Sistema de generación y almacenamiento de hidrógeno y oxígeno procedentes de la energía de frenado regenerativo de vehículos.

Se diseña un sistema integral de generación y almacenamiento de hidrógeno y oxígeno mediante la energía eléctrica procedente de frenado regenerativo de las máquinas síncronas o de inducción de tracción eléctrica, instalado a bordo de un vehículo, para su posterior utilización en pilas de combustible y motores de combustión interna.Cuando se produce un frenado, la energía cinética se transforma en eléctrica, a través del módulo recuperador electrocinético, proporcionando la energía eléctrica necesaria para alimentar al electrolizador, generando hidrógeno y oxígeno, los cuales son posteriormente almacenados, quedando disponibles para diversas aplicaciones.(1) Sistema de accionamiento mediante motor de combustión interna o catenaria.(2) Tracción eléctrica.(3) Sistema de transferencia de energía cinética en eléctrica.(4) Generación y almacenamiento de hidrógeno y oxígeno.(5) Aplicaciones

Sistema de generación y almacenamiento, a bordo, de hidrógeno y oxígeno procedentes de la energía de frenado regenerativo de vehículos.

Objeto de la invención

Se presenta a evaluación un sistema integral para vehículos y sistemas de transporte de personas y mercancías, de tracción eléctrica, para transformar energía cinética en eléctrica, mediante lazo energético, que incluye frenado regenerativo, generación y almacenamiento de hidrógeno, pila de combustible y motor de combustión interna alimentado con hidrógeno, en su caso.

Este sistema integral electromecánico permite transformar la energía mecánica del vehículo en energía eléctrica, para generar y almacenar hidrógeno y oxígeno, a bordo, utilizables en distintas aplicaciones.

En la figura 1 se representa el diagrama general de funcionamiento del sistema integral propuesto. La energía procedente del sistema de accionamiento (1), realizado mediante motor de combustión interna o mediante catenaria, actúa sobre el correspondiente generador de energía eléctrica, activando el sistema de tracción eléctrica (2) y originando el movimiento del vehículo en cuestión.

Cuando se produce un frenado, el sistema de transferencia de energía (3), transforma la energía cinética en energía eléctrica, a través de un módulo recuperador electrocinético. Este módulo proporciona la energía eléctrica necesaria para alimentar al electrolizador, generando hidrógeno y oxígeno, los cuales son posteriormente almacenados (4), quedando disponibles para diversas aplicaciones (5).

Este sistema innovador que se presenta, permite generar energía eléctrica cuando el vehículo se encuentra estacionado y puede inyectarla en la red eléctrica.

Sector de la técnica

La presente invención está ubicada en el contexto de la tracción eléctrica, concretamente en vehículos y sistemas de transporte de personas y de mercancías, como camiones, trenes, metros, autobuses, tranvías, y utilizando el concepto de frenado regenerativo, para alimentar un electrolizador, generando hidrógeno y oxígeno.

Estado de la técnica

Los sistemas convencionales de frenado disipan la energía en forma de calor, la devuelven a la red para su utilización por otros sistemas electromecánicos y otros, la almacenan en supercondensadores para reforzar a la pila de combustible. En el mercado existen algunas versiones como, por ejemplo, el camión Dumper minero T 282 B, de la firma Liebherr, que incorpora un motor diesel principal para accionar un alternador, con objeto de alimentar dos motores de inducción, uno por cada rueda tractora, pero el sistema de frenado es regenerativo disipativo. El calor se disipa en unas resistencias y se precisa energía eléctrica adicional para activar ventiladores que evacuen al exterior el calor producido.

En el mercado también existe el modelo experimental de automóvil Honda FCX Concept, cuya comercialización se realizó en agosto de 2.008. En este automóvil, el accionamiento se realiza mediante un motor síncrono de imanes permanentes, de 100 kW, alimentado por una pila de combustible de 100 kW. En este automóvil, la energía procedente del frenado regenerativo se almacena en supercondensadores, los cuales suministran la energía eléctrica almacenada en los instantes de aceleración, climatización y servicios auxiliares, cuando el automóvil se encuentra estacionado.

El sistema integral, objeto de solicitud de patente, está caracterizado porque la energía eléctrica procedente del frenado regenerativo se almacena en forma de hidrógeno y oxígeno, para su posterior utilización a bordo del vehículo o fuera de él, con objeto de generar energía eléctrica, energía térmica y agua. El hidrógeno se puede utilizar en pilas de combustible y/o en motores de combustión interna y el oxígeno en aplicaciones medicinales e industriales.

Descripción de la invención

La explicación de la invención se realiza en base a los esquemas, indicados por las figuras 2 y 3, que dan lugar a dos supuestos de funcionamiento. En la figura 2 se representa, de forma general, el diagrama de bloques correspondiente al sistema propuesto, cuando el motor principal del vehículo es de combustión interna y en la figura 3, cuando la energía eléctrica inicial procede de la catenaria.

El funcionamiento del sistema integral de generación y almacenamiento de hidrógeno y oxígeno, procedentes de la energía eléctrica del frenado regenerativo de las máquinas síncronas y máquinas de inducción, de tracción eléctrica, instalado a bordo de un vehículo, en virtud de la figura 2, es el siguiente:

Se parte del sistema generador de energía mecánica que, en este caso, es el motor principal de combustión interna (34). Este motor, mediante un acoplamiento mecánico (35), acciona el alternador trifásico (36). La tensión generada en el alternador (36) es rectificada mediante el puente rectificador totalmente controlado (7), cuya tensión de salida, V_cc1, se modifica mediante el sistema de control (6). La tensión V_cc1 se aplica a la batería de supercondensadores (8) y a través del chopper (15), al electrolizador (17). La salida de la batería de supercondensadores (8) se conecta al bloque de conexión del bus de corriente continua (9). La salida del bloque del bus de corriente continua (9) se conecta a los inversores (10) y (11), los cuales, en función de las señales de control y monitorización del bloque (12), generan sistemas trifásicos independientes de tensiones y frecuencias variables, que se aplican a dos máquinas eléctricas, que pueden ser síncronas o de inducción (13) y (14), estando los ejes de las mismas unidos a los ejes de las ruedas motrices (39) y (40). Estas máquinas síncronas o de inducción (13) y (14) pueden funcionar como motor/generador.

La descripción desarrollada hasta ahora es la que corresponde al funcionamiento del sistema cuando realiza una acción motriz, puesto que las máquinas síncronas/de inducción (13) y (14) funcionan en este estado como motores síncronos/de inducción, cuyas características mecánicas son controladas por el sistema de control y monitorización (12).

En el proceso de frenado regenerativo, las máquinas síncronas o de inducción (13) y (14) funcionan como generadores síncronos o de inducción, produciendo una tensión alterna trifásica que se inyectará a los inversores (10) y (11). Estos inversores, trabajando en modo inverso, suministran una corriente continua, cuya tensión e intensidad vienen determinadas por las señales del sistema de control y monitorización del bloque (12). Esta energía eléctrica, obtenida del proceso de frenado regenerativo a través de los bloques (10), (11), (12), (13) y (14), se aplica a la batería de supercondensadores (8), mediante el bloque de conexión del bus de corriente continua (9).

El chopper (15), proporciona una tensión y corriente de salida V_occ e I_occ, respectivamente, cuyas magnitudes vienen predeterminadas por el sistema de control del chopper (16). La energía eléctrica transmitida por el chopper (15), que procede del frenado regenerativo, se aplica al electrolizador (17), produciendo hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno generado, es comprimido mediante un compresor (18) que es activado por un motor eléctrico alimentado desde el bus de corriente continua mediante el inversor correspondiente, y se almacena en el depósito de hidrógeno (19) a alta presión. El hidrógeno almacenado en este módulo (19) tiene la posibilidad de alimentar a una pila de combustible (20) y/o a un motor auxiliar de combustión interna (37). El oxígeno generado en el electrolizador (17) se almacena en el depósito de oxígeno (33).

La tensión suministrada por la pila de combustible (20) se estabiliza mediante el bloque convertidor cc/cc (21), cuya corriente y tensión de salida vienen determinadas por su sistema de control correspondiente (22). La corriente eléctrica procedente del convertidor cc/cc (21) se aplica al bloque conmutador (23) el cual, mediante la señal del sistema de control (24), permite direccionar esta energía, bien hacia el bloque del bus de corriente continua (9) o bien hacia el inversor cc/ca (25), para su posterior inyección a la red eléctrica (38). El bloque (25) se controla por el sistema de control (26), para que la energía generada sea filtrada por el bloque (27), para inyectarla a la red de baja tensión (38).

Las tensiones del bus de cc, obtenidas a partir de la batería de supercondensadores (8), de los inversores...

1. Sistema de generación y almacenamiento de hidrógeno y oxígeno, procedentes de la energía de frenado regenerativo de vehículos, caracterizado porque la generación y el almacenamiento del hidrógeno y del oxígeno se realizan a bordo del mismo vehículo, siendo susceptibles de utilizarlos de diversas formas, en función de los requerimientos energéticos demandados.

2. Sistema integral según la reivindicación 1, caracterizado por la utilización como generador de energía mecánica inicial, un motor de combustión interna (34).

3. Sistema integral según la reivindicación 1, caracterizado por la utilización como energía eléctrica inicial, la energía eléctrica procedente de la catenaria (29), que se comunica con el vehículo mediante un pantógrafo.

4. Sistema integral según la reivindicación 1, caracterizado porque la energía procedente del frenado regenerativo de una máquina de inducción o de una máquina síncrona (13) y (14), se almacena en forma de hidrógeno (19) y oxígeno (33), a bordo del propio vehículo.

5. Sistema integral según las reivindicaciones 1 y 4, caracterizado porque, cuando el vehículo está en marcha, la energía procedente del frenado regenerativo se almacena en forma de hidrógeno (19) y oxígeno (33), sirviendo para alimentar motores de combustión interna (37) y/o pilas de combustible (20).

6. Sistema integral según las reivindicaciones 1 y 4, caracterizado porque cuando el vehículo se encuentra estacionado, el hidrógeno y el oxígeno almacenados se utilizan como un sistema expendedor (41), o bien para alimentar la pila de combustible (20), generando energía eléctrica, para ser utilizada en modo aislado o en modo conectado a la red, inyectando energía eléctrica en la red de baja tensión (38) o en la catenaria (29).

7. Sistema integral según la reivindicación 1, caracterizado porque el agua procedente de la reacción electroquímica de la pila de combustible (20), se inyecta en el sistema de acondicionamiento de agua (31), para su posterior introducción en el electrolizador (17).

8. Sistema integral según la reivindicación 1, caracterizado porque la potencia mecánica suministrada por el motor principal de combustión interna (34), se complementa con la potencia mecánica del motor auxiliar de combustión interna (37).

9. Sistema integral según la reivindicación 1, caracterizado porque sirve como sistema de frenado adicional a los ya instalados en automóviles, camiones, autobuses, ferrocarriles, metros, tranvías, trolebuses y, en general, todos aquellos medios de transporte que en su trayectoria encuentren tramos con planos inclinados.

10. Sistema integral según la reivindicación 1, caracterizado porque el oxígeno procedente del electrolizador se almacena para usos sanitarios, industriales, suministro a la pila de combustible (20) y para utilizarlo en la combustión del hidrógeno en un motor de combustión interna (34), con objeto de reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno.