ES2314604T3 - Sistema modular de generacion de energia. - Google Patents
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Abstract
Un sistema modular (1) generador de energía, que comprende: un módulo principal generador combinado (10), que puede ser alimentado con un flujo de combustible (11) y que puede generar energía eléctrica y energía térmica en forma de un flujo de al menos un primer fluido caliente, preferiblemente agua, teniendo el módulo principal (10) un terminal o nodo (15) de salida eléctrica, que puede ser conectado directamente a aparatos eléctricos (16) del usuario y que puede ser conectado también en paralelo con una red externa (17) de generación y distribución de energía eléctrica, por medio de un dispositivo (18) de conmutación controlada, un módulo (12) de generación auxiliar que puede ser alimentado con la energía térmica producida por el módulo principal (10) y que puede suministrar energía térmica a una temperatura inferior, en forma de flujo de al menos un segundo fluido refrigerado, y medios (13, 14; 40) de supervisión y control configurados para controlar el funcionamiento del módulo principal (10) y del módulo auxiliar (12), de acuerdo con procedimientos predeterminados, comprendiendo el módulo principal generador combinado (10): - una unidad generadora (19) de energía eléctrica que incluye un motor (20) de combustión interna que está alimentado con el combustible (11) y que está acoplado a un generador eléctrico giratorio (21) de corriente alterna, preferiblemente trifásico, - una unidad electrónica convertidora (23) que incluye un convertidor (24) de ca/cc, conectado a la salida del generador eléctrico (19), un convertidor (25) de cc/ca que tiene preferiblemente una salida trifásica y que está conectada a la salida del convertidor (24) de ca/cc por medio de una conexión (26) de cc al terminal o nodo (15) de salida eléctrica del módulo principal (10) por medio de una unidad filtradora (27), y un módulo (32) de almacenamiento de energía eléctrica acoplado a la conexión (26) de cc por medio de un convertidor bidireccional (33) de cc/cc, de una manera tal que el convertidor (33) de cc/cc puede permitir un flujo de energía eléctrica desde el módulo (32) de almacenamiento a la conexión (26) de cc y viceversa, y - un módulo (28) de intercambio térmico que está conectado al motor (20) de combustión interna y que puede recuperar algo del calor generado por el motor (20), transfiriendo el calor al menos a un primer fluido, teniendo el módulo (28) de intercambio térmico unos medios (29) de válvula de solenoide de control adecuados para permitir variar la cantidad de la recuperación del calor generado por el motor (20) de combustión interna, comprendiendo el módulo auxiliar (12) de generación una bomba de calor (30) que está destinada a recibir el flujo de un fluido caliente desde el módulo (28) de intercambio térmico o desde el motor (20) de combustión interna, y que puede entregar un flujo de al menos un segundo fluido a una temperatura relativamente inferior, estando configurados los medios (13, 14; 40) de supervisión y control para: - regular la potencia eléctrica generada por el módulo principal (10), controlando la velocidad de rotación y la inyección de combustible en el motor (20) de combustión interna, de una manera tal que el motor funciona con una salida predeterminada, - regular la relación entre la potencia eléctrica y la potencia térmica generada por el módulo principal (10), controlando la velocidad de rotación y el par entregado por el motor (20) de combustión interna, y excitar los medios (29) de válvula de solenoide de control, de acuerdo con procedimientos predeterminados, - controlar el funcionamiento del módulo principal (10), de acuerdo con procedimientos predeterminados en un modo en el cual se desconecta de la red (17), o en un modo en el que se conecta a ella, y controlar el cambio automático de uno u otro de los modos de funcionamiento mencionados anteriormente, - cuando el módulo principal (10) está conectado a la red (17), regular la tensión de salida y el factor de potencia del módulo principal (10), y compensar cualquier desviación de la forma sinusoidal de la corriente entregada hacia los aparatos eléctricos (16) del usuario, y - detectar una condición de interrupción del servicio de la red eléctrica (17), y asegurar la continuidad del suministro eléctrico al menos a algunos de los aparatos eléctricos (16) del usuario con la energía eléctrica entregada por el módulo (32) de almacenamiento, durante un periodo de tiempo mínimo suficiente para hacer que funcione la unidad generadora eléctrica (19).
Description
Sistema modular de generación de energía.
La presente invención está relacionada con un
sistema modular de generación de energía.
Más específicamente, la invención está
relacionada con un sistema innovador de triple generación, esto es,
un sistema que puede producir energía eléctrica y energía térmica,
está última en dos formas utilizables, esto es, energía utilizable
de alta temperatura, por ejemplo para calentar y/o para servicios, y
energía utilizable a baja temperatura, por ejemplo, para el
acondicionamiento de ambientes y/o servicios. Un sistema modular
similar de generación de energía es conocido por el documento
DE-A1-197 40 398.
El sistema modular de generación de energía de
acuerdo con la invención comprende:
un módulo principal generador combinado, que
puede ser alimentado con un flujo de combustible y que puede
generar energía eléctrica y energía térmica en forma de un flujo de
al menos un primer fluido caliente, preferiblemente agua, teniendo
el módulo principal un terminal o nodo de salida eléctrica, que
puede ser conectado directamente a aparatos eléctricos del usuario
y que puede ser conectado también en paralelo con una red externa de
generación de energía eléctrica y de distribución, por medio de un
dispositivo de conmutación controlada,
un módulo de generación auxiliar que puede ser
alimentado con la energía térmica producida por el módulo principal
y que puede suministrar energía térmica a una temperatura inferior,
en forma de flujo de al menos un segundo fluido refrigerado, y
medios de supervisión y control configurados
para controlar el funcionamiento del módulo principal y del módulo
auxiliar, de acuerdo con procedimientos predeterminados,
comprendiendo el módulo principal generador
combinado:
- una unidad generadora de energía eléctrica que
incluye un motor de combustión interna que está alimentado con el
combustible y que está acoplado a un generador eléctrico giratorio
de corriente alterna, preferiblemente trifásico,
- una unidad electrónica convertidora que
incluye un convertidor ca/cc, conectado a la salida del generador
eléctrico, un convertidor cc/ca que tiene preferiblemente una salida
trifásica con un neutro y que está conectada a la salida del
convertidor ca/cc por medio de una conexión de cc al terminal o nodo
de salida eléctrica del módulo principal, y un módulo de
almacenamiento de energía eléctrica acoplado a la conexión de cc por
medio de un convertidor bidireccional de cc/cc, de una manera tal
que el convertidor de cc/cc puede permitir un flujo de energía
eléctrica desde el módulo de almacenamiento a la conexión de cc y
viceversa, y
- un módulo de intercambio térmico que está
conectado al motor de combustión interna y que puede recuperar algo
del calor generado por el motor, transfiriendo el calor al menos a
un primer fluido, teniendo el módulo de intercambio térmico unos
medios de válvula de solenoide de control adecuados para permitir
variar la cantidad de la recuperación del calor generado por el
motor de combustión interna,
comprendiendo el módulo auxiliar de generación
una bomba de calor que está destinada a recibir el flujo de fluido
caliente desde el módulo de intercambio de calor o desde el motor de
combustión interna, y que puede entregar un flujo de al menos un
segundo fluido a una temperatura relativamente inferior,
estando configurados los medios de supervisión y
control para:
- regular la potencia eléctrica generada por el
módulo principal, controlando la velocidad de rotación y la
inyección de combustible en el motor de combustión interna, de una
manera tal que el motor funciona con una salida predeterminada
- regular la relación entre la potencia
eléctrica y la potencia térmica generada por el módulo principal,
controlando la velocidad de rotación y el par entregado por el motor
de combustión interna, y excitar los medios de válvula de solenoide
de control, de acuerdo con procedimientos predeterminados,
- controlar el funcionamiento del módulo
principal, de acuerdo con procedimientos predeterminados en un modo
en el cual se desconecta de la red de distribución, o en un modo en
el que se conecta a ella, y controlar el cambio automático de uno u
otro de los modos de funcionamiento mencionados, sin interrumpir el
suministro de energía a los aparatos eléctricos del usuario,
- cuando el módulo principal está conectado a la
red, regular la tensión de salida y el factor de potencia del
módulo principal, y compensar cualquier desviación de la forma
sinusoidal de la corriente absorbida por los aparatos eléctricos
del usuario, y
\newpage
- cuando la unidad generadora de energía está
desactivada, detectar una condición de interrupción del servicio de
la red eléctrica, y asegurar la continuidad del suministro eléctrico
al menos a algunos de los aparatos eléctricos del usuario con la
energía eléctrica entregada por el módulo de almacenamiento, durante
un periodo de tiempo mínimo suficiente para hacer que funcione la
unidad generadora eléctrica.
Las ventajas de la invención quedarán claras a
partir de la descripción detallada siguiente, que se ofrece
meramente a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a los
dibujos anexos, en los cuales:
La figura 1 es un diagrama de bloques que
muestra la arquitectura general de un sistema modular de generación
de energía, de acuerdo con la presente invención,
La figura 2 es un diagrama de bloques que
muestra la estructura de un sistema de acuerdo con la presente
invención, con mayor detalle,
La figura 3 es un diagrama de bloques que
muestra parte de la estructura de una variante del sistema de
generación, de acuerdo con la invención, y
La figura 4 es un diagrama de bloques parcial
que muestra un modo de realización de un módulo de intercambio
térmico, incluido en un sistema modular de generación de energía, de
acuerdo con la presente invención.
Un sistema modular de generación de energía, o
poligenerador, de acuerdo con la invención, está indicado en
general con un 1 en las figuras 1 y 2.
Como quedará claro a partir de la descripción
siguiente, el sistema o poligenerador 1 permite la producción
combinada de varias portadoras de energía. En particular, el sistema
o poligenerador permite la producción de energía eléctrica y de
energía térmica caliente o fría, con la capacidad de:
- regular la potencia entregada dentro de una
amplia gama, desde el 30% hasta más del 100% de la potencia nominal
(para periodos transitorios), mientras que mantiene casi constante
la eficiencia de la conversión de la energía principal del
combustible utilizado,
- modular la relación entre la potencia
eléctrica y la potencia térmica generada,
- seguir o satisfacer una demanda variable de
potencia eléctrica y/o térmica,
- alimentar a los aparatos eléctricos del
usuario que están conectados a una red de generación/distribución
de energía eléctrica,
- para los aparatos eléctricos del usuario que
están conectados a una red, el sistema poligenerador permite
mantener la demanda de energía de los usuarios sin discontinuidad,
incluso en el caso de interrupciones en el servicio de suministro
de energía de la red, y
- para la alimentación de los aparatos
eléctricos del usuario que están conectados a una red de
generación/distribu-
ción, atenuar las perturbaciones en la calidad del servicio eléctrico que proceden de la red y/o que son introducidos en la red.
ción, atenuar las perturbaciones en la calidad del servicio eléctrico que proceden de la red y/o que son introducidos en la red.
Con referencia a las figuras 1 y 2, el sistema
modular o poligenerador 1 comprende sustancialmente un módulo
generador principal combinado 10, que puede ser alimentado con un
flujo de un combustible 11, y que puede generar energía eléctrica,
así como energía térmica en forma de un flujo de al menos un primer
fluido caliente, preferiblemente agua, o posiblemente aire.
Un módulo auxiliar 12 de triple generación, que
está asociado con el módulo generador principal combinado 10, puede
ser alimentado, durante el funcionamiento, con la energía térmica
producida por el módulo principal 10, y puede suministrar energía
térmica con una temperatura inferior, en forma de flujo de al menos
un segundo fluido refrigerado, por ejemplo agua o posiblemente
aire.
Un módulo de supervisión y control, indicado
como 13 en las figuras 1 y 2, está configurado para controlar el
funcionamiento del módulo principal 10 y del módulo auxiliar
asociado 12, de acuerdo con procedimientos predeterminados. El
módulo 13 de supervisión y control local puede, a su vez, estar
conectado a una unidad 14 de control remoto. En este caso, el
módulo 13 de supervisión y control local y la unidad 14 de control
remoto pueden estar configurados para implementar procedimientos de
control remoto, realizando, por ejemplo, funciones de supervisión
de los parámetros de funcionamiento, programación de la producción,
control de la producción en tiempo real, con adaptación a las
variaciones de la demanda local de energía y, opcionalmente,
dependiendo de los cambios en los precios de la energía, tarifas
multi-horarias, diagnósticos y posiblemente
pronósticos, con activación automática de los procedimientos de
intervención y mantenimiento, etc.
Una unidad 14 de control remoto puede estar
conectada, opcionalmente, a una pluralidad de sistemas modulares de
generación o poligeneradores, de acuerdo con la presente invención,
y pueden ser configurados después, ventajosamente, para el control
coordinado del funcionamiento de esa pluralidad de sistemas o
poligeneradores, incluso si están instalados en lugares
diferentes.
Con referencia a la figura 2, el módulo
generador principal combinado 10 tiene un terminal o nodo 15 de
salida eléctrica, que puede estar conectado directamente a aparatos
eléctricos del usuario, indicados en general como 16, y que pueden
estar conectados también en paralelo con la red externa 17 de
generación/distribución de energía eléctrica, por medio de un
dispositivo 18 de conmutación controlada de un tipo conocido. Este
dispositivo de conmutación puede ser de un tipo electromecánico o
de estado sólido. Un dispositivo adicional similar 18' de
conmutación puede estar interpuesto entre el nodo 15 de salida y los
aparatos eléctricos 16 del usuario.
Como se ilustra en particular en la figura 2, el
módulo generador principal combinado 10 comprende una unidad 19
generadora de energía eléctrica, que incluye un motor 20 de
combustión interna que está alimentado con el combustible 11 y que
está conectado a un generador eléctrico giratorio de corriente
alterna, preferiblemente trifásico, indicado como 21.
Con el motor 20 de combustión interna está
asociada una unidad electrónica de control (ECU) 22.
El generador eléctrico giratorio 21 es, por
ejemplo, un generador asíncrono trifásico.
Con el motor 20 de combustión interna, puede
estar asociado un motor eléctrico convencional de arranque (no
ilustrado). Alternativamente, el generador eléctrico 21 puede ser
una máquina eléctrica reversible, que puede funcionar como
generador y como motor y, en el modo de funcionamiento como motor,
puede ser utilizado para arrancar el motor asociado 20 de
combustión interna.
Una unidad electrónica convertidora, indicada
generalmente como 23, está conectada a la salida del generador 21.
Esta unidad comprende un convertidor 24 de ca/cc conectado a la
salida del generador 21 y al convertidor de cc/ca o inversor 25,
conectado a la salida del convertidor 24 por medio de una conexión
26 de cc.
El convertidor 25 de cc/ca tiene,
preferiblemente, una salida trifásica con neutro, y está conectado
al terminal o nodo 15 de salida.
El módulo principal generador combinado 10
comprende además un módulo 28 de intercambio térmico (figuras 2 y
4) que está conectado al motor 20 de combustión interna y puede
recuperar algo del calor generado por ese motor durante el
funcionamiento, transfiriendo el calor a un fluido, el cual, como ya
se ha dicho, es ventajosamente agua o posiblemente aire.
Con referencia a la vista esquemática de la
figura 4, el módulo 28 puede comprender un intercambiador de calor
de líquido/líquido o líquido/aire, para transferir el calor
recuperado desde el fluido (por ejemplo, el agua de refrigeración
del motor 20), que fluye en el circuito 28a de entrada, al fluido
que fluye en el circuito 28b de salida.
Ventajosamente, el circuito 28a de entrada
comprende un conducto 28c configurado para el intercambio térmico
con el circuito 28b de salida, y un conducto puente 28d que no está
configurado para el intercambio con el conducto de salida, pero que
cuando es apropiado o necesario, permite al menos que se disipe algo
del calor transportado por el líquido que fluye en el circuito 28a
de entrada. Está interpuesta al menos una válvula solenoide 29 de
regulación en el conducto puente 28d, que está hidráulicamente en
paralelo con el conducto 28c, permitiendo variar el caudal del
líquido refrigerador del motor 20, a través del conducto puente,
desde cero hasta un valor máximo predeterminado.
El módulo 28 puede comprender también un
intercambiador de gas/líquido o de gas/aire, para transferir el
calor recuperado desde los gases de escape del motor 20, que fluyen
en un conducto de un circuito adicional 28e de entrada del módulo
28, al fluido que fluye en el circuito 28b de salida.
Ventajosamente, el circuito 28e de entrada
comprende un conducto 28f configurado para el intercambio térmico
con el circuito 28b de salida, y un conducto puente 28g, que no está
configurado para el intercambio con el conducto 28b de salida, pero
que, cuando es apropiado o necesario, permite al menos que se disipe
algo del calor transportado por el gas que fluye en el circuito
28e, enviándolo directamente a una chimenea. En el conducto puente
28g, está interpuesta al menos una válvula solenoide 29' de
regulación, que está hidráulicamente en paralelo con el conducto
28f, permitiendo variar el caudal de los gases de escape del motor,
a través del conducto puente, desde cero hasta un valor máximo
predeterminado.
Con referencia a la figura 2, el módulo auxiliar
12 de generación comprende una bomba 30 de calor, para recibir un
flujo de un fluido caliente desde el módulo 28 de intercambio
térmico, o incluso directamente desde el motor 20 de combustión
interna, y que puede entregar un flujo de un fluido tal como el
agua, o posiblemente aire, que está a una temperatura relativamente
más baja, y que puede ser utilizado para el acondicionamiento de un
ambiente y/o para otros servicios o propósitos. La bomba 30 de calor
es, por ejemplo, de tipo químico, en partículas, del tipo que tiene
un desecante líquido.
El módulo generador auxiliar 12 puede comprender
también un acumulador 31 de energía térmica, de tipo conocido.
Siguiendo con la referencia a la figura 2, está
conectado un módulo 32 de almacenamiento de energía eléctrica a la
conexión 26 de cc de la unidad electrónica convertidora 23, por
medio de un convertidor bidireccional 33 de cc/cc. Este convertidor
33 puede permitir un flujo de energía eléctrica desde el módulo 32
de almacenamiento hacia la conexión 26 de cc y viceversa.
El módulo principal generador combinado 10
comprende una unidad electrónica de control 40 que incluye, por
ejemplo, un microprocesador. La unidad 40 está conectada a las
entradas de control de los dispositivos 18 y 18' de conmutación, a
los dispositivos 35 para detectar la tensión de la red y la
corriente aguas arriba de los dispositivos 18 y 18' de conmutación,
a los convertidores 24, 25 y 33, a la unidad 22 de control del
motor 20 de combustión interna, y a las válvulas de solenoide 29 y
29' del módulo 28 de intercambio térmico.
La unidad 40 de control del módulo principal 10
de co-generación está conectada también y
configurado para el diálogo con el módulo 13 de supervisión y
control, que a su vez está conectado y configurado para controlar
el módulo generador auxiliar 12.
En variantes del módulo principal generador
combinado 10, la salida de al menos un generador adicional de
tensión de corriente continua, tal como una célula fotovoltaica,
está conectado a la conexión 26 de cc. La figura 3 de los dibujos
anexos muestra tal variante en la cual están conectados un generador
36 de tensión fotovoltaica y un generador 37 de célula de
combustible, a la conexión 26 de cc. En un modo de realización de
este tipo, la unidad 40 de control puede conversar con la unidad 22
de control asociada con el motor 20 de combustión interna, así como
con los generadores adicionales 36 y 37, por medio de un bus 39 de
comunicaciones que funciona, por ejemplo, de acuerdo con el
protocolo CAN bien conocido.
Ahora que se ha descrito la arquitectura de los
sistemas modulares de generación de energía, de acuerdo con la
invención, se describirán sus procedimientos operativos y
estrategias con referencia particular al módulo principal generador
combinado 10.
El funcionamiento del módulo principal generador
combinado 10 está organizado, ventajosamente, en tres niveles
jerárquicos de control:
- nivel 1, o control del sistema: este nivel
está relacionado con el control del módulo principal 10 como un
todo, y funciona como un interfaz con el mundo exterior; controla el
servicio de generación hacia el usuario, de acuerdo con la demanda,
se comunica con el sistema central de control remoto de la compañía
eléctrica que controla la red 17, y opcionalmente controla una
pluralidad de módulos principales generadores combinados de
distintos sistemas modulares o poligeneradores y los respectivos
dispositivos para el interfaz con la red eléctrica;
- nivel 2 o control de generación local: este
nivel está relacionado con el control de la unidad electrónica
convertidora 23 para la parte eléctrica y del módulo 28 de
intercambio térmico para la parte térmica, y
- nivel 3 o control puntual de los dispositivos
de generación: este nivel está relacionado con el control directo de
la unidad motor-generador 20-21 y
con el control de las baterías del módulo 32 de almacenamiento de
energía
eléctrica.
eléctrica.
El nivel 1 de control, que es el control del
sistema puede ser implementado por medio de funciones de software o
máquina de estados finitos. Las estrategias de este módulo de
control proporcionan la producción de energía térmica y/o eléctrica
de acuerdo con las condiciones económicas y de carga eléctrica de la
red 17 y con las necesidades locales del usuario.
Se puede calcular un plan de tiempos relativo a
la producción de energía, sobre la base de predicciones estadísticas
de la demanda por el usuario y de los cambios en las tarifas del
mercado.
De acuerdo con las tarifas que están en vigor y
de acuerdo con la demanda eléctrica del usuario, es posible
proporcionar una estrategia que apunte a minimizar la función de
coste que, además de depender de las tarifas de la energía
eléctrica, depende también de la eficiencia de la cadena de
producción del sistema modular generador combinado.
Las estrategias del nivel 2 de control están
relacionadas con el control de la generación. La lógica del control
de la generación eléctrica está gestionada por la unidad 40 de
control.
En particular, esta unidad puede estar
configurada para regular la potencia eléctrica generada por el
módulo principal 10, controlando la velocidad de rotación y la
inyección (electrónica) del combustible del motor 20 de combustión
interna, de una manera tal que el motor funciona con una salida
predeterminada que puede ser una salida constante o una salida
variable controlada, dependiendo de la minimización de las
emisiones, o dependiendo de las demandas de energía térmica.
La unidad 40 de control puede estar configurada
también para regular la relación entre la potencia eléctrica y la
potencia térmica generada por el módulo principal 10, controlando la
relación de la rotación y el par entregado por el motor 20 de
combustión interna, y excitando la válvula o válvulas de solenoide
asociadas con el conducto o conductos puente del módulo 28 de
intercambio térmico, de acuerdo con procedimientos predeterminados.
La relación entre la potencia eléctrica y la potencia térmica
generada puede ser variada por tanto casi libremente, que es
imposible con los sistemas generadores convencionales.
La unidad 40 de control puede ser configurada de
manera que, para una demanda de potencia eléctrica dada, ajustando
el par entregado y la relación de rotación del motor 20, el motor se
hace funcionar en puntos de funcionamiento que, por un lado,
satisfacen la demanda de potencia eléctrica y, por otro lado,
consiguen un compromiso óptimo entre la eficiencia eléctrica y la
minimización de las emisiones.
La unidad 40 de control está configurada también
para controlar el funcionamiento del módulo principal generador
combinado 10, de acuerdo con procedimientos predeterminados, en un
modo en el cual se desconecta de la red 17 o en un modo en el cual
está conectado a ella, y para controlar el cambio automático desde
uno u otro de los dos modos de funcionamiento antes
mencionados.
Una tarea adicional de la unidad 40 de control
consiste en regular las cantidades eléctricas en la salida del
módulo 10, cuando el módulo principal generador combinado 10 está
conectado a la red 17, y compensar cualquier desviación de la forma
sinusoidal de la corriente, que es absorbida por los aparatos
eléctricos 16 del usuario, o que es introducida en la red de
distribución eléctrica.
La unidad 40 de control está configurada también
para detectar, cuando la unidad 1 generadora de energía está
desactivada, una condición de interrupción del servicio de la red
eléctrica 17, y para asegurar entonces la continuidad del
suministro eléctrico a los aparatos 16 del usuario, o al menos a
algunos de ellos, con energía eléctrica suministrada por el módulo
32 de almacenamiento, es decir, durante un periodo mínimo de tiempo
suficiente para que la unidad generadora eléctrica que comprende el
motor 20 y el generador giratorio 21 se pongan en funcionamiento.
En comparación con las soluciones convencionales (que proporcionan
la combinación de una UPS (fuente de alimentación ininterrumpida) y
de una unidad generadora eléctrica), el sistema de acuerdo con la
invención tiene la ventaja de tener virtualmente una autonomía
infinita y una sistema de almacenamiento con dimensiones y pesos
que son hasta diez veces más bajos.
El sistema de acuerdo con la invención puede
cambiar desde el funcionamiento en paralelo con la red 17, al
funcionamiento como "isla", es decir, el funcionamiento
mientras está separado de la red y conectado únicamente a las
cargas priorizadas 16 y viceversa, sin conducir por ello a ningún
tipo de interrupción del servicio, sincronizándose apropiadamente
con la red 17. Estas funciones son realizadas mediante la conexión
del sistema de acuerdo con la invención, en paralelo con las
cargas, mientras que en los sistemas normales, el aparato de
emergencia está en serie con las cargas. La solución de acuerdo con
la invención elimina las pérdidas de la energía suplementaria
procedente de la red, y la necesidad de dispositivos para hacer un
puente al sistema en el caso de avería.
La unidad 40 de control puede estar configurada
también para implementar una función de filtro activo: con el
dispositivo 18 de conmutación cerrado, el inversor 25 está conectado
permanentemente en paralelo con la red 17 y con los aparatos 16 del
usuario. En este modo de funcionamiento, la unidad 40 de control se
organiza para compensar automáticamente las deformaciones de la
corriente que se producen por las cargas no lineales, de manera que
la corriente en el nodo 15, vista desde el lado de la red 17, tiene
una forma de onda que es lo más cercana posible a una sinusoidal.
El filtrado tiene lugar mediante la supervisión electrónica de la
tensión y corriente de salida, y puede por tanto corregir cualquier
harmónico sin necesidad de ser sintonizado, como es el caso de un
filtro normal.
La unidad 40 de control puede ser configurada
también para implementar una función para eliminar o "suavizar"
los "vacíos" de tensión, mediante el análisis continuo del
valor de la tensión de salida, y extrayendo energía, según se
requiera, desde el módulo 32 de almacenamiento de energía eléctrica,
que se utiliza como un almacenamiento intermedio.
El módulo principal generador combinado 10 puede
ser utilizado también como generador de energía reactiva, tanto
inductiva como capacitiva, siguiendo las condiciones de carga de la
red 17 en tiempo real y con regulación continua, desplazando
adecuadamente la fase de la tensión y de la corriente suministrada.
Esto permite una utilización mejorada de las líneas y de los
transformadores de la red (es decir, una reducción en las pérdidas
para una carga dada) y una mejora del factor de potencia para cargas
que varían considerablemente.
El nivel 3 de control proporciona la
implementación de estrategias que, en este caso, son implementadas
también por la unidad 40 de control del módulo principal generador
combinado 10. Estas estrategias están relacionadas sustancialmente
con el arranque de la unidad motor-generador
20-21, con el control de la unidad generadora de
potencia activa en paralelo con la red trifásica 17, y con el
control de la generación autónoma de energía.
El módulo principal generador combinado es
arrancado por el usuario según se requiera. La operación de arranque
puede ser realizada por medio de un motor eléctrico de arranque
asociado con el motor 20 de combustión interna, o por medio del
generador eléctrico 21, si es de la forma de máquina eléctrica
reversible, y siempre que esté disponible suficiente energía de
potencia en los terminales de la unidad 23 de conversión.
El control del módulo principal generador
combinado 10, como generador de potencia controlada que actúa en
paralelo con la red 17, tiene lugar convirtiendo la potencia en
corriente continua por la conexión 26 de cc, dependiendo de las
demandas de las cargas. En comparación con un sistema generador
convencional, el suministro eléctrico a las cargas tiene lugar
compartiendo la demanda de potencia a suministrar, de acuerdo con
una estrategia que está optimizada sobre la base de las condiciones
de la carga (por ejemplo, variaciones rápidas o demandas de
potencia que excedan de la capacidad del generador principal) o
sobre la base de los criterios o estrategias económicas (por la
información procedente del nivel 1 de control).
El módulo 32 de almacenamiento de energía
eléctrica asegura la continuidad del flujo de energía durante las
etapas de arranque del motor-generador
20-21 y durante los inevitables transitorios de la
carga.
El sistema puede funcionar también con cargas no
balanceadas.
Cuando el módulo 10 funciona como generador
autónomo de energía, el dispositivo 18 de conmutación está abierto
y la salida de la unidad convertidora 23 representa la fuente de
tensión hacia los usuarios eléctricos 16. Cuando la carga varía, la
unidad 40 de control excita la unidad 23 de conversión de una manera
tal que mantiene en el nodo 15 de salida un conjunto simétrico de
tres tensiones sinusoidales, que tienen valores y frecuencias
eficaces dentro de los límites de las tolerancias prescritas, es
decir, las tolerancias permisibles para los aparatos 16 del
usuario.
El módulo 32 de almacenamiento asegura la
continuidad del flujo de energía durante las etapas de arranque del
motor-generador 20-21 y durante los
inevitables transitorios de la carga.
Naturalmente, permaneciendo inalterado el
principio de la invención, las formas de realización y los detalles
de construcción pueden variar con respecto a los descritos e
ilustrados meramente a modo de ejemplo no limitativo, sin apartarse
por ello del alcance de la invención, como se define en las
reivindicaciones anexas.
Claims (7)
1. Un sistema modular (1) generador de energía,
que comprende:
un módulo principal generador combinado (10),
que puede ser alimentado con un flujo de combustible (11) y que
puede generar energía eléctrica y energía térmica en forma de un
flujo de al menos un primer fluido caliente, preferiblemente agua,
teniendo el módulo principal (10) un terminal o nodo (15) de salida
eléctrica, que puede ser conectado directamente a aparatos
eléctricos (16) del usuario y que puede ser conectado también en
paralelo con una red externa (17) de generación y distribución de
energía eléctrica, por medio de un dispositivo (18) de conmutación
controlada,
un módulo (12) de generación auxiliar que puede
ser alimentado con la energía térmica producida por el módulo
principal (10) y que puede suministrar energía térmica a una
temperatura inferior, en forma de flujo de al menos un segundo
fluido refrigerado, y
medios (13, 14; 40) de supervisión y control
configurados para controlar el funcionamiento del módulo principal
(10) y del módulo auxiliar (12), de acuerdo con procedimientos
predeterminados,
comprendiendo el módulo principal generador
combinado (10):
- una unidad generadora (19) de energía
eléctrica que incluye un motor (20) de combustión interna que está
alimentado con el combustible (11) y que está acoplado a un
generador eléctrico giratorio (21) de corriente alterna,
preferiblemente trifásico,
- una unidad electrónica convertidora (23) que
incluye un convertidor (24) de ca/cc, conectado a la salida del
generador eléctrico (19), un convertidor (25) de cc/ca que tiene
preferiblemente una salida trifásica y que está conectada a la
salida del convertidor (24) de ca/cc por medio de una conexión (26)
de cc al terminal o nodo (15) de salida eléctrica del módulo
principal (10) por medio de una unidad filtradora (27), y un módulo
(32) de almacenamiento de energía eléctrica acoplado a la conexión
(26) de cc por medio de un convertidor bidireccional (33) de cc/cc,
de una manera tal que el convertidor (33) de cc/cc puede permitir un
flujo de energía eléctrica desde el módulo (32) de almacenamiento a
la conexión (26) de cc y viceversa, y
- un módulo (28) de intercambio térmico que está
conectado al motor (20) de combustión interna y que puede recuperar
algo del calor generado por el motor (20), transfiriendo el calor al
menos a un primer fluido, teniendo el módulo (28) de intercambio
térmico unos medios (29) de válvula de solenoide de control
adecuados para permitir variar la cantidad de la recuperación del
calor generado por el motor (20) de combustión interna,
comprendiendo el módulo auxiliar (12) de
generación una bomba de calor (30) que está destinada a recibir el
flujo de un fluido caliente desde el módulo (28) de intercambio
térmico o desde el motor (20) de combustión interna, y que puede
entregar un flujo de al menos un segundo fluido a una temperatura
relativamente inferior,
estando configurados los medios (13, 14; 40) de
supervisión y control para:
- regular la potencia eléctrica generada por el
módulo principal (10), controlando la velocidad de rotación y la
inyección de combustible en el motor (20) de combustión interna, de
una manera tal que el motor funciona con una salida
predeterminada,
- regular la relación entre la potencia
eléctrica y la potencia térmica generada por el módulo principal
(10), controlando la velocidad de rotación y el par entregado por el
motor (20) de combustión interna, y excitar los medios (29) de
válvula de solenoide de control, de acuerdo con procedimientos
predeterminados,
- controlar el funcionamiento del módulo
principal (10), de acuerdo con procedimientos predeterminados en un
modo en el cual se desconecta de la red (17), o en un modo en el que
se conecta a ella, y controlar el cambio automático de uno u otro
de los modos de funcionamiento mencionados anteriormente,
- cuando el módulo principal (10) está conectado
a la red (17), regular la tensión de salida y el factor de potencia
del módulo principal (10), y compensar cualquier desviación de la
forma sinusoidal de la corriente entregada hacia los aparatos
eléctricos (16) del usuario, y
- detectar una condición de interrupción del
servicio de la red eléctrica (17), y asegurar la continuidad del
suministro eléctrico al menos a algunos de los aparatos eléctricos
(16) del usuario con la energía eléctrica entregada por el módulo
(32) de almacenamiento, durante un periodo de tiempo mínimo
suficiente para hacer que funcione la unidad generadora eléctrica
(19).
2. Un sistema modular generador de energía,
según la reivindicación 1, en el que una unidad (40) de control,
que incluye un procesador de señales digitales, está asociado con la
unidad generadora eléctrica (19), estando conectada la unidad (40)
de control a una entrada (18a) de control del dispositivo (18) de
conmutación, al convertidor (24) de ca/cc y al convertidor (25) de
cc/ca de la unidad convertidora (23), al convertidor (33) de cc/cc,
y a una unidad electrónica de control (22) del motor (20) de
combustión interna, así como a medios (35) para detectar la tensión
y la corriente en la red (17), aguas arriba del dispositivo (18) de
conmutación.
3. Un sistema modular generador de energía,
según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el cual el
convertidor (33) de cc/cc puede realizar la recarga del módulo (32)
de almacenamiento de energía eléctrica, y está configurado de una
manera tal que su lado con el que está conectado a la conexión (26)
de cc está a una tensión mayor que su lado que está conectado al
módulo (32) de almacenamiento de energía eléctrica.
4. Un sistema modular generador de energía
eléctrica, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en el que la salida de al menos un generador adicional
de tensión de corriente continua, tal como un generador
fotovoltaico (36) o un generador (37) de célula de combustible, está
conectado a la conexión (26) de cc.
5. Un sistema modular generador de energía
eléctrica, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en el que el módulo generador auxiliar (12) comprende
una bomba de calor (30) del tipo químico con desecante líquido.
6. Un sistema modular generador de energía
eléctrica, de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el módulo
generador auxiliar (12) comprende además medios (31) de
almacenamiento térmico.
7. Un sistema modular generador de energía
eléctrica, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en el que los medios (13, 14; 40) de supervisión y
control están configurados para excitar los convertidores (24, 25,
33), de una manera tal que el módulo principal generador combinado
(10) puede suministrar energía reactiva capacitiva o inductiva,
estando acoplada la energía reactiva a la red (17) por medio del
dispositivo (18) de conmutación.
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