Sistema para la transferencia energética entre módulos con capacidad de almacenar energía eléctrica.

Sistema de transferencia energética entre módulos con capacidad de almacenar energía eléctrica (1) y (2) que comprende un convertidor de potencia conmutado (16),

dos condensadores de filtro (4) y (5), un circuito de disparo (9), un bloque generador de pulsos de disparo (10), un bloque de control (14) y un bloque de adaptación (15).

De aplicación en los sectores en los que se diseñen, produzcan y utilicen dispositivos eléctricos o electrónicos para recuperación de energía, como por ejemplo en el sector técnico del material y equipo eléctrico, electrónico y óptico o en el de energía y agua. Más particularmente, es de aplicación en el proceso de desalinización de un fluido por deionización capacitiva, donde las etapas encargadas de retener la sal procedente del agua de mar almacenan energía durante el proceso de deionización, que puede reutilizarse mediante el sistema de la invención para reducir el consumo energético del proceso.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201200703.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE OVIEDO.

Inventor/es: MARTIN PERNIA,ALBERTO, DIAZ GONZALEZ,JUAN, NUÑO GARCIA,FERNANDO, MARTIN RAMOS,JUAN, JOSE PRIETO,MIGUEL ANGEL, VILLEGAS SÁIZ,Pedro José, MARTÍNEZ ESTEBAN,Juan Ángel.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H02M3/156 SECCION H — ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformación de la corriente o de la tensión especialmente adaptada para su uso en los relojes electrónicos sin partes móviles G04G 19/02; sistemas de regulacion de variables eléctricas o magnéticas en general, p. ej. utilizando transformadores, reactancias o bobinas de choque, combinacion de tales sistemas con convertidores estáticos G05F; para computadores digitales G06F 1/00; transformadores H01F; conexión o control de un convertidor teniendo en cuenta su unión funcional con una fuente similar u otra fuente de alimentación H02J; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P; generadores de impulsos H03K). › H02M 3/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente continua en una potencia de salida en corriente continua. › con control automático de la tensión o de la corriente de salida, p. ej. reguladores de conmutación.

Fragmento de la descripción:

SISTEMA PARA LA TRANSFERENCIA ENERGÉTICA ENTRE MÓDULOS CON CAPACIDAD DE ALMACENAR ENERGÍA ELÉCTRICA

La presente invención se refiere a un sistema de recuperación energética que permite transferir la energía de un módulo o etapa con capacidad de almacenar energía eléctrica a otro módulo o etapa de similares características.

La invención es de aplicación en los sectores en los que se diseñen, produzcan y utilicen dispositivos eléctricos o electrónicos para recuperación de energía, como por ejemplo en el sector técnico del material y equipo eléctrico, electrónico y óptico o en el de energía yagua. Más particularmente la invención es de aplicación en el proceso de desalinización o descontaminación de un fluido por deionización capacitiva. Así, por ejemplo, las etapas encargadas de retener la sal procedente del agua de mar almacenan energía durante el proceso de deionización y esta energía puede reutilizarse mediante el dispositivo de la invención para reducir el consumo energético del sistema de desalación.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Actualmente existen varias tecnologías orientadas a la desalinización de agua de mar (Tamim Younos, Kimberly E. Tulou "Overview ofDesalination Techniques", Journal of Contemporar y Water Research & Education, vo1.132, pp. 3-10, December 2005) . Una de las más utilizadas industrialmente se basa en la ósmosis inversa. Esta tecnología se fundamenta en el bombeo de aguas saladas a través de membranas, creando un concentrado de sales yagua apta para el consumo. Al margen del elevado precio de las membranas, los sistemas de bombeo requieren presiones muy elevadas para hacer fluir el agua a través de aquellas, lo que resulta muy gravoso desde el punto de vista del consumo energético global del proceso y revierte en un elevado precio del agua así obtenida, además de un elevado coste medioambiental. La tecnología de membranas también presenta otras dificultades, como es la necesidad de pre-tratar el agua para evitar la presencia de sustancias que pudiesen deteriorar las membranas, tales como restos de grasa, aceites, etc.

Como una alternativa factible a la tecnología de ósmosis inversa, surge la conocida como "desionización capacitiva" o CDI. Es una tecnología que no usa membranas y que, por tanto, consume mucha menos energía (T.J. Welgemoed, C.F. Schutte "Capacitive deionization technology: an alternative desalination solution", Desalination 2005, vol. 183, pp. 327-340) .

Otras aplicaciones de la deionización capacitiva de especial interés se centran en la eliminación de contaminantes como por ejemplo las mencionadas en Leonard P. Seed, Daren D. Yetman, Yuri Pargaru and Gene S. Shelp "The desel system -capacitive deionization for the removal of Ions from water", 3d Mali Symposium on Applied Sciences, August 2 -5, 2004 (MSAS'2004) y en Lee, Lai Yoke; Ng, How Yong; Ong, Say Leong; Tao, Guihe; Kekre, Kiran; Viswanath, Balakrishnan; Lay, Winson; Seah, Harr y "Integrated pretreatment with capacitive deionization for reverse osmosis reject recover y from water reclamation plant", Water Research 2009, vol. 43, pp. 47694777.

En esencia, el sistema CDI consta de varIas etapas o módulos desalinizadores conectados en cascada, estando el primer módulo alimentado con el agua de mayor concentración en sales. Cada etapa se compone de varios electrodos que se interconectan dando lugar a un equivalente eléctrico similar al de un supercondensador. La polarización de los electrodos que componen las etapas desalinizadoras permitirá la retención de los iones presentes en el agua mediante la atracción electrostática.

El agua que sale de la primera etapa o módulo alimenta a una segunda, donde se continúa el proceso de eliminación de sal.

Puesto que cada etapa o módulo tiene como equivalente eléctrico un supercondensador, la energía que se almacena en forma de campo eléctrico durante el proceso de desalinización puede ser recuperada y transferida a la siguiente etapa desalinizadora, continuando así con el proceso. Es decir, para polarizar la segunda etapa se puede utilizar la energía que se obtiene de la despolarización de la primera, lo que supone minimizar el consumo energético.

Cada etapa de desionización debe regenerarse una vez saturada de sal, para lo que debe despolarizarse y circular una segunda corriente de agua salada donde se va concentrando la sal, que luego se desechará. Esta segunda corriente con alto contenido en sales, que es inherente a todo proceso de desalación sea cual sea la tecnología que se use, puede convertirse en un problema medioambiental, ya que debe verterse de forma controlada. La situación ideal sería verterla en una salina, donde se aprovecharía para generar sal. En caso de no disponer de una próxima, la corriente rica en sal puede ser devuelta al mar, en una zona donde las corrientes permitan una rápida dilución de la sal, sin causar perjuicios a la flora o fauna próximas al punto de vertido.

Cada módulo puede estar compuesto por uno o varios conjuntos de placas polarizables similares a condensadores, que podrán estar conectados en serie, paralelo o grupos serie-paralelos. Por cada par de placas, una actuará como electrodo positivo y otra como electrodo negativo. A diferencia de un condensador clásico, entre estas dos placas se dejará un pequeño canal por el que debe circular el agua salada que se pretende desionizar.

Cuando el agua salada circula entre las placas se procede con el proceso de polarización de las mismas para retener los iones de cr y Na+.

Los electrodos de cada una de las etapas deben ser capaces de adsorber el mayor número posible de iones, para lo que se requiere que tengan una gran superficie a semejanza de lo que ocurre con los electrodos de los supercondensadores.

Una vez el condensador equivalente esté cargado y el carbón saturado, se elimina la capacidad desalinizadora de la etapa. Ante esta situación se plantea transferir la energía almacenada en forma de campo eléctrico en dicho condensador equivalente a la siguiente etapa, de forma que será esta nueva etapa la encargada de continuar con el proceso de desalinización. La etapa previa, una vez descargada y sin presencia de campo alguno, podrá ser sometida al proceso de eliminación de los iones retenidos mediante un lavado, proceso que dará origen a la salmuera.

La transferencia de carga de una etapa a otra ha de realizarse con mínimas pérdidas energéticas. De esta forma se puede conseguir un proceso cíclico en el que se aportaría desde la fuente primaria, la energía necesaria para el arranque del sistema y posteriormente las pérdidas que se ocasionen durante los trasvases de energía entre etapas.

En la bibliografía son escasas las menciones a los convertidores cc/cc encargados del trasvase energético entre módulos de desalinización, aunque generalmente se basan en la utilización de un convertidor elevador-reductor (M. Alkuran" M. Orabi, "Utilization of a Buck Boost Converter and the Method of Segmented Capacitors in a CDI Water Purification System", MEPCON. 2008, pp. 470-474) .

El control de este tipo de convertidores pasa por conseguir un comportamiento similar al de una fuente de corriente. Para ello se acude a dos estrategias de control:

Control de corriente promediada: en este caso se monitoriza la corriente de salida y se realimenta el convertidor para conseguir una corriente media de salida constante con la que se polarizan los electrodos de la etapa desalinizadora. Otra alternativa consiste en realizar un control por histéresis en el que se mide la corriente por la bobina del convertidor y se limita el valor máximo a un valor fijo y el valor mínimo a cero amperios.

En cualquiera de las opciones mencionadas, el convertidor cc/cc ve penalizado su rendimiento cuando las diferencias entre tensión de entrada y salida son importantes al no adaptarse el valor de la corriente por la bobina al punto óptimo de trabajo en el convertidor.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema que realiza la transferencia energética entre módulos con capacidad de almacenar energía. Los mencionados módulos almacenan la energía de forma electroquímica, como es el caso de una batería o un supercondensador, y la devuelven con tensión y corriente variables. Inicialmente el módulo conectado en la entrada se encuentra cargado mientras que el conectado a la

re

salida descargado. El sistema...

 


Reivindicaciones:

1. Sistema de transferencia energética entre módulos con capacidad de almacenar energía, que comprende:

un convertidor de potencia conmutado (16) , al que se conecta/n, en la entrada y en la salida, uno o varios módulos (1) y (2) con capacidad de almacenar energía eléctrica, que a su vez comprende una bobina (3) , dos interruptores (7) y (8) , Y un sensor de corriente (6) que realiza la medida de la corriente que circula a través de la bobina (3) y envía una señal a un bloque generador de pulsos de disparo (10) ;

dos condensadores de filtro (4) y (5) que eliminan la componente de alta frecuencia de la corriente, emplazados a la entrada y salida del convertidor de potencia conmutado (16) ;

un circuito de disparo (9) que activa los interruptores (7) y (8) del convertidor de potencia conmutado (16) a partir de los pulsos proporcionados por un bloque generador de pulsos de disparo (10) ;

un bloque generador de pulsos de disparo (10) de los interruptores (7) y

(8) del convertidor de potencia conmutado (16) , con dos comparadores

(12) y (13) Y un biestable (11) , que limita el valor máximo y mínimo de la corriente que circula a través de la bobina (3) en función de las señales de referencia proporcionadas desde un bloque de control (14) y de la señal que proporciona el sensor de corriente (6) ;

un bloque de control (14) que genera las señales de referencia Vhmax, VILmin, proporcionales a la corriente máxima y mínima que circula por la bobina (3) , y que se obtienen a partir de las señales proporcionadas por un bloque de adaptación (15) ;

un bloque de adaptación (15) que toma la medida de las tensiones de entrada y salida del convertidor de potencia conmutado (16) y las envía al bloque de control (14) adaptadas a los requerimientos de tensión y corriente demandados por el bloque de control (14) ;

caracterizado por que las señales de referencia (Vhmax) e (VILmin) , proporcionales a la corriente máxima y mínima que circula por la bobina (3) ,

están fijadas por el bloque de adaptación (15) y el bloque de control (14) , en función del punto de trabajo del convertidor de potencia conmutado (16) según las expresiones:

VIL max ( t) = kI -IL max ( t)

VILmin (t) = k2 -ILmin (t)

I Lmax (t) = I LmaxF -r¡ (t)

I Lmin (t) = I Lmin

F

donde hmaxF es un parámetro cuyo valor es ~10 A/cm2, r¡ (t) es el rendimiento

del convertidor de potencia conmutado (16) en cada instante y en tanto por uno, y k2 Yk1 son dos variables que definen la relación entre la corriente por la bobina máxima y mínima y las señales de referencia VILmax y VILmin para evitar que se superen los valores máximos de alimentación del bloque generador de pulsos de disparo (10) .

2. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el convertidor de potencia conmutado (16) es bidireccional.

3. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el convertidor de potencia conmutado (16) es elevador, reductor, o elevador y reductor.

4. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el convertidor de 20 potencia conmutado (16) tiene aislamiento galvánico.

5. Sistema según la reivindicación 1 ó 4 caracterizado por que el convertidor de potencia conmutado (16) se compone de varias etapas.

6. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que cualquiera de los

interruptores (7) y (8) es un diodo.

7. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que cualquiera de los interruptores (7) y (8) es un IGBT.

8. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que cualquiera de los interruptores (7) y (8) es un mosfet.

9. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el sensor de corriente

(6) está implementado con componentes analógicos y/o digitales.

10. Sistema según la reivindicación 9 caracterizado por que los componentes son una resistencia (23) Y un amplificador (24) .

11. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el sensor de corriente

(6) realiza la medida de la corriente que circula a través de la bobina (3) por estimación a partir de los valores de tensión de entrada y/o de salida del convertidor de potencia conmutado (16) .

12. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que los condensadores de filtro (4) y (5) son de plástico metalizado.

13. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el circuito de disparo (9) tiene aislamiento galvánico.

14. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que los comparadores (12) y

(13) están implementados con componentes analógicos, digitales y/o mediante bloques funcionales de programa o programas de software.

15. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el biestable (11) es del tipo RS, con la entrada R conectada a la salida de un comparador (12) , a cuya entrada inversora le llega la tensión de salida del sensor de corriente (6) y a cuya entrada no inversora le llega la señal VILmax de referencia proporcionada por el bloque de control (14) , y con la entrada S conectada con el drenador de un transistor mosfet (17) que actúa como inversor, cuyo drenador también se

conecta a través de una resistencia (18) a la tensión de alimentación, cuyo surtidor se conecta a la masa del circuito y cuya puerta se conecta a la salida de otro comparador (13) cuya entrada inversora también se conecta a la salida del sensor de corriente (6) y cuya entrada no inversora le llega la señal Vhmin de referencia proporcionada por el bloque de control.

16. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el bloque de control

(14) es un microcontrolador.

17. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el bloque de adaptación

(15) está implementado con componentes analógicos, digitales y/o mediante bloques funcionales de programa o programas de software.

18. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que los módulos (1) y/o (2) son supercondensadores.

19. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que los módulos (1) y/o (2) son baterías.

20. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que los módulos (1) y/o (2) son pilas de hidrógeno.

21. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que los módulos (1) y/o (2) son celdas de deionización capacitiva compuestas por dos o más electrodos conectados en serie y/o en paralelo.

22. Sistema según la reivindicación 21 caracterizado por que los electrodos son de placas de material conductor recubiertos por carbón activado.

23. Sistema según la reivindicación 21 caracterizado por que los electrodos son de placas de material conductor recubiertos por nanotubos de carbono.

24. Sistema según la reivindicación 21 caracterizado por que los electrodos son de material conductor recubiertos con grafeno.

25. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que los módulos (1) y (2) son una combinación de supercondensadores y/o baterías y/o pilas de hidrógeno y/o celdas de deionización capacitiva.

26. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el tiempo empleado en

transferir toda la energía de la etapa (1) a la (2) o viceversa es ajustable por el usuarIO.

27. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que la corriente máxima y mínima que circula por la bobina (3) del convertidor de potencia conmutado

(16) se determina en cada ciclo de conmutación.

28. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el valor de la corriente máxima y mínima que circula por la bobina (3) del convertidor de potencia conmutado (16) se promedia durante el proceso de transferencia entre los módulos (1) y (2) con capacidad de almacenar energía eléctrica.

29. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que el valor del rendimiento

del convertidor de potencia conmutado (16) en cada instante l1 (t) se obtiene a partir de la tensión de entrada y/o salida del convertidor de potencia conmutado (16) .


 

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