WO1993012572A1 - Sistema de almacenamiento cinetico de energia electrica utilizando maquinas electricas lineales y sustentacion por levitacion magnetica o electrodinamica - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a system that allows storing electrical energy during periods and that the electricity demand is low, valley hours, and restoring it when the electricity demand is high, that is to say during peak hours.
  • the energy storage takes place in a mass that moves at high speed in a toroidal enclosure in which the vacuum has been made and which is supported by magnetic, electrodynamic forces a combination of both, thus achieving mechanical losses due to movement of this moving mass are nu.
  • the overall performance of the pumping-turbine cycle is of the order of 70%, which means that 30% of the electrical energy that is intended to be stored is lost in double conversion.
  • a new storage system that is expected to be used in the medium term future, in the first decade of next century, it is made up of gigantic coils made with superconductors (diameters greater than 1,000 and heights of 15 m), in which electrical energy is absorbed in the magnetic field created by the SMES coil, Supe conducting Magnetic Energy Storage, the Main drawbacks of this system are the following:
  • the principle of electrodynamic action is also used, with the magnetic fields acting in this case in the radial direction and direction towards the center of rotation.
  • the rotating mass is housed in an enclosure in which the vacuum has been made, so that the losses that occur in the movement are practically nil, and are limited to those that occur in the electrodynamic systems of support and centering which can be kept at a very low value (some%).
  • the interconnection between the electricity network and the proposed storage system is carried out by means of a frequency converter that transforms the fixed frequency of the network into a frequency adapted to the speed that each case has the rotating ring.
  • This system can be installed in them substations of the electricity network, located in the centers of consumption, thus avoiding interconnection lines and energy losses associated with the transport of electrical energy.
  • 32 - The availability of electric power, even if the system is in the charging phase, is instantaneous, so it constitutes a true reservoir of the electrical system.
  • the discharge depth is very high; With a range of speeds of only 1 to 3, a maneuvering energy of 8/9 of that of design is achieved, so that the use of the material is optimal. Because this system is capable of supplying electric power and adjusting the value of the electric power supplied virtually instantaneously (in the millisecond step) the proposed system also has application as a STABILIZER OF THE ELECTRICAL POWER NETWORKS by compensating for Variations in the electrical power that circulates through a line of the electricity network are variations that are due to disturbances in said electrical network.
  • the relationship between the stored energy and the electrical power is very small in the stabilizers, and that in this application, the stored electrical energy must be supplied to the network in a time of some milliseconds.
  • a stabilization installed by Pacific AC Intertie of the United States, consisting of a coil (the same component as the SMES) whose functional characteristics are: - Stored energy: 30 MJ
  • Figure 2 shows a detailed view of the system in which they mean: 1.- Stator of the quasi-linear homopolar synchronous electric machine, in which the two electric windings are arranged, the three-phase winding of the armature and the inductor winding formed by an annular coil that can be constructed with normal conductive materials (copper, aluminum) or with superconducting materials.

Abstract

Sistema de almacenamiento cinético de energía eléctrica utilizando máquinas eléctricas lineales y sustentación por levitación magnética o electrodinámica, que permite el almacenamiento de energía eléctrica en forma de energía cinética en una masa que gira en un recinto toroidal sustentada por fuerzas magnéticas, electrodinámicas o una combinación de ambas, siendo este almacenamiento reversible y convirtiéndose posteriormente la energía cinética en energía eléctrica. Esta doble conversión se realiza por medio de una máquina eléctrica lineal que funciona como motor durante la fase de conversión de energía eléctrica en energía cinética y como generador cuando la energía cinética se convierte en energía eléctrica.

Description

SISTEMA DE ALMACENAMIENTO CINÉTICO DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTI LIZANDO MAQUINAS ELÉCTRICAS LINEALES Y SUSTENTACIÓN POR LEVI TACION MAGNÉTICA O ELECTRODINÁMICA
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema qu permite almacenar energia eléctrica durante los periodos e que la demanda eléctrica es baja, horas de valle, y resti tuirla cuando la demanda eléctrica es alta, es decir duran te las horas de punta. El almacenamiento de la energi tiene lugar en una masa que se mueve a elevada velocidad e un recinto toroidal en el que se ha realizado el vacio y qu está soportada por fuerzas magnéticas, electrodinámicas una combinación de ambas, consiguiendo asi que las pérdida mecánicas debidas al movimiento de esta masa móvil sean nu las.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, el almacenamiento de energia eléctric en los grandes Sistemas Eléctricos de Potencia se realiz mediante las Centrales Hidroeléctricas de Bombeo, que so Centrales Hidroeléctricas reversibles en las que durante la horas de valle, los grupos funcionan como bombas elevando e agua desde un embalse situado en una cota baja hasta otr situado en una cota más elevada; durante las horas de punta la central produce energia eléctrica con el agua que previa mente ha sido bombeada. Esta solución tiene varios inconve nientes, a saber:
12 - El rendimiento global del ciclo bombeo-turbina ción es del orden del 70%, lo que quiere decir que el 30% d la energia eléctrica que se pretende almacenar se pierde e la doble conversión.
22 - Estas instalaciones se pueden implantar única mente donde las condiciones hidrológicas y geológicas so adecuadas, lo que ocurre en localizaciones que generalmen están muy alejadas de los grandes centros de consumo; el tiene como consecuencia que el coste de la propia central incrementa con el coste de las lineas de Alta Tensión que s necesarias para su interconexión a la red, y que además rendimiento del almacenamiento disminuye debido a las pérd das de energia que se producen en el transporte de la energ eléctrica hasta los centros de consumo.
32 - Las centrales de bombeo, debido principalmen a los dos embalses superior e inferior, tienen un impac ambiental notable, y en algunos casos presentan problemas inundación de superficies agricolas productivas con las co siguientes dificultades de expropiación.
42 - La densidad de energia almacenada es baja; co siderando una altura de salto de 400 m, la energia potenci máxima teórica del agua seria 4 x 10"7 J/m3 y teniendo cuenta que son necesarios dos embalses resulta 2 x 10"7 J/m de agua útil embalsada. No hay muchas Centrales de Bombeo qu superen este nivel de salto; en España, solamente la Centra de Bombeo de La Muela-Cortes, puesta en servicio en el añ 1989 tiene un salto superior, 522 m. En Japón, las centrale de Numappara, Ochina y O uyosino tienen saltos entre 500 570 m., en USA la central de Helms de 531 m, en Inglaterra l de Dinorwic de 550 m y en Yugoslavia la Central de Bajma Basta de 600 m constituyen hitos conseguidos con la tecnolo gía actual.
Se han estudiado otros sistemas, por ejemplo el al macenamiento de energía eléctrica en forma de energía mecá nica elástica (aire comprimido almacenado en una cavern subterránea), que alimenta una turbina de gas; en el moment actual existe una sola instalación, en funcionamiento, l central de HUNTORF, cerca de Bremen (Alemania), de 290 MW qu se ha puesto en servicio en el año 1978, y es capaz de alma cenar 500 MWh en dos depósitos de aire comprimido de 150.00 m3 cada uno.
Un nuevo sistema de almacenamiento que se prevé uti lizar en un futuro a medio plazo, en la primera década de próximo siglo, está constituido por gigantescas bobinas re lizadas con superconductores (diámetros superiores a 1.000 y alturas de 15 m), en los que la energía eléctrica se alm cena en el campo magnético creado por la bobina SMES, Supe conducting Magnetic Energy Storage, los inconvenientes pri cipales que presenta este sistema son los siguientes:
12 - Su desarrollo está ligado al de los superco ductores de alta temperatura, ya que para que sea económic mente viable, el coste del material superconductor de reducirse notablemente.
22 - Con objeto de disminuir el efecto del cam magnético en la superficie y de lograr un soporte adecua para los enormes esfuerzos electrodinámicos que se produc en los conductores de la bobina, en la mayor parte de l proyectos desarrollados se prevé alojar las bobinas en tún les circulares excavados a varios cientos de metros por deb jo del nivel del suelo.
32 - La densidad de energía almacenada por unidad volumen de excavación no es muy elevada; en un diseño conce tual de sistemas de almacenamiento de una capacidad de 50 MWh y una potencia de 1000 MW efectuado por el Nation Laboratory for High Energy Physics de Tsukuba (Japón) y Electrical Power Research Institute (EPRI) de los Estad Unidos, se alcanzan valores entre 3,3 x 10"7 J/m3 y 3,7 x 10 J/m3 respectivamente.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Con objeto de solventar estos inconvenientes el a tor de la presente invención se ha propuesto almacenar energía eléctrica en forma de energía cinética, pero difere ciándose de los volantes de inercia, en que la masa girator donde se almacena la energia no tiene eje ni brazos de sopo te. La sustentación se consigue sin contacto físico e tre la parte giratoria y la fija, utilizando un sistema base de campos magnéticos y de corrientes inducidas por l mismos campos en placas conductoras colocadas conveniente mente.
Para hacer frente a posibles descentramientos d la masa giratoria, se utiliza también el principio de acció electrodinámica, con los campos magnéticos actuando en est caso en dirección radial y sentido hacia el centro de giro.
La masa giratoria está alojada en un recinto en e que se ha hecho el vacío, por lo que las pérdidas que s producen en el movimiento son prácticamente nulas, y se limi tan a las que se producen en los sistemas electrodinámicos d sustentación y de centrado que pueden mantenerse en valore muy reducidos (algunos %).
La conversión recíproca de energía eléctrica e energía cinética y viceversa, tiene lugar mediante una máqui na eléctrica lineal (cuasi-lineal) que funciona como moto durante la fase de almacenamiento de energía acelerando l masa giratoria, y durante la fase de recuperación, la máqui na eléctrica funciona como generador devolviendo la energí a la red eléctrica, para la que el sistema de almacenamient se comporta como una central convencional.
La interconexión entre la red de energía eléctrica el sistema de almacenamiento propuesto se realiza mediante u convertidor de frecuencia que transforma la frecuencia fij de la red en una frecuencia adaptada a la velocidad que e cada caso tiene el anillo giratorio.
Las ventajas de este sistema de almacenamiento fren te a los otros actuales o previstos, en el futuro, se puede resumir así:
12 - La densidad de energía almacenable es muy ele vada. Tomando unos valores medios de la velocidad, V = 100 m/s y de la densidad del material de la masa giratoria, 1, kg/dm3 resulta:
W., = 1/2 m V2 J/m3 = 90 x 10"7 J/m3 útil. Considerando un factor de utilización del orden del 70%, la densidad de energía resulta de 63 x 10-7 J/m3 total, más de 10 veces superior a la prevista para los SMES.
22 - Este sistema puede instalarse en las mismas subestaciones de la red de energia eléctrica, situadas en lo centros de consumo, con lo que se evitan las líneas de inter conexión y las pérdidas de energía asociadas al transporte d la energia eléctrica. 32 - La disponibilidad de la energía eléctrica, in cluso en el caso de que el sistema esté en la fase de carg es instantánea, por lo que constituye una verdadera reserv rodante del sistema eléctrico.
42 - El rendimiento global del ciclo de almacéna miento es muy elevado, superior al 90%.
52 - La profundidad de descarga es muy elevada; co un margen de velocidades de solo 1 a 3, se consigue una ener gía de maniobra de 8/9 de la de diseño, con lo que la utili zación del material es óptima. Debido a que este sistema es capaz de suministra energía eléctrica y ajustar el valor de la potencia eléctric suministrada de forma prácticamente instantánea (en la escal de milisegundos) el sistema propuesto tiene también aplica ción como ESTABILIZADOR DE LAS REDES DE ENERGÍA ELÉCTRIC mediante la compensación de las variaciones de la potenci eléctrica que circula por una línea de la red eléctrica variaciones que son debidas a perturbaciones en dicha re eléctrica.
En esta aplicación como ESTABILIZADOR el sistem propuesto no presenta diferencias en su concepción ni en s estructura básica con relación a la aplicación descrita e primer lugar, como ALMACENAMIENTO CINÉTICO DE ENERGÍA ELÉC TRICA, aunque sí existen algunas diferencias dimensionale relativas: 12 - Los tamaños de los estabilizadores son, en ge neral, mucho más reducidos que los de los sistemas de almace namiento.
22 - La relación entre la energía almacenada y l potencia eléctrica es muy pequeña en los estabilizadores, y que en esta aplicación, la energía eléctrica almacenada deb ser suministrada a la red en un tiempo de algunos milisegun dos. A título de ejemplo, se puede citar un estabilizad instalado por Pacific AC Intertie de Estados Unidos, const tuido por una bobina (el mismo componente que los SMES) cuyas características funcionales son: - Energía almacenada: 30 MJ
- Potencia: 10 MW.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Las anteriores y otras características y ventaja de la invención se apreciarán mejor por la lectura de l descripción siguiente, hecha con referencia al dibujo adjun to, que ilustra la realización del sistema inventado y en e que: La figura 1 muestra el diagrama de bloques general en el cual significan:
1.- Red de energía eléctrica en la que está integra do el Sistema de almacenamiento.
2.- Transformador de potencia para la interconexió eléctrica de la red con el Sistema de almacenamiento.
3.- Control del sistema eléctrico integrado por u convertidor de frecuencia que funciona con frecuencia fija e el lado de la red, y con frecuencia variable, adaptada a l velocidad del anillo giratorio, en el lado del Sistema d almacenamiento. La referencia REG designa un regulador.
4.- Sistema de almacenamiento cinético de energí eléctrica, objeto de la presente invención.
La figura 2 muestra una vista detallada del sistema en la cual significan: 1.- Estator de la máquina eléctrica síncrona homopo lar cuasi-lineal, en el que están dispuestos los dos devana dos eléctricos, el devanado trifásico del inducido y el deva nado inductor formado por una bobina anular que puede se construida con materiales conductores normales (cobre, alumi nio) o con materiales superconductores.
2.- Parte fija del dispositivo de sustentación mag nética, cuya bobina de excitación puede ser construida co materiales conductores normales (cobre, aluminio) o con mate riales superconductores.
3.- Parte fija del dispositivo de centrado que actú si se produce un descentramiento de la parte giratoria. 4.- Anillo giratorio en el que se almacenan la ener gía en forma de energía cinética; el anillo está construid con fibras de alta resistencia mecánica, p.e. fibra de carbo no o sílice fundida. En las zonas adecuadas del anillo gira torio se incorporan materiales magnéticos, ferritas o mate ríales ferromagnéticas aglomerados, o bien materiales plásti cos magnéticos.
5.- Recinto que aloja el anillo móvil, y que se man tiene con un elevado grado de vacío con objeto de elimina las pérdidas por rozamiento fluido. La descripción anterior se ha hecho con referencia la que se considera actualmente como la realización preferid del sistema inventado. No obstante, como resultará evident para el experto, sería posible modificarla en ciertos deta lles sin por ello salirse del alcance de la invención defini do en las reivindicaciones siguientes.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Sistema de Almacenamiento Cinético de Energí Eléctrica utilizando Máquinas Eléctricas Lineales y Sustenta ción por Levitación Magnética o Electrodinámica, caracteriza do porque la energía eléctrica se almacena en forma de ener gía cinética en una masa que gira a alta velocidad en u recinto toroidal en el que se ha hecho el vacío y sustentad por fuerza magnéticas, electrodinámicas o una combinación d ambas, siendo el almacenamiento reversible y realizándose l doble conversión, energía eléctrica en energía cinética energía cinética en energía eléctrica, mediante una máquin eléctrica lineal (cuasi-lineal).
2.- Sistema según la reivindicación 1, caracterizad porque la parte giratoria está constituida con fibras de alt resistencia, p.e. fibras de carbono o de sílice fundida entre las cuales se han incorporado materiales magnéticos ferritas o materiales ferromagnéticos aglomerados, en form adecuada, para conseguir una fuerza de atracción magnétic con un núcleo ferromagnético dispuesto en la parte fija y a mismo tiempo mantener las pérdidas en la masa magnética rotó rica en un valor muy reducido.
3.- Sistema según la reivindicación 1, caracteriza do porque la parte giratoria está construida con fibras d alta resistencia, p.e. fibras de carbono o de sílice fundida, entre las cuales se han incorporado plásticos magnéticos co objeto de conseguir una fuerza de atracción magnética con u circuito ferromagnético dispuesto en la parte fija y al mism tiempo mantener el valor de las pérdidas en la zona magnétic giratoria en un valor muy reducido.
4.- Sistema según las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque la bobina de excitación del circuit magnético está constituida con materiales superconductores.
5.- Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque la máquina eléctrica es una máquina síncrona lineal con los polos inductores situados en la parte giratoria y lo devanados inductores alimentados por un sistema de excitació sin escobillas, que está soportada por una combinación d fuerzas, unas magnéticas de atracción entre los polos induc tores y el circuito magnético del estator y otras electrodi námicas de repulsión sobre las corrientes inducidas en un placa conductora solidaria a la masa giratoria.
6.- Sistema según la reivindicación 1, caracterizad porque la máquina eléctrica es una máquina síncrona homopo lar, cuasi-lineal, en la que el campo magnético de corrient continua es excitado por una bobina anular situada en u núcleo ferromagnético en forma de U en el que está tambié dispuesto el devanado trifásico del inducido, consiguiéndos la variación del campo magnético mediante bandas de materia magnético alternadas con otras no magnéticas, estando la bandas magnéticas constituidas según las formas indicadas e las reivindicaciones 2 y 3.
7.- Sistema según la reivindicación 6, caracterizad porque la bobina anular de excitación del núcleo ferromagné tico en forma de U está construida con materiales supercon ductores.
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