PT1807849E - Camada dupla, utilização de um tal armazenador de energia em veículos de caminhos-de-ferro e veículo de caminhos-de-ferro a ele associado - Google Patents

Description

1

DESCRIÇÃO " ARMAZENADOR DE ENERGIA COMPOSTO POR CONDENSADORES DE CAMADA DUPLA, UTILIZAÇÃO DE UM TAL ARMAZENADOR DE ENERGIA EM VEÍCULOS DE CAMINHOS-DE-FERRO E VEÍCULO DE CAMINHOS-DE- FERRO A ELE ASSOCIADO " A invenção refere-se a um armazenador de energia constituído por condensadores de camada dupla. Além disso, a invenção refere-se à utilização de um desses armazenadores de energia em veículos de caminhos-de-ferro. Finalmente, a invenção refere-se também a um veículo de caminhos-de-ferro desse tipo.

Os condensadores de camada dupla servem, de forma quase ideal, para a alimentação temporária em energia. A sua técnica está amadurecida (os chamados SuperCaps diminutivo do inglês "Super Capacitors" - super condensadores). Os condensadores de camada dupla são combinados em módulos de até mais de 100 condensadores individuais. As possibilidades de utilização dependem da eficiência de cada um dos condensadores de camada dupla.

Os primeiros exemplares de condensadores de camada dupla, com capacidades h 1F surgiram no mercado depois de 1970. Primeiramente disponíveis como células únicas com capacidades > 1000 F, a prática recomendou o uso de uma combinação de diversos condensadores, a fim de estes poderem disponibilizar, em pouco tempo, potências mais elevadas. Especialmente para utilizações na técnica dos transportes, por exemplo tração elétrica e subestações em veículos de caminhos-de-ferro, é necessária a ligação em grandes módulos, a fim de serem suficientes, não só a potência como também a tensão fornecidas. 2

Especialmente naquelas utilizações em que são de esperar potências elevadas, ocorrerão, em considerável medida, perdas de calor. Para a manutenção de um funcionamento correto e para garantia de uma elevada duração, esse calor perdido deve ser dissipado de uma forma fiável e eficaz.

Nos protótipos ou instalações piloto de módulos de condensadores de camada dupla até aqui existentes, esta última exigência tem sido tida em conta, através da alimentação de cada um dos condensadores individuais ou de todo o módulo com arrefecimento por meio de ar. Para isso o efeito de arrefecimento pode ainda ser reforçado por meio da aplicação de corpos de arrefecimento separados.

Um arrefecimento por meio de ar significa sempre, em instalações elétricas, uma limitação do local da instalação. Nos casos em que sejam de esperar elevadas potências, frequentes ou permanentes, este tipo de arrefecimento esbarra em limitações, particularmente quando reinam temperaturas ambientes variáveis ou elevadas. A consequência disso é que o perfil de potência tem de ser correspondentemente reduzido, a fim de impedir danos no módulo e garantir a segurança do funcionamento.

Da EP 0 514 840 AI é conhecido um dispositivo de arrefecimento para pelo menos um condensador, no qual, num compartimento para diversos condensadores, estão construidos canais de arrefecimento para a passagem do fluxo de um meio de arrefecimento líquido. Na EP 0 033 697 A2 estão empacotados vários condensadores num suporte, o qual pode ser mergulhado num banho de arrefecimento.

Da JP 11-54356 A é também já conhecido um armazenador de energia de módulos de condensadores de camada dupla, que 3 para termostatização estão colocados num banho liquido. Para isso, cada um dos módulos fechados contém diversos condensadores de camada dupla e diversos de tais módulos encontram-se mergulhados num liquido, dentro de um compartimento, o qual por sua vez pode ter uma abertura de entrada e uma abertura de saida.

Com base no exposto, constitui objeto da invenção, a criação de um armazenador de energia aperfeiçoado com condensadores de camada dupla, a proposta de uma utilização adequada e especialmente, a realização dessa utilização, em termos de construção, em veículos de caminhos-de-ferro. 0 objeto é atingido, de acordo com a invenção, por meio das características da reivindicação 1. Uma utilização vantajosa é fornecida na reivindicação 20. Um veículo de caminhos-de-ferro, construído neste contexto, para a utilização prática da invenção, constitui o objeto da reivindicação 22. Aperfeiçoamentos do armazenador de energia e particularmente no contexto do veiculo de caminhos-de-ferro, constituem o objeto das reivindicações subordinadas. O objeto da invenção é um módulo de armazenamento de energia com condensadores de camada dupla, contido num compartimento de módulo, no qual se encontram também, por um lado interfaces elétricas para uma ligação elétrica e por outro lado uma ligação líquida. Com isso tais compartimentos de módulos podem ser combinados praticamente de qualquer maneira.

Com a invenção é possivel constituir-se assim um arrefecimento adequado por fluxo de líquido para os condensadores de camada dupla e uma utilização vantajosa em veículos de caminhos-de-ferro, em que são acoplados 4 diversos módulos. Num veículo de caminhos-de-ferro assim equipado, os módulos podem ser colocados em espaços vazios da carroçaria.

Conforme foi referido acima, são já conhecidos arrefecimentos por líquidos para aparelhos de armazenamento de energia e também para aparelhos elétricos e eletrónicos de elementos construtivos de potência. Particularmente, no armazenador de energia descrito na JP 11-54356 A, módulos fechados estão mergulhados num banho líquido no interior de um compartimento unitário singular, em que, no entanto e de modo especial, não é possível qualquer acoplamento de diversas unidades de compartimento. Em contrapartida, com a invenção, é proporcionado um desses armazenadores de energia, com o qual podem ser acopladas umas com as outras as unidades de compartimento.

Com a invenção são portanto propostos medidas e sistema adequados para a dissipação efetiva do calor residual, particularmente de um módulo de condensadores de camada dupla, com os quais é possível uma prevenção de danos provocados pelo calor em tais módulos. Um sobreaquecimento dos componentes, isto é, a ultrapassagem da temperatura de funcionamento permitida dos condensadores de camada dupla, poderá conduzir, nomeadamente, à diminuição da duração ou a danos na camada dupla ou no próprio condensador, desde, por exemplo, a fuga do eletrólito à combustão explosiva. Por meio da invenção é afastada, particularmente em veículos de caminhos-de-ferro, a limitação do local de inserção do módulo armazenador de energia.

Outras peculiaridades e vantagens da invenção retiram-se da descrição das figuras, que se segue, de um exemplo de forma de realização, com a ajuda do desenho e em ligação com as 5 reivindicações. Aquele mostra, numa representação esquemática, nas

Figuras 1 a 5, diversas alternativas de um módulo de condensadores de camada dupla com arrefecimento liquido adequado.

Figuras 6 e 7, possibilidades alternativas de acoplamento, uns nos outros, de módulos de condensadores de camada dupla individuais (Principio-LEGO),

Figura 8, numa vista lateral, um veiculo de caminhos-de-ferro, no qual estão instalados, em diferentes espaços vazios, módulos arrefecidos por liquido, como armazenadores de energia e

Figura 9, uma representação em corte do espaço de transporte dos passageiros da Figura 8, com espaços vazios para a receção de módulos de condensadores de camada dupla com arrefecimento por liquido.

Das Figuras 1 a 5, as Figuras 1 a 3 e 5 são representações esquemáticas, enquanto que a Figura 4 mostra uma vista especial em plano. As Figuras 1 a 5, são agora especialmente descritas em conjunto, com referência às suas unidades iguais.

Nas Figuras 1 a 5 encontram-se representados, em cada uma delas, um compartimento de módulos 10, que possui, como compartimento normalizado, dimensões exteriores essencialmente iguais. Em cada compartimento de módulos 10 encontra-se uma série de condensadores de camada dupla 1, 1', 1" etc. O número dos condensadores de camada dupla individuais 1, 1"... presentes num módulo não está fixamente estabelecido. Vantajosamente dispõem-se entre 5 e 50 condensadores de camada dupla. Existem ali dispostos, por exemplo, 13 numa grelha de 3xr ou 24 condensadores de 6 camada dupla instalados numa grelha de 4x6 e eletricamente ligados de uma maneira adequada, em série e/ou em paralelo. No interior de um módulo podem ser previstas quaisquer combinações.

Na representação das Figuras até 3, bem como na 5, cada um dos condensadores de camada dupla 1, 1', 1", ..., presente nas Figuras, está ligado eletricamente de tal modo por meio de calhas de contacto 2, 2' , que, devido a uma ligação combinada, em paralelo e em série, fornecem uma tensão e uma corrente de saida adequadas de cada um dos módulos. Múltiplos módulos podem ser interligados uns aos outros, de modo que produzam a tensão do sistema e o desempenho do sistema adequados. São também possíveis dispositivos internos de ligação série/paralelo adequados. Cada uma das Figuras 1 a 5, trata da apresentação de disposições adequadas para o arrefecimento por meio de liquido. Assim, especialmente na Figura 1, com exceção das calhas condutoras elétricas 2, 2’ individuais e dos respetivos contactos, que estão todos isolados de forma adequada, por exemplo por meio de uma massa de resina, um volume interno 11 constituído no compartimento do módulo 10, é completamente atravessado pelo liquido de arrefecimento 100. Estão disponíveis, uma abertura de entrada 12 e uma abertura de saida 13.

Na Figura 2 estão colocadas superfícies de compartimentos de dois corpos de liquido de arrefecimento 12, 12', opostas uma à outra, com princípios de construção idênticos aos do compartimento 10, com condensadores de camada dupla 1, 1',... e calhas condutoras 2, 2', cada uma delas separada e atravessada por um liquido de arrefecimento 100. Por meio da colocação dos corpos de liquido de arrefecimento 12, 12', por cima e/ou por baixo do módulo, produz-se, com um acoplamento adequado, uma ação de arrefecimento suficiente. 7

Eventualmente pode ser suficiente um único corpo de arrefecimento.

Na Figura 3 está um compartimento de módulos de acordo com a Figura 2, modificado de tal modo, que os corpos de liquido de arrefecimento se encontram imediatamente sobre as ligações em paralelo e em série 2, 2' . Com isso é melhorada a dissipação do calor.

De acordo com a Figura 4, um compartimento do módulo 10 é modificado de tal maneira, que no interior do compartimento do módulo e à volta dos condensadores de camada dupla, se encontra colocada uma mangueira 14 suscetível de os envolver, pela qual corre o meio de arrefecimento. Por meio da utilização da mangueira de envolvimento os condensadores de camada dupla individuais 1, 1', 1", ..., são diretamente arrefecidos.

Uma combinação dos princípios anteriores, apresentados com a ajuda de cada um dos exemplos, retira-se da Figura 5. Aqui são proporcionados, com um compartimento do módulo 10, corpos de líquido de arrefecimento exteriores 15 ou 15', os quais estão ligados uns aos outros por meio de estruturas de distribuição 16, 16', 16", ..., para um envolvimento uniforme dos condensadores pela sua corrente. Proporciona-se aqui a possibilidade de, através de uma abertura de entrada num lado do compartimento do módulo 10, se realizar uma corrente de líquido, enquanto do outro lado, através de uma abertura de saída, a corrente de líquido é despejada.

Nesta última realização é portanto particularmente vantajoso, que sejam construídos compartimentos de módulo normalizados, cada um deles com ligações elétricas e ligações de líquido, isto é, com uma entrada para o líquido e uma saída para o líquido, que podem ser acoplados uns com os outros em qualquer combinação.

Através das Figuras 6 e 7 é mostrado que módulos individuais, tipo peças de LEGO, podem ser acopláveis uns nos outros de praticamente qualquer maneira. Para isso, cada um dos compartimentos de módulo 10 necessita de apresentar nas suas superfícies exteriores, por um lado dispositivos de ligação para o contacto elétrico e por outro lado dispositivos para a ligação de líquido. Estes meios podem ser adequadamente construídos como meios de inserção, que apresentam, cada um deles, em locais definidos de uma superfície do compartimento, uma peça de inserção e compreendem cada um deles uma peça de receção. Os módulos individuais podem assim ser unidos uns por baixo dos outros ou paralelamente uns aos outros.

Para isso, um elemento individual de compartimento 101, representado na Figura 6, está munido de dispositivos de união 110, 110' bem como 120, dos quais 110, 110' representam dispositivos de inserção (fêmeas) e 120 dispositivos de inserção (machos).

Na Figura 6 a ligação elétrica é feita através das peças de inserção 111 e 111' nos dispositivos 110 ou 110',enquanto que a ligação do líquido de arrefecimento é estabelecida por meio de uma peça de inserção 112. No dispositivo correspondente 120 são proporcionadas para isso respetivas contra peças 121, 121' e 122. Particularmente para a união de líquido é aqui necessário um vedante 125.

De acordo com a Figura 7, a entrada do líquido pode dar-se através dos lúmenes internos das ligações elétricas. Para isso as interfaces intermédias 110, 120 estão munidas de peças de inserção 113, 113', as quais possuem ligações 114, 9 114' às calhas de distribuição dos condensadores de camada dupla. 0 meio de arrefecimento é introduzido nos lúmenes internos 114, 114' das peças de inserção 113, 113' . Nas respetivas contra peças 123 ou 123' são aqui proporcionados vedantes 125 ou 125' , destinados a impedir a fuga do liquido.

Com a construção de duas uniões de inserção em lados opostos do compartimento do módulo é possível uma interligação. Através da terceira união de inserção de acordo com as Figuras 6 e 7, os módulos podem também ser unidos paralelamente, com o que, no entanto, apenas pode ser proporcionada uma construção plana do suporte.

Por meio de uma disposição com seis uniões de inserção, isto é, uma união de inserção em cada uma das superfícies do compartimento do módulo 10 quadrangular, é possível qualquer construção tridimensional do armazenador de energia, de modo que os espaços vazios proporcionados podem ser otimamente utilizados.

Na Figura 8, encontra-se representado um comboio elétrico de transporte urbano 70, conforme é conhecido do estado da técnica dos veículos de caminhos-de-ferro. É constituído por um chassis 71, com um rodado 72, com eixos neutros e eixos motores, a estrutura de uma carroçaria 73, uma estrutura de teto 74 e um espaço interior de compartimento para passageiros 76 com assentos para os passageiros 76, 76',.... Além disso estão representados os meios, necessariamente precisos, proporcionados para a alimentação dos caminhos-de-ferro em energia elétrica. Para isso, são especialmente fornecidos pantógrafos, para a extração da energia a partir de cabos condutores superiores e unidades reguladoras da corrente elétrica para o controlo dos motores de acionamento, bem como dispositivos auxiliares de 10 funcionamento. Estes tipos de dispositivos estão vulgarmente instalados sobre o teto do veiculo de caminhos-de-ferro, num contentor fechado ao exterior.

Até aqui, também unidades complementares para alimentação de energia, como sejam, particularmente, módulos com condensadores de camada dupla, têm sido instalados no teto dos veículos de caminhos-de-ferro. Através de uma permuta de calor com o ar ambiente podem ser usados, principalmente no funcionamento quando em movimento, para regular a ação de arrefecimento devida à deslocação do ar.

No caso presente verifica-se, doravante, a possibilidade de se colocarem os compartimentos dos módulos, com os armazenadores de energia, nos espaços vazios proporcionados no interior do veículo elétrico de transporte urbano, especialmente debaixo dos assentos para os passageiros ou semelhantes. Por meio da reunião dos compartimentos dos módulos de acordo com o principio do LEGO, é por isso possível utilizar completamente e de forma ótima, cada um dos espaços vazios e livres.

Na Figura 9 vê-se que a montagem do compartimento dos passageiros 75 do veículo de caminhos-de-ferro 70 está conformada de tal modo, que as determinações de segurança pertinentes são cumpridas. Para isso, a parede exterior 79 da estrutura da carroçaria 73, por baixo dos assentos para os passageiros 75, 75', 76", ... é dobrada para dentro, pelo que o espaço independente assim obtido a partir da célula dos passageiros 75, pode ser tornado útil.

Por meio desta última disposição as determinações de segurança, que excluem a disposição do armazenador de energia, especialmente de condensadores munidos de um 11 eletrólito líquido, no compartimento para os passageiros, são tidas em consideração.

No seu conjunto, a invenção resolve o problema de uma dissipação eficiente do calor, em que, por um lado, em cada um dos módulos, os espaços vazios criados ou proporcionados são utilizados para que aqueles sejam atravessados por uma corrente de meio de arrefecimento adequado, cujo calor residual ela, como meio intermédio, recolhe e arrasta para longe do módulo. Esses módulos atravessados pela corrente de líquido podem ainda ser colocados em quaisquer locais adequados de veículos de caminhos-de-ferro. Não é necessário um contacto com o ar ambiente, particularmente com a corrente de ar devida ao movimento de deslocação.

Lisboa, 18 de Abril de 2013

Claims (26)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Armazenadores de energia de condensadores de camada dupla, em que cada um deles constitui um módulo, que compreende vários condensadores de camada dupla, com um compartimento, no qual se encontra colocado um meio de arrefecimento, caracterizados por cada um dos módulos de condensadores (10) conter até n, de preferência 5 a 50, particularmente 24, condensadores de camada dupla (1, 1' , 1",...) e por, como meio de arrefecimento (11 a 14), ser proporcionado um meio liquido, destinado a correr através dos compartimentos dos condensadores de camada dupla (10) e a arrastar o calor residual produzido por cada um dos condensadores de camada dupla (1, 1', 1", ...) , em que cada um dos compartimentos de módulos (10) apresenta interfaces (101) para, por um lado, a ligação elétrica e por outro lado a ligação de fluidos.

2. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por, como meio de arrefecimento ser utilizado um liquido de arrefecimento (100) de elevada capacidade térmica e pequena condutividade, por exemplo água desionizada ou óleo de transformador.

3. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 2, caracterizados por os condensadores de camada dupla (1, 1', 1", ...) se encontrarem imersos num banho de um liquido de arrefecimento (100) cuja corrente atravessa um módulo de condensadores (10), em que o liquido de arrefecimento (102) entra por um lado e sai pelo outro lado (Fig.1). 2

4. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 2, caracterizados por os corpos de liquido de arrefecimento (12, 12') se encontrarem por baixo e/ou por cima de cada um dos módulos de condensadores (10).

5. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizados por serem proporcionadas mangueiras de contorno adaptável (14) para uma receção do meio de arrefecimento (100).

6. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, com um módulo de arrefecimento, caracterizados por, no módulo de arrefecimento (10), a corrente de entrada do liquido ser para baixo e a corrente de sarda do liquido se efetuar diagonalmente para cima em relação àquela.

7. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 6, caracterizados por, no módulo de arrefecimento (15) serem proporcionadas estruturas de distribuição (16, 16') para se atingir uma corrente uniforme ao longo dos condensadores de camada dupla (1, 1', 1").

8. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizados por, para o isolamento elétrico dos módulos de condensadores (10) serem utilizadas massas resinosas ou moldagens com elevada capacidade térmica.

9. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizados por os dispositivos de ligação elétrica, em paralelo e/ou em série (2, 3), serem munidos de respetivas ligações a cada uma das células, as quais são eletricamente isoladas. 3

10. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizados por a corrente de liquido ser regulada de modo que a temperatura no módulo de condensadores (10) é mantida essencialmente constante.

11. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizados por todo o sistema incluir um permutador de calor, que eventualmente funciona apoiado por ventilador.

12. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizados por ser proporcionado um arrefecimento de acordo com principio da chamada tubulação de calor (Heat Pipe) .

13. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizados por ser proporcionado um sistema de filtragem separado, para o qual são enviados os vapores, ou outras substâncias nocivas à saúde, emanados.

14. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizados por o meio de arrefecimento liquido (100) ser adequado para a absorção de vapores dos eletrólitos.

15. Armazenadores de energia de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizados por, com a finalidade de unir os módulos de condensador individuais dos compartimentos dos módulos (10) às interfaces (101), por um lado, para a ligação elétrica e pelo outro para a ligação de líquidos, estarem 4 instalados meios de união (110, 120) adaptados às interfaces.

16. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por as unidades modulares poderem ser sujeitas a escala, em que as unidades modulares sujeitas a escala (10, 101), ao serem unidas umas às outras, lado a lado e/ou justapostas, não tenham mais nenhum dispositivo de ligação além das interfaces.

17. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 16, caracterizados por os meios de ligação (110, 120) serem uniões de inserção (121, 121')·

18. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 17, caracterizados por, em cada compartimento de módulos (10), serem proporcionados pelo menos dois, de preferência entre três e seis, dispositivos de inserção (110, 110', 120).

19. Armazenadores de energia de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizados por os dispositivos de inserção (110, 110', 120) compreenderem, cada um deles, pelo menos um macho (111) e pelo menos uma fêmea (121) .

20. Utilização de um armazenador de energia de acordo com a reivindicação 1 ou com uma das reivindicações 2 a 19, para a alimentação em energia de um veiculo de caminhos-de-ferro.

21. Utilização de acordo com a reivindicação 20, caracterizada por dela resultar um fornecimento temporário, particularmente por um curto espaço de 5 tempo, de alimentação em energia do veículo de caminhos-de-ferro (70).

22. Veículo de caminhos-de-ferro com um armazenador de energia de acordo com uma das reivindicações 1 a 19, que compreende diversos condensadores de camada dupla (1, 1', 1", ...) modularmente agregados e meios (11 - 16) para o arrefecimento, por meio de líquido, dos módulos de condensadores, em que os compartimentos de módulos (10) são colocados no veículo (70), em espaços vazios (77, 78).

23. Veículo de caminhos-de-ferro de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por os módulos de condensadores (10) estarem colocados perto do motor.

24 . Veículo de caminhos-de-ferro de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por os módulos de condensadores (10) estarem colocados por baixo dos assentos dos passageiros (76, 76' r · · · ) , para o que é proporcionado um espaço fechado vazio (77) .

25. Veículo de caminhos-de-ferro de acordo com a reivindicação 24, caracterizado por o espaço vazio (77) ser construído por meio da dobragem para o interior da parede da carroçaria (79).

26. Veículo de caminhos-de-ferro de acordo com uma das reivindicações 22 a 24, caracterizado por os módulos de condensadores (10) serem unidos num conjunto e encherem o espaço vazio (77, 78) proporcionado. Lisboa, 18 de Abril 2013