede contener una cantidad relativamente grande de líquido frío durante las condiciones de funcionamiento a la espera (es decir, cuando está disponible la energía principal). El depósito de líquido frío puede absorber del vapor una cantidad sustancial de calor, lo cual podría reducir los requisitos de una refrigeración adicional. Por ejemplo, dependiendo de la aplicación, la utilización del depósito podría permitir el uso de un radiador sustancialmente más pequeño, que haría volver al depósito a su estado "frío" después que vuelva a disponerse de la energía eléctrica de la central, sobre, por ejemplo, un número de horas.

Las figuras 12 y 13 muestran tres vistas tridimensionales recortadas parcialmente del UPS 1000, que incluye un conjunto 1030 de tanque frío en lugar de un conjunto de condensador/radiador. El UPS 1000 incluye un conjunto rectangular 1002 de tanque caliente, una turbina de expansión 1004, un generador 1006, unas barras colectoras 1003 y 1009, un conjunto 1030 de tanque frío, unos ventiladores de impulsión 1032 (no se requiere un núcleo de radiador para el funcionamiento del UPS 1000, pero todavía podría incluirse), y un armario 1060 de componentes electrónicos. El conjunto 1002 de tanque caliente y el conjunto 1030 de tanque frío son preferiblemente conjuntos que incluyen un tanque combinado de almacenamiento de energía térmica con un intercambiador de calor integral que, respectivamente, suministra energía térmica al UPS o la descarga.

Aunque el UPS 1000 funciona sustancialmente de la misma manera a la descrita anteriormente, el UPS 1000 aporta las ventajas que a continuación se exponen. Como se ha mostrado en las Figuras 12 Y 13, un sumidero de calor 1034 está fijado al costado del conjunto 1030 de tanque frío. Adicionalmente, el armario 1060 de componentes electrónicos está en contacto térmico con el sumidero de calor 1034, y también está en contacto térmico con el conjunto 1030 de tanque frío.

El conjunto 1030 de tanque frío incluye numerosos tubos 1002 conductores del calor que se alimentan con el vapor que sale de la turbina de expansión 1004 que se hace pasar cíclicamente a través de los tubos 1092 a través de la admisión 1094 y descarga 1096. Esta configuración proporciona un aumento sustancial en la capacidad de enfriamiento, así como elimina la necesidad de un radiador y una bomba de agua para radiador separados. Además, la orientación rectangular de cada uno de los armarios permite que el conjunto 1030 de tanque frío actúe como un sumidero de calor para el armario 1060 de componentes electrónicos.

Se entenderá que la descripción anterior es solamente ilustrativa de los principios del invento, y que los expertos en la técnica pueden hacer diversas modificaciones sin apartarse del alcance del invento. que se define mediante las reivindicaciones incluidas como apéndice.

Claims (46)

1. Un sistema de alimentación ininterrumpida (en adelante UPS) (100, 200, 300, 400, 500, 600, 640, 650, 700, 860, 900 y 1000) que suministra energía de reserva a una carga (128) en el caso de una pérdida de energía de una fuente principal de energía (120), cuyo UPS comprende:

un material que se puede calentar para proveer una fuente de energía térmica;

un sistema de calentador (118, 330, 930) que calienta dicho material; y

un sistema de conversión (104,106, 108,110, 114, 116, 228, 404, 604, 644, 704, 804, 806, 814, 970, 1004) acoplado a dicha fuente de energía térmica almacenada, cuyo sistema de conversión convierte dicha energía térmica almacenada en energía eléctrica tras dicha pérdida de energía principal de tal manera que el mencionado sistema de conversión suministra energía eléctrica a dicha carga (128).

2. El UPS de la reivindicación 1, en el que dicho material es un líquido almacenado en un tanque.

3. El UPS de la reivindicación 2, en el que dicho líquido es aceite.

4. El UPS de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que dicho material cambia de estado de líquido a sólido después de dicha pérdida de energía principal.

5. El UPS de la reivindicación 4, en el que dicho material es aluminio.

6. El UPS de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 ó 5, en el que dicho material es una masa sólida de material.

7. El UPS de la reivindicación 6, en el que dicha masa sólida de material es un bloque de hierro.

8. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicho sistema de calentador (118, 330, 930) mantiene a dicha fuente de energía térmica almacenada a una temperatura elevada mientras está disponible la energía principal.

9. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicho sistema de calentador (118) se alimenta mediante dicha fuente principal de energía (120).

10. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dicho sistema de calentador se activa mediante quemadores (330, 930) de combustible.

11. El UPS de la reivindicación 10, en el que dichos quemadores (330, 930) de combustible se alimentan con combustible de una fábrica (332) de combustible.

12. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que dicha fuente de energía térmica almacenada se calienta mediante un sistema (652) de reacción exotérmica.

13. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que dicho sistema de conversión comprende un generador termoiónico (644).

14. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que dicho sistema de conversión comprende un generador termoeléctrico (644).

15. El UPS de las reivindicaciones 13 ó 14, en el que dicho sistema de conversión comprende además un convertidor (110) de c.c. a c.a. acoplado entre dicho generador y dicha carga.

16. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que dicho sistema de conversión comprende:

una máquina de vapor (104, 404, 804, 972, 1004) acoplada a dicha fuente de energía térmica almacenada; y

un generador eléctrico (106, 806, 974, 1006) acoplado a dicha máquina de vapor.

17. El UPS de la reivindicación 16, en el que dicha máquina de vapor es una turbina de expansión (404, 804, 1004).

18. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, en el que dicho sistema de conversión comprende:

un motor Stirling (104, 604) acoplado a dicha fuente de energía térmica almacenada; y

un generador eléctrico (106) acoplado a dicho motor Stirling.

19. El UPS de las reivindicaciones 16, 17 ó 18, en el que dicho sistema de conversión comprende además un convertidor (108) de c.a. a c.c. acoplado entre dicho generador y dicha carga (128).

20. El UPS de la reivindicación 19, en el que dicho sistema de conversión comprende además un convertidor (210, 228) de c.c. a c.a. acoplado entre dicho convertidor (108) de c.c. a c-a. y dicha carga (128).

21. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, que comprende además:

un condensador (430, 850, 990) acoplado a dicho sistema de conversión.

22. El UPS de la reivindicación 21, que comprende además:

un radiador (432, 932) acoplado a dicho condensador (430, 850, 990).

23. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22, que comprende además:

un conjunto de tanque frío (630, 1030) acoplado a dicho sistema de conversión.

24. El UPS de la reivindicación 23, en el que dicho conjunto de tanque frío (1030) está acoplado a un sumidero de calor (1034).

25. El UPS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24, en el que dicho sistema de conversión comprende:

un generador (970); y

unos cojinetes magnéticos activos (982) acoplados a dicho generador para permitir que dicho generador gire a velocidades elevadas en el modo de funcionamiento A LA ESPERA.

26. Un sistema de alimentación ininterrumpida (en adelante UPS) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho sistema de calentador (118) calienta dicha fuente de energía térmica almacenada mientras está en el modo de funcionamiento A LA ESPERA; cuyo UPS comprende además:

un sistema (652) de reacción exotérmica acoplado a dicha fuente de energía térmica almacenada, cuyo sistema de calentamiento exotérmico funciona para calentar dicha fuente de energía térmica almacenada una vez que ha transcurrido un período predeterminado de tiempo después de dicha pérdida de
energía.

27. El UPS de la reivindicación 26, en el que dicho sistema (652) de calentamiento por reacción exotérmica utiliza una reacción química exotérmica irreversible.

28. Un sistema de alimentación ininterrumpida (en adelante UPS) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho sistema de conversión comprende:

una máquina térmica (104, 404, 604, 704, 804, 972, 1004) acoplada a dicha fuente de energía térmica almacenada, cuya máquina térmica convierte dicha energía térmica almacenada en energía mecánica tras dicha pérdida de energía principal; y

un generador (106, 806, 974, 1006) que produce energía eléctrica a partir de dicha energía mecánica y suministra dicha energía eléctrica producida a dicha carga (128).

29. Un método de proveer una fuente auxiliar de energía a una carga en el caso de una pérdida de energía de una fuente principal de energía, cuyo método comprende las etapas de:

calentar un material a una temperatura predeterminada para proporcionar una fuente de energía térmica almacenada;

detectar una pérdida de energía principal;

convertir dicha energía térmica almacenada en energía eléctrica; y

suministrar dicha energía eléctrica a dicha carga.

30. El método de la reivindicación 29, en el que dicha fuente de energía térmica almacenada comprende una resistencia (118) sumergida en un fluido, cuya etapa de calentar comprende la etapa de:

suministrar energía eléctrica a dicha resistencia directamente desde dicha fuente (120) de energía principal.

31. El método de la reivindicación 29, en el que dicha fuente de energía térmica almacenada comprende una resistencia (118) sumergida en un fluido, cuya etapa de calentar comprende la etapa de:

suministrar energía eléctrica a dicha resistencia indirectamente desde dicha fuente de energía principal (120).

32. El método de las reivindicaciones 29, 30 ó 31, en el que dicho material comprende un fluido, cuya etapa de calentar comprende la etapa de:

calentar dicho fluido mediante quemadores externos (330, 930) de combustible.

33. El método de las reivindicaciones 29, 30, 31 ó 32, en el que dicha fuente de energía térmica almacenada comprende además:

una tubería de combustible acoplada a una fábrica (332) de combustible.

34. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 29 a 33, en el que dicho material comprende una masa sólida de material.

35. El método de la reivindicación 34, en el que dicha masa sólida de material comprende un bloque de hierro.

36. El método de las reivindicaciones 34 ó 35, en el que dicha etapa de calentar comprende la etapa de:

suministrar energía eléctrica a una resistencia (118) que está en contacto térmico con dicha masa sólida de material.

37. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 29 a 36, en el que dicha etapa de calentar comprende la etapa de:

causar que al menos dos sustancias entren en contacto para producir una reacción exotérmica, cuya reacción exotérmica calienta dicha fuente de energía térmica.

38. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 29 a 37, en el que dicha etapa de convertir dicha energía térmica comprende las etapas de:

proveer una tubería conductora del calor sumergida en un primer fluido contenido en dicha fuente de energía térmica, cuya tubería conductora del calor contiene un segundo fluido que está sustancialmente más frío que dicho primer fluido;

bombear dicho segundo fluido a través de dicha tubería para que aumente la presión de dicho segundo fluido; y

generar energía eléctrica, mediante la reducción de dicha presión del citado segundo fluido.

39. El método de la reivindicación 38, en el que dicha etapa de generar energía eléctrica produce energía en c.a., la etapa de proveer comprende las etapas de:

convertir dicha energía de c.a. en energía de c.c.; y

convertir dicha energía de c.c. en energía de c.a. y suministrar dicha energía convertida de c.a. a dicha carga (128).

40. El método de las reivindicaciones 38 ó 39, en el que la etapa de generar energía eléctrica comprende las etapas de:

hacer girar un generador (106, 806, 974, 1006); y

causar que dicho generador gire con una velocidad suficiente para que la energía cinética almacenada pueda suministrar energía de reserva a dicha carga durante menos de 1 segundo.

41. El método de la reivindicación 40, que comprende además la etapa de:

hacer girar dicho generador en el modo de funcionamiento A LA ESPERA usando unos cojinetes magnéticos activos (982).

42. El método de una cualquiera de de las reivindicaciones 29 a 41, que comprende además la etapa de:

convertir la energía de dicha fuente principal (120) de energía en energía de c.c.

43. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 38 a 42, en el que dicha etapa de convertir dicha energía térmica comprende además la etapa de:

bombear dicho segundo fluido a través de un condensador (430, 850, 990) para enfriar adicionalmente dicho segundo fluido.

44. El método de la reivindicación 43, en el que dicha etapa de convertir dicha energía térmica comprende además la etapa de:

acoplar un radiador (432, 932) a dicho condensador (430, 850, 990) para enfriar dicho condensador.

45. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 38 a 44, en el que dicha etapa de convertir dicha energía eléctrica comprende además la etapa de:

bombear dicho segundo fluido a través de un conjunto de tanque frío (630, 1030) para enfriar adicionalmente dicho segundo fluido.

46. El método de la reivindicación 45, en el que dicha etapa de convertir dicha energía térmica comprende además la etapa de:

acoplar dicho conjunto de tanque frío a un sumidero de calor para enfriar dicho conjunto de tanque frío.