ES2388387B2 - Condensador electrostático dinámico - Google Patents
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Abstract
Condensador electrostático dinámico que dispone de uno o una pluralidad de condensadores unitarios formados por placas metálicas estáticas positivas y negativas y por el hecho de que a una lámina dieléctrica, que se sitúa entre las citadas placas, se le dota de movimiento de translación para poder cargarse o descargarse de energía, siendo la principal función de la invención crear un sistema de almacenamiento y generación de energía eléctrica.
Description
Condensador Electrostático Dinámico
Campo de la invención
5 La presente invención se engloba dentro de la ingeniería eléctrica, y en el campo de la electrostática.
Base de funcionamiento de la invención
10 La botella de Leyden. también conocida con el nombre de cuadro fulminante de Franklin, es uno de los condensadores electrostáticos más antiguos que se conocen. Modernamente el condensador electrostático más utilizado es el de tipo plano, que se construye con dos láminas metálicas separadas por una lámina dieléctrica, enrollando
15 el conjunto así fonnado para, ocupando el mínimo espacio posible, poder obtener una capacidad mayor.
La base de la invención se centra en el dieléctrico.
20 Según el diccionario de la RAE (vigésima segunda edición), la definición de dieléctrico es: "Que es poco conductor y a través del cual se ejerce la inducción eléctrica", y, para clarificar conceptos, la definición de aislante es: "Que impide la transmisión del calor, la electricidad, el sonido, elc. ". Todos los dieléctricos son aislantes pero muy pocos aislantes son dieléctricos.
25 La función de un dieléctrico en un condensador electrostático es triple:
-Mantiene separadas las láminas metálicas.
-Dota al condensador electrostático de la rigidez dieléctrica que se precise, la cual
3 O depende del grosor de la lámina dieléctrica. Un material dieléctrico muy utilizado es el polipropileno, que tiene una rigidez dieléctrica de 30 -40 kV/mm. -Aumenta la capacidad del condensador electrostático en función de su constante dieléctrica. Un material dieléctrico muy utilizado es el polipropileno, que tiene una conslantt: dieléctrica a l MHz de 2,2 -2,6.
El funcionamiento de un condensador electrostático es el siguiente: Cuando las placas metálicas se conectan, una a un polo "+", y la otra a un polo "-'" de una fuente eléctrica cualquiera. entre ellas se genera un campo eléctrico (si la fuente es continua el campo también Jo es y si es alterna así lo será el campo). La lámina dieléctrica que se
5 encuentra entre las placas es sometida al campo eléctrico. Las moléculas polares o dipolos del dieléctrico se oricntan en la dirección del campo pasando a ser dipolos inducidos.
Se ha comprobado, mediante la invención, que cuando cesa el campo eléctrico (se
10 desconectan las placas de la fuente eléctrica), la energía que almacena el condensador la almacena exclusivamente el dieléctrico en sus dipolos inducidos. Por lo tanto, si renovamos el dieléctrico de foona continua, se puede almacenar energía eléctrica de foona ilimitada, obteniéndose un sistema de almacenamiento de energia eléctrica avanzado.
15 La invención Se basa en mantener las placas metálicas fijas y desplazar la lámina dieléctrica entre ellas. Una vez la lámina dieléctrica es cargada, se desplaza para almacenarse adecuadamente en un tambor. En éste tambor se almacena la lámina de dieléctrico cargada solapada junto a una lámina aislante no dieléctrica, a medida que se
2 O enrolla, y procedente de otro tambor. De [oona continua, se da paso a nueva lámina dieléctrica a través de las placas metálicas, para proceder a su carga, procedente de otro tambor. En este tambor se almacena la lámina dieléctrica descargada por lo que no se necesita aislar. El proceso se repite hasta que esté toda la lámina dieléctrica cargada. El proceso de descarga, es igual al descrito anterioonente pero a la inversa, entregando
25 el dieléctrico la energía almacenada a las placas y éstas a donde se requiera el consumo de energía eléctrica.
Se consigue así disponer de un tambor que almacena
L" 1m] lámina dieléctrica cargada, la cual almacena carga n, 3 O eléctrica. Estos tambores cargados pueden almacenarse extra l [mi
durante un tiempo prácticamente indefinido. Como
ejemplo (a modo de una realización preferente (teniendo
.,Iml
en cuenta que para nada requiere la invención que se trate
ea;,; [m]
de estos valores concretos), como puede apreciarse en la
re [m)
35 Tabla 1, una lámina dieléctrica de polipropileno de 0,04 Lu,mbor [m) Tabla 1: Cál,;ulo tambor cargado
mm de espesor, suficiente para un condensador de 565,7 V (400 x J2), necesita un tambor de carga de radio interno (rO) de 5 mm y de radio externo (re) de 1,39 m, para almacenar aproximadamente 80 km de lamina dieléctrica y de lámina aislante. El tambor almacenará 10 A· h.
El tambor descrito es un sistema de almacenamiento de energía eléctrica, que se pueden almacenar, en el número que se desee, para formar un almacén de energía eléctrica. Cuando el tambor descrito entregue su energía, será un sistema de generación de energía eléctrica.
Se describen a continuación los parámetros de la Tabla 1: Se pueden agrupar n-placas para fonnar n-I condensadores unitarios. La capacidad del condensador fonnado por 0-1 condensadores unitarios será la suma de la capacidad unitaria, es decir:
- Lp [m] :
- Longitud de placa. Se ha fijado que sea igual a la anchura de placa, para
- adoptar placas cuadradas, pero pueden ser rectangulares.
- nc:
- Número de condensadores unitarios. Se han calculado los máximos que
- se pueden obtener para una altura del condensador total, H: 1m, y un
- espesor de placa. ep: 0,1 mm y una distancia interior entre placas, eh:
- 0,05 mm. El condensador total así fonnado tendrá una capacidad, C:
- 2838,12 ~F.
- extra:
- Longitud de lámina dieléctrica fuera de las placas. Es la necesaria para
- llegar a los tambores pasando por los rodillos.
- L [m] :
- Longitud de lámina dieléctrica necesaria. Se calcula sumando la
- longitud total de placas y la longitud extra.
- rQ [m] :
- Radio interior del tambor. Se fija arbitrariamente.
- ed [m]:
- Espesor de la lámina dieléctrica. Necesario para la tensión eléctrica
- pico nominal del condensador que es de 565,7 V para una tensión
- nominal de 400 V.
- eai, [m] :
- Espesor de la lámina aislante. Se ha fijado que tenga el mismo espesor
- que la lámina dieléctrica.
- re [m] :
- Radio externo del tambor. Se calcula para que el tambor pueda
- almacenar la longitud de lámina dieléctrica y de lámina aislante
- indicadas anteriormente.
- Ltambor [m]:
- Longitud de lámina dieléctrica, solapada con la aislante, que puede
- almacenar el tambor. Se ha fijado igual a la necesaria para obtener el
- radio exterior mínimo del tambor.
C=(n-l)C"
Siendo: e, la capacidad en Faradios; n, número de placas metálicas; ell, la capacidad unitaria en Faradios.
La invención emplea para n-condensadores unitarios, un número de placas de:
n-condensadores + I
y el sistema tradicional de condensadores unitarios en paralelo emplea un número de pacas de: 2 x n-condensadores. es decir, el ahorro es muy elevado.
Rd
s [m'] [kV/mm]
eh[m1 es
e [F] Vn [V]
e [~F] ed [mm1
H[m] E [W.s]
ep [m]
eh [m]
nc
C[F] Q [A.s]
e[~F] Q[A.h1
Autonomía [5J
Autonomía hl
Tabla 2: Ejemplo de un condensador de:::::: I ml de placas y de 2838,12 ~F
En la Tabla 2 se indican los datos para un ejemplo de un condensador electrostático dinámico, de :::: 1 ml de placas y de 2838,12 ~F, para 565,69 V de tensión pico nominal, el cual tiene una capacidad de almacenamiento de 5.779,73 A.h. Es decir 116 veces mayor que la típica batería de plomo-ácido de un vehículo (SO A.h).
Antecedentes de la invención
Se desconoce de un sistema similar al que preconiza la invención. Por lo tanto, como la mayor aplicación de la invención es almacenar energía eléctrica, se citan las 10 características más importantes de la invención para esta aplicación, frente a otros sistemas de almacenamiento de energía eléctrica conocidos, como Jos sistemas de pilas
o baterías (química), agua en un embalse (hidráulica), aire en un depósito (neumática), pilas de combustible (química), etc. Dichas características son:
15 -Alta densidad de potencia. -Alta eficiencia (> 95%). -Despreciable auto-descarga. -Larga vida útil.
20 BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1, muestra una realización del dispositivo (1), el cual se compone de un condensador unitario, y además puede observarse el estado final del proceso de descarga (entrega de la energía de la lámina dieléctrica a las placas metálicas). Se ha
25 representado mediante flechas, el movimiento de los diferentes tambores (105, 106, 107), de los rodillos (108,109, 110) Y de las láminas dieléctrica (103) y aislante (104) en el proceso de descarga.
La figura 2, muestra una realización del dispositivo (1), el cual se com¡xme de un
3 O condensador unitario, y además puede observarse el estado final del proceso de carga (entrega de la energía de las placas metálicas a la lámina dieléctrica). Se ha representado mediante flechas, el movimiento de los diferentes tambores (105, ] 06, 107), de los rodillos (108, 109, I 10) Y de las láminas dieléctrica (103) Y aislante (104) en el proceso de carga.
La figura 3, muestra una realización del dispositivo (1), el cual se compone de dos condensadores unitarios. Obsérvese que se dispone de tres placas metálicas, dos positivas (10 I A, 101B), Y una común negativa (1 02A).
La figura 4, muestra una realización del dispositivo (1), el cual se compone de tres condensadores unitarios. Obsérvese que se dispone de cuatro placas metálicas, dos positivas (lOIA, 1018), Y dos negativas (I02A, 1028). Se puede generalizar a ncondensadores unitarios mediante el empleo de n-placas = n-condensadores + l.
La figura 5, muestra en detalle las placas metálicas, positiva (10 I A) Y negativa (1 02A) de un condensador unitario y el paso de la lámina dieléctrica (I03) entre ellas en su proceso de carga (movimiento de derecha a izquierda). Puede observarse la orientación de los dipolos una vez inducidos, que cuando salen de las placas conservan dicha posición.
La figura 6, muestra, a la izquierda, el tambor (106) de almacenaje de la lámina dieléctrica {I03} una vez cargada, a la cual se solapa (o acopla) una lámina aislante
(104) para evitar que los dipolos inducidos de capas consecutivas de lámina dieléctrica cargada interactúen perdiendo su energía, y muestra, a la derecha, un detalle de una porción de sección del tambor en el que se pueden apreciar las diferentes capas consecutivas de lámina dieléctrica (103) cargada (con sus dipolos inducidos) y de lámina aislante (104).
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACiÓN PREFERIDA
La figura 1, muestra una realización del dispositivo (1), el cual se compone de un condensador unitario, formado por una placa metálica positiva (10 I A) Y por una placa metálica negativa (I02A). Las placas metálicas siempre permanecen estáticas. Se dispone de un tambor de almacenaje de lámina aislante (104) denominado (105), así como de un tambor de almacenaje de lámina dieléctrica (103) descargada denominado (l07). También se dispone de un tambor de almacenaje de lámina dieléctrica (l03) cargada solapada con lámina aislante (104) denominado (106). Las láminas se hacen pasar por unos rodillos (108, 109, 110), que sirven de guía y de control de tensado, y que pueden ser motrices o simplemente rodantes. Finalmente se dispone de dos bornes, positivo (100+) y negativo (100-) para conectar las placas metálicas con el exterior del
dispositivo (1). El proceso de descarga del dispositivo (1) se produce de la siguiente manera: el tambor de almacenaje de lámina dieléctrica (103) cargada y aislada denominado (106), en movimiento horario, libera lámina dieléctrica (103), que pasa por un rodillo (109), hasta llegar al interior de las dos placas metálicas (1OIA, IOIB), 5 en movimiento de izquierda a derecha, y sale de las mismas pasando por otro rodillo
(110) hasta finalmente llegar a un tambor de almacenaje de lámina dieléctrica (103) descargada denominado (107), en movimiento antihorario. Simultáneamente, la lámina aislante (104), que en su salida del citado tambor (106) se separa de la lámina dieléctrica (103) cargada, pasa por un rodillo (108) hasta llegar al tambor de
la almacenaje de cinta aislante (104) denominado (105), en movimiento antihorario. Las placas metálicas (101 A, 102A), recogen la energía de los dipolos inducidos en fonna de energía eléctrica que suministran al exterior del dispositivo (1) mediante los bornes (100-, 100+).
15 La figura 2, muestra una realización del dispositivo (1), el cual se compone de un condensador unitario, según se ha descrito anterionnente. El proceso de carga del dispositivo O) se produce de la siguiente manera: el tambor de almacenaje de lámina dieléctrica (03) cargada y aislada denominado (106), en movimiento antihorario, recoge lámina dieléctrica (103), previamente cargada, que viene de un rodillo (09),
2 O desde el interior de las dos placas metálicas (101 A, 1018), en movimiento de derecha a izquierda, y llega a las mismas procedente de otro rodillo (110) y procedente de un tambor de almacenaje de lámina dieléctrica (103) descargada denominado (107), en movimiento horario. Simultáneamente, se recoge en dicho tambor (106) la lámina aislante (104) solapada con la lámina dieléctrica (103). que viene de un rodillo (108)
25 procedente de tambor de almacenaje de cinta aislante (104) denominado (l05), en movimiento horario. Las placas metálicas (lOIA, 102A), suministran la energía a los dipolos inducidos mediante la fonnación de un campo eléctrico, y se alimentan del exterior del dispositivo (1) mediante los bornes (100-, 100+).
30 La figura 3, muestra una realización del dispositivo (1), el cual se compone de dos condensadores unitarios. Obsérvese que se dispone de tres placas metálicas, dos positivas (lOIA, 1018), y una común negativa (102A). Obsérvese el puente de conexión elédrica para dotar de polaridad positiva a las placas metálicas (lOIA, 101 B).
La figura 4, muestra una realización del dispositivo (1), el cual se compone de tres condensadores unitarios. Obsérvese que se dispone de cuatro placas metálicas, dos positivas (JOIA, 10IB), Y dos negativas (I02A, 102B). Obsérvese el puente de conexión eléctrica para dotar de polaridad positiva a las placas metálicas (JOIA,
S IOIB), Y el puente para dotar de polaridad negativa a las placas metálicas (!02A, 102B). Se puede generalizar a n-condensadores unitarios mediante el empleo de nplacas = n-condensadores + l.
La figura 5, muestra en detalle las placas metálicas, positiva (lOIA) y negativa (I02A)
10 de un condensador unitario y el paso de la lámina dieléctrica (103) entre ellas en su proceso de carga (movimiento de derecha a izquierda). Pueden observarse la orientación de los dipolos una vez inducidos que cuando salen de las placas conservan dicha posición. Los dipolos inducidos se forman por el campo eléctrico que crean las placas metálicas (I01A, 102A).
15 La figura 6, muestra, a la izquierda, el tambor (106) de almacenaje de la lámina dieléctrica (103) una vez cargada, a la cual se acopla una lámina aislante (104) para evitar que los dipolos inducidos de capas consecutivas de lámina dieléctrica cargada interactúen perdiendo su energía, y muestra, a la derecha, un detalle de una porción
2 O de sección del tambor en el que se pueden apreciar las diferentes capas consecutivas de lámina dieléctrica (103) cargada (con sus dipolos inducidos) y de lámina aislante (104). La energía que almacena el dieléctrico, mediante el proceso descrito, se mantendrá, en la práctica indefinidamente, dependiendo de la calidad de aislamiento de la lamina aislan te (104), que obviamente no debe ser dieléctrica. Cualquier material
25 aislante no dieléctrico realizará una función de aislante prácticamente ideal para los niveles de campo eléctrico que se exigen en la invención (1).
Claims (5)
- REIVINDICACIONESl. Condensador Electrostático Dinámico (1) caracterizado porque dispone de uno o una pluralidad de condensadores unitarios fonnados por placas metálicas estáticas positivas (lOIA,IOIB,... IOIN) y por placas metálicas estáticas negativas (I02A,102B, ... 102N) y por el hecho de que a una lámina dieléctrica(103) que se sitúa entre las citadas placas se le dota de movimiento de translación, y porque se dispone de un tambor, de almacenaje de lámina dieléctrica (103) cargada, previamente aislada con lámina aislante no dieléctrica (104), tambor denominado (106) y porque se dispone de un tambor, de almacenaje de lámina dieléctrica (103) descargada, tambor denominado(107) y porque se dispone de un tambor, de a1macenaje de lámina aislante no dieléctrica (104), tambor denominado (105).
-
- 2.
- Condensador Electrostático Dinámico (1) según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el tambor, de almacenaje de lámina dieléctrica (103) cargada y aislada con lámina aislante no dieléctrica (104), tambor denominado (106), es reemplazable, para poder almacenarse de forma independiente como sistema de almacenamiento de energía eléctrica, y en su descarga como sistema de generación de energía eléctrica.
-
- 3.
- Condensador Electrostático Dinámico (1) según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de qu~ la pluralidad d~ condensadores unitarios se consiguen con un número de placas metálicas igual al de condensadores unitarios más una.
-
- 4.
- Procedimiento de almacenamiento de energía eléctrica utilizando un Condensador Electrostático Dinámico (1), descrito en la reivindicación 1, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
Movimiento de translación de una lámina dieléctrica (l03) entre sendas placas metálicas con polos opuestos (10 1, 102) para orientar los dipolos por inducción eléctri ca. Aislamiento mediante una lámina aislante no dieléctrica (104) de la lámina dieléctrica (103) cargada.- Arrollamiento solapado de la lámina dieléctrica (103) cargada y de la
- lámina aislante no dieléctrica (104) en un tambor denominado (106).
- Almacenamiento de forma independiente del tambor denominado (l06)
- como sistema de almacenamiento de energía eléctrica.
- 5
-
- 5.
- Procedimiento de generación de energía eléctrica utilizando un Condensador
- Electrostático Dinámico (1), descrito
- en la reivindicación 1, caracterizado
- porque comprende las siguientes etapas:
- 10
- Carga de un tambor denominado (106) al dispositivo (1).
- Desenrrollamiento de una lámina dieléctrica (103) cargada y solapada con
- una lámina aislante no dieléctrica (104) de un tambor denominado (106).
- Movimiento de translación de un lámina dieléctrica (103) cargada, es decir
- con sus dipolos inducidos, entre sendas placas metálicas (101, 102), en las
- 15
- cuales se generarán polos opuestos, positivo y negativo, para entregar la
- energía eléctrica generada a los bornes (100+, 100-).
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FG2A | Definitive protection |
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