Método para el diseño de un sistema de batería de flujo redox.

Un método de diseño de un sistema de batería de flujo redox que comprende una batería de flujo redox paraforzar una solución electrolítica a ser alimentada a y descargada desde sus células y un convertidor de c.

c./c.a. parala conversión de una salida de la batería, comprendiendo el método las etapas de:

la determinación de un parámetro externo x dado por una condición de funcionamiento de la batería de flujoredox que un diseñador no puede elegir voluntariamente, en el que el parámetro externo x es una salida de labatería de flujo redox para el equilibrado de una producción de energía eléctrica del equipo de generaciónque varía de modo irregular su producción de energía eléctrica,

la determinación de un parámetro interno y dado por una condición de diseño de la batería de flujo redox queel diseñador puede elegir voluntariamente, siendo el parámetro interno y al menos uno de entre una salidaespecificada de la batería de flujo redox, el número de baterías, la salida especificada del convertidor c.c./c.a.y el número de convertidores de c.c./c.a.,

la determinación de un valor medio xmed y una desviación estándar sx de la distribución de salida de labatería de flujo redox con respecto a la salida equilibrada del equipo de generación,

la determinación de la característica de pérdidas de la batería de flujo redox o del convertidor c.c./c.a. conrespecto a la salida de la batería de flujo redox y permitir que la característica de pérdidas determinada seauna función característica representada como f(x, y) que incluye el parámetro externo x y el parámetrointerno y para a continuación disponerlo en la forma de una función cuadrática con respecto a x en lasiguiente ecuación (1):

f ≥ a(y) x2 + b(y) x + c(y) ... Ecuación (1)

rescribir la ecuación (1) en la forma de una nueva función característica representada como g que considerael valor medio xmed y la varianza sx

2 del parámetro externo x como en la siguiente ecuación (2):

g ≥ a(y) xmed

2 + b(y) xmed + c(y) + a(y) sx2 ... Ecuación (2)

y

determinar un valor óptimo del parámetro interno y para la optimización de la función característicarepresentada como g de entre los siguientes candidatos: y cuando g toma un valor extremo local o un valormáximo o un valor mínimo en un intervalo variable de y,

en el que la salida especificada de la batería de flujo redox es una salida en la que la eficiencia del sistema semaximiza y la salida especificada del convertidor c.c./c.a. es una salida en la que la eficiencia de laconversión c.c.®c.a. o c.a.®c.c. se maximiza.

Método para el diseño de un sistema de batería de flujo redox

La presente invención se refiere a un método de diseño de un sistema de batería de flujo redox que incluye una batería de flujo redox que fuerza a una solución electrolítica a su suministro hacia y descarga desde sus células. En particular, la presente invención se refiere un método de diseño de un sistema de batería de flujo redox que pueda reducir las pérdidas en el sistema de batería.

Es inherente al suministro de energía eléctrica que la potencia en el suministro se adapte al consumo de electricidad, se requiere lo que se denomina “suministro simultáneo de electricidad equivalente”. Entretanto, los desarrollos de nuevas fuentes de energía, incluyendo la generación de energía eléctrica eólica y la generación de energía eléctrica solar fotovoltaica, han ido creciendo en los últimos años. Sin embargo, la generación de energía eléctrica eólica, la generación de energía eléctrica solar fotovoltaica y otras similares son todas ellas fuentes de

energía que son irregulares en la producción de energía eléctrica, debido a lo cual estas fuentes de energía no pueden servir como unas fuentes de energía satisfactorias por sí mismas. Se toma en consideración en este caso la combinación de alguna batería de almacenamiento para estabilizar la salida en la producción de energía eléctrica. La publicación de patente japonesa abierta a inspección pública (no examinada) Nº de Serie 61-218070 describe la técnica en el uso de una batería de flujo redox como batería de almacenamiento.

Esta publicación describe que una batería de almacenamiento de plomo, que no necesita de ninguna parte móvil, tal como una bomba u otra similar, se anexa adicionalmente a la batería de flujo redox, para reducir las pérdidas en la potencia de bombeo y la pérdida producida por una corriente de derivación, que contribuye a la reducción de la eficiencia combinada de la batería de flujo redox, en respuesta a una potencia de entrada.

En general, la batería de flujo redox se usa para equilibrado de la carga o como contramedida al decaimiento de la tensión. La FIG. 8 muestra una vista explicativa que muestra un principio de funcionamiento de una batería secundaria de flujo redox general. Esta batería tiene una célula 100 que está separada en una célula de electrodo positivo 100A y una célula de electrodo negativo 100B mediante una membrana 103 de intercambio de iones. Están incluidos un electrodo positivo 104 y un electrodo negativo 105 en la célula del electrodo positivo 100A y en la célula del electrodo negativo 100B, respectivamente. Se conecta un depósito de electrodo positivo 101 para la alimentación y descarga de solución electrolítica positiva a y desde la célula del electrodo positivo 100A hacia la célula del electrodo positivo 100A a través de tuberías de conducción 106, 107. De modo similar, se conecta un depósito de electrodo negativo 102 para la alimentación y descarga de la solución electrolítica negativa a y desde la célula del

electrodo negativo 100B a la célula del electrodo negativo 100B a través de las tuberías de conducción 109, 110. Se usa una solución acuosa que contiene iones que cambian de valencia, tal como un ion de vanadio, para los electrolitos respectivos y se hace circular mediante el uso de bombas 108, 111, para cargar o descargar con iones de valencia la reacción en los electrodos positivo y negativo 104, 105. Por ejemplo, cuando se usa un electrólito que contiene iones de vanadio, tienen lugar las siguientes reacciones en la célula durante la carga o la descarga de electricidad:

Electrodo positivo: V4+ → V5+ + e- (Carga) V4+ ← V5+ + e- (Descarga)

Electrodo negativo: V3+ + e-→ V2+ (Carga) V3+ + e-← V2+ (Descarga)

45 Sin embargo, la adición de una batería de almacenamiento de plomo con la finalidad de mejorar la reducción de la eficiencia producida por una generación de potencia o potencia de carga débil en el momento de carga o descarga de electricidad o impedir el aumento de las pérdidas en el sistema en el momento de la carga o descarga eléctrica, como en la técnica descrita en la publicación anterior, provoca problemas no sólo de incrementar los costes de producción sino también de incremento en la escala de las instalaciones.

El accionamiento de la bomba para la alimentación y descarga del electrólito a y desde las células es absolutamente necesaria para la batería de flujo redox. Debido a esto, convencionalmente se emplea la adición de una batería de almacenamiento de plomo a la fuente de energía que sea irregular en la producción de energía eléctrica, aunque se padece de las desventajas de incremento en los costos de producción y otros.

55 En general, una pérdida en el sistema significa el total de una pérdida en la batería y una pérdida en el convertidor. La técnica descrita en la publicación citada anteriormente toma en consideración la pérdida en la potencia de la bomba y la pérdida en la corriente en derivación como factores de las pérdidas de batería, pero no toma en consideración la pérdida de eficiencia producida por una resistencia de la batería (resistencia de célula) . A la vista de esto, es deseable un sistema que pueda proporcionar una reducción de pérdidas adicionales.

Entretanto, hay algunas instalaciones convencionales en las que sólo se combina una batería de flujo redox con una fuente de energía que sea irregular en su producción de energía eléctrica, sin batería de almacenamiento de plomo adjunta a la misma, sin tener en cuenta la reducción en la eficiencia producida por la potencia generada o carga de

65 potencia débiles en el momento de la carga o descarga eléctrica. En esas instalaciones, no se realiza ningún estudio sobre cómo debería ser la magnitud de la batería de almacenamiento en combinación con la magnitud (producción de energía eléctrica, variación en la producción de energía eléctrica, etc.) de una fuente de energía que sea irregular en su producción de energía eléctrica, como la generación de energía eléctrica eólica y la generación de energía eléctrica solar fotovoltaica, y no se proporciona ninguna guía de diseño de la misma. En las circunstancias anteriores, la batería de flujo redox funciona prácticamente, en combinación con una batería de almacenamiento de

una magnitud razonable o, específicamente, una capacidad de salida de aproximadamente la mitad de la producción de energía eléctrica total, pero este funcionamiento incluye una gran pérdida en el sistema, conduciendo un deterioro de la eficiencia del sistema.

También, es común que no se realice ningún estudio sobre cómo debería ser la magnitud del convertidor en combinación con la magnitud (producción de energía eléctrica, variación en la producción de energía eléctrica, etc.) de una fuente de energía que sea irregular en su producción de energía eléctrica, como la generación de energía eléctrica eólica y la generación de energía eléctrica solar fotovoltaica, y no se proporciona ninguna guía de diseño de la misma. Por ello, la batería de flujo redox combinada con una fuente de energía irregular en su producción de energía eléctrica no tiene en consideración las pérdidas en el convertidor.

Adicionalmente, no se ha realizado ningún estudio sobre las guías de diseño que puedan proporcionar una reducción adicional de las pérdidas en el sistema para la batería de flujo redox usada para el equilibrado de la potencia de carga o contramedidas ante variación irregular en el consumo de potencia, tal como un decaimiento en la tensión, así como para la batería de flujo redox usada para estabilización de la salida de la fuente de energía que sea irregular en la producción de energía eléctrica.

Adicionalmente, es deseable un método de diseño de una batería de flujo redox óptima que considere no solamente las pérdidas en el sistema sino también la reducción en los costes de producción y en la escala de las instalaciones.

Es un objetivo principal de la presente invención proporcionar un método de diseño de una batería de flujo redox que pueda proporcionar un funcionamiento más óptimo para una batería de flujo redox que se haga funcionar de modo irregular para la estabilización de una producción de energía eléctrica y una fuente de energía que sea inestable en la potencia generada así como para el control de la alimentación... [Seguir leyendo]

1. Un método de diseño de un sistema de batería de flujo redox que comprende una batería de flujo redox para

forzar una solución electrolítica a ser alimentada a y descargada desde sus células y un convertidor de c.c./c.a. para 5 la conversión de una salida de la batería, comprendiendo el método las etapas de:

la determinación de un parámetro externo x dado por una condición de funcionamiento de la batería de flujo redox que un diseñador no puede elegir voluntariamente, en el que el parámetro externo x es una salida de la batería de flujo redox para el equilibrado de una producción de energía eléctrica del equipo de generación

que varía de modo irregular su producción de energía eléctrica, la determinación de un parámetro interno y dado por una condición de diseño de la batería de flujo redox que el diseñador puede elegir voluntariamente, siendo el parámetro interno y al menos uno de entre una salida especificada de la batería de flujo redox, el número de baterías, la salida especificada del convertidor c.c./c.a. y el número de convertidores de c.c./c.a.,

la determinación de un valor medio xmed y una desviación estándar σx de la distribución de salida de la batería de flujo redox con respecto a la salida equilibrada del equipo de generación, la determinación de la característica de pérdidas de la batería de flujo redox o del convertidor c.c./c.a. con respecto a la salida de la batería de flujo redox y permitir que la característica de pérdidas determinada sea una función característica representada como f (x, y) que incluye el parámetro externo x y el parámetro

interno y para a continuación disponerlo en la forma de una función cuadrática con respecto a x en la siguiente ecuación (1) :

f = a (y) x2 + b (y) x + c (y) … Ecuación (1)

rescribir la ecuación (1) en la forma de una nueva función característica representada como g que considera el valor medio xmed y la varianza σx2 del parámetro externo x como en la siguiente ecuación (2) :

g = a (y) xmed 2 + b (y) xmed + c (y) + a (y) σx2 … Ecuación (2)

y determinar un valor óptimo del parámetro interno y para la optimización de la función característica representada como g de entre los siguientes candidatos: y cuando g toma un valor extremo local o un valor máximo o un valor mínimo en un intervalo variable de y, en el que la salida especificada de la batería de flujo redox es una salida en la que la eficiencia del sistema se

maximiza y la salida especificada del convertidor c.c./c.a. es una salida en la que la eficiencia de la conversión c.c.→c.a. o c.a.→c.c. se maximiza.

2. El método de diseño del sistema de batería de flujo redox de acuerdo con la Reivindicación 1, en el que la salida

especificada del convertidor de c.c./c.a. se establece para que esté en el intervalo de no menos de 1 vez a no más 40 de 4 veces la desviación estándar.

3. El método de diseño del sistema de batería de flujo redox de acuerdo con la Reivindicación 1, en el que la salida especificada de la batería se establece para que esté en el intervalo de no menos de 0, 7 veces a no más de 2 veces la desviación estándar.