Sistema de control dinámico de supercondensadores con optimización de la carga y la descarga.

Se presenta un sistema de control dinámico para optimizar el tiempo en el que una serie de módulos de supercondensadores es capaz de ofrecer una determinada energía.

Para ello, se realiza una gestión dinámica de la carga de dichos módulos, así como su descarga. Ambas gestiones, aunque se controlen desde un mismo dispositivo, han de estar separadas, de forma que no siempre estén cargando y descargando los mismos módulos de supercondensadores a la vez. Así, siempre hay módulos en carga, y se prolonga el tiempo disponible para descarga. Por otro lado, mientras que la descarga se realiza a intensidad constante, la carga se realiza a potencia constante. De este modo, se aprovecha la propiedad conocida de que los supercondensadores cargan más deprisa a potencia constante que a intensidad constante. Uno de los resultados más interesantes es que el sistema puede ofrecer potencias de salida mucho más elevadas que la potencia de carga, durante el tiempo relativamente prolongado que el sistema ha optimizado. Por tanto, dicho sistema se convierte en un eficaz absorbedor de picos de potencia. Esta aplicación es conocida, pero, a diferencia de un simple supercondensador, la presente invención lo hará durante un tiempo prolongado. Las aplicaciones son inmediatas: al absorber picos de potencia de consumo, se puede reducir, por ejemplo, la potencia contratada en una vivienda, o la potencia fotovoltaica o eólica de un sistema de autoconsumo, tanto inyectado a red como aislado. También es un sistema interesante para aplicar a vehículos eléctricos con módulos fotovoltaicos, pudiendo reducir la potencia requerida de las baterías, y por tanto el tamaño de las mismas, además de alargar su vida útil. Los ascensores, que requieren de picos de potencia elevados durante ciertos periodos de tiempo, son también una aplicación inmediata.

Sistema de control dinámico de supercondensadores con optimización de la carga y la descarga.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector técnico de electrónica, más concretamente en el relativo a la gestión de sistemas de almacenamiento y gestión energética de supercondensadores. 10

Estado de la técnica

Desde que en la década de los 50 del siglo pasado se inventaron los supercondensadores, destacan sus ventajas como acumuladores de energía de gran 15 capacidad. Además, su carga es mucho más rápida que la de otros sistemas de almacenamiento. Lo mismo se puede decir de su descarga, la cual, al contrario que otros acumuladores, puede realizarse hasta casi el vacío completo. Su vida útil también es una ventaja, puesto que presentan millones de ciclos, frente a los cientos o pocos miles de ciclos que pueden prestar las baterías convencionales. 20

Sin embargo, no es hasta hace dos décadas cuando se produce su desarrollo comercial a gran escala. Ello fue debido al avance de la tecnología que permitió la reducción de la resistencia interna. Desde entonces, es muy numeroso el número de patentes que tienen que ver con este tipo de dispositivos y sus aplicaciones. 25

El uso de supercondensadores se ha extendido especialmente allí donde es necesario un aporte intenso de energía en un breve periodo de tiempo, tal como motores de arranque (por ejemplo en vehículos eléctricos, donde también la rápida carga es de utilidad en frenadas) , o absorción de breves picos de potencia en consumos de redes eléctricas. 30

En lo que concierne a la utilidad para la presente invención, ha sido intenso el esfuerzo investigador.

Por ejemplo, respecto a diseñar elementos de control que permitan aumentar la vida útil 35 de los supercondensadores evitando sobretensiones y aplicando controles a varios módulos de supercondensadores, son interesantes las patentes realizadas por X. Maynard et al. (US 2013/0093400 A1) , o E. Cegnar et al. (US 2009/0315484 A1) . En ambas, y según las tensiones de los distintos módulos, el centro de control decide qué módulo o módulos de condensadores se cargan en determinado momento y cuáles se 40 descargan. Mientras que Maynard se centra en la protección contra sobretensiones, en el caso de la patente de Cegnar et al., el sistema se aplica a activar luminarias LED de forma continua.

Otras patentes muy útiles son por ejemplo la US 2005/0041370 A1 de M. Wilk et al., o la 45 US 2013/0082520 A1 de F. Leeman et al. En ambas se describen distintos métodos de empaquetar e interconectar supercapacitadores de forma muy compacta, reduciendo así el espacio que el acumulador necesita.

Son también de especial relevancia los inventos que utilizan supercondensadores como 50 complemento de otros acumuladores, como baterías o incluso sistemas hídricos. En estos sistemas, los supercondensadores permiten descargas instantáneas muy potentes, dejando las descargas más uniformes y prolongadas en el tiempo para los otros sistemas de acumulación. Ejemplos de inventos en este sentido son WO 2006/059016 A1 de J. Siaudeau, WO 2008/050031 A3 de E. Condemine, ES201100429 de E. Domínguez Amarillo, o US 2012/0025614 A1 de P. Taimela et al. Es útil la aplicación de esta combinación, por ejemplo, en sistemas de aporte ininterrumpido de potencia (uninterrupted power supply, o UPS) . 5

Por último, también existen inventos que aplican parte de lo anterior a utilidades específicas, tales como repartir potencia a distintos electrodomésticos de cocina (WO 2012/140399 A2) , o señales de carretera impulsadas por módulos solares fotovoltaicos (US 2009/0211133 A1) . 10

Explicación de la invención

El estudio de estado del arte permite observar que ningún invento conocido intenta prolongar el tiempo en el que una serie de módulos de supercondensadores puede 15 ofrecer una determinada potencia.

La presente invención es un sistema (1) de control dinámico de supercondensadores que precisamente busca optimizar el tiempo de carga y descarga, prolongando este último. Utiliza muchos de los inventos mencionados anteriormente y los combina para alcanzar 20 ese objetivo. Se tendrá un número n de módulos de supercondensadores (2) (nombrados “a” a “n” en la Figura 1) , cada uno de los cuales estará formado por varios supercondensadores unitarios conectados en serie. La conexión entre módulos de supercondensadores (2) es flexible mediante relés u otra forma de interconexión, de forma que se puedan conectar varios de ellos en serie y/o en paralelo, según se decida. 25 Esta decisión la tomará un sistema de control (3) como los relatados en las invenciones del apartado anterior.

Para tomar la decisión, el sistema (3) recopilará datos tanto de la fuente de potencia (que pueden ser módulos solares fotovoltaicos (4) , molinos eólicos (5) , la red eléctrica (6) o 30 cualquier otra fuente de potencia) , como de la carga asociada al circuito (7) (por ejemplo, los distintos consumos de una vivienda) . En función de los datos de carga y descarga, conectará en serie y/o paralelo los módulos de supercondensadores (2) . Es importante destacar que la carga desde la fuente (4 a 6) se realiza de manera separada de la descarga hacia el consumo (7) . Ello quiere decir que si, por ejemplo, la vivienda (7) está 35 consumiendo de los módulos “b” y “c”, la carga a partir de la fuente (4 a 6) se podrá realizar en otros módulos, por ejemplo el “a” y el “n”, o parcialmente en los mismos “b” y “c”. El número de módulos (2) que se carga o se descarga a la vez es variable y estará determinado por el sistema de control (3) , que decidirá en función de los datos recibidos. Asimismo, la configuración del sistema (1) es también variable, por ejemplo en cuanto al 40 número total n de módulos de supercondensadores, pudiendo aumentar o disminuir en función de la aplicación final.

Como resultado, se tiene siempre cargado un número calculado de módulos de supercondensadores (2) , de tal forma que la descarga, que se puede producir con varios 45 módulos (2) en serie y/o en paralelo, se prolonga en el tiempo. Dicho tiempo será optimizado por el sistema de control (3) según los datos recibidos en cada momento. El óptimo dependerá de la potencia de entrada, y de la intensidad de salida.

Por otro lado, se realiza la entrada al sistema (1) a potencia constante, mientras que la salida es a intensidad constante. De este modo, la carga de los módulos de 50 supercondensadores (2) será más rápida que la descarga, puesto que el voltaje de entrada siempre será el máximo posible (en la salida vendrá determinado siempre por la intensidad) . Este método ayuda a la optimización del tiempo de descarga que realiza el sistema de control (3) .

El resultado del sistema de control dinámico es un tiempo optimizado, prolongado, de la descarga de los módulos de supercondensadores (2) . Ello implica extender en el tiempo 5 las ventajas de los supercondensadores, es decir, lograr suministrar elevadas potencias durante un tiempo más prolongado, cuyo óptimo dependerá de la configuración del sistema de control dinámico (1) .

Descripción de los dibujos 10

Figura 1. Sistema de control dinámico (1) formado por varios módulos de supercondensadores (2) y un sistema de control (3) de los mismos, que gestiona la carga desde una fuente (4 a 6) y la descarga en cualquier dispositivo (7) .

Figura 2. Curva de consumo de una vivienda tipo en un día típico. La potencia contratada “c” deberá coincidir con el máximo de potencia consumida si se desea cubrir todo el consumo. Sin embargo, utilizando el sistema de control dinámico (1) , la potencia contratada puede bajar a “b” o incluso a “a”.

Figura 3. Modo de realización de la invención, preferente pero no exclusivo, en el que una instalación renovable fotovoltaica (4) y/o eólica (5) inyecta al sistema de control dinámico (1) , que está conectado a un inversor de corriente (8) . Este también está conectado a la red eléctrica (6) , y al dispositivo de descarga (7) .

Figura 4. Modo de realización de la invención, preferente pero no exclusivo, en el que una instalación renovable fotovoltaica (4) y/o eólica (5) inyecta al sistema de control dinámico (1) y a un acumulador (10) a través de un regulador de carga (9) . Ambos, sistema (1) y acumulador (10) , están conectados a un inversor de corriente (8) que descarga en el dispositivo (7) . 30

Figura 5. Curva típica de consumo de un ascensor. El par se corresponde con la corriente y en cada caso los valores son distintos dependiendo del contrapesado, el peso de cabina y...

1. Sistema de control dinámico de supercondensadores con optimización de la carga y la descarga (1) caracterizado por estar compuesto por un número variable de módulos de supercondensadores (2) , dichos módulos compuestos por un número también variable de supercondensadores conectados en serie entre sí, y por un sistema de control (3) , que 5 permite que la carga de los módulos (2) se pueda realizar de forma separada o conjunta de la descarga, así como la conexión de los mismos en serie o paralelo según se necesite potencia de salida, y según se estime la necesidad de carga, prolongando de este modo el tiempo de descarga hasta alcanzar un óptimo, teniendo siempre módulos en carga, y realizando la carga a potencia constante y la descarga a intensidad constante. 10

2. Sistema de control dinámico de supercondensadores con optimización de la carga y la descarga (1) según reivindicación 1, caracterizado por que cuando se aplica para reducir la potencia eléctrica contratada en un suministro eléctrico, en edificaciones o en sistemas de ascensores o escaleras mecánicas, absorbe picos de potencia durante el tiempo 15 optimizado; así como también aplicarse en ascensores o escaleras mecánicas de tal forma que dichos picos de potencia se aporten mediante este sistema (1) , acoplado a una fuente de potencia (4 a 6) haciéndolo funcionar de forma autónoma y pueda servir además como sistema de emergencia alternativo, en caso de corte de suministro eléctrico. 20

3. Sistema de control dinámico de supercondensadores con optimización de la carga y la descarga (1) según reivindicación 1, caracterizado por que cuando se aplica para reducir la potencia fotovoltaica o eólica de un sistema de autoconsumo conectado a red, absorbe picos de potencia durante el tiempo máximo de descarga. 25

4. Sistema de control dinámico de supercondensadores con optimización de la carga y la descarga (1) según reivindicación 1, caracterizado por que cuando se aplica para reducir la potencia fotovoltaica o eólica, así como la capacidad de acumulación, de un sistema de autoconsumo aislado, absorbe picos de potencia durante el tiempo máximo de descarga. 30