Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas.

Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas 1,

que se conecta a un pararrayos genérico de captación de rayos 100 y éste a su vez se conecta a un electrodo de puesta a tierra para la conducción del rayo a tierra 104, y que dispone de un sensor de detección de rayos 101 que actúa en un telerruptor de control de carga 102, y que dicha central está formada por un sistema de control y protección de la captación de la energía del rayo 2, compuesto de tres varistores en conexión T, y formada por un sistema de captación y almacenamiento temporal de la energía del rayo 3, compuesto de nueve condensadores de corriente alterna que se pueden conectar en serie para la captación y en paralelo para la descarga, y formada por un grupo de almacenamiento de energía 4A, 4B, 4C,...4N (enésimo), compuestos cada uno de un supercondensador electrolítico, y que dispone de un conversor de baja tensión DC/AC 109, y de un minicontrolador lógico programable 108, y de una conexión red de baja tensión a 400/230V - 50Hz 110, a la cual se vierte, de forma programada, la energía captada y acumulada del rayo.

CENTRAL ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN ENERGIZADA CON DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Objeto y campo de la invención La presente invención se refiere a un dispositivo y procedimiento de captación, almacenamiento y generación programada de energía eléctrica, a partir de las descargas atmosféricas o rayos, que se ha denominado central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas.

El objeto de la invención es proporcionar una central eléctrica de baja tensión capacitada para captar tanto rayos negativos como positivos, pudiendo ser tanto mínimos como máximos, y que emplea para la captación de la energía del rayo un conjunto de condensadores de corriente alterna y para el almacenamiento de la energía captada emplea supercondensadores electrolíticos de corriente continua, y que en una realización preferente genera de forma programada energía eléctrica trifásica alterna de baja tensión a 400/230V a 50 Hz.

O La central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas propuesta, se conecta a un pararrayos genérico de captación de rayos y éste a su vez se conecta a un electrodo de puesta a tierra para la conducción del rayo a tierra, y dispone de un sensor de detección de rayos que actúa en un telerruptor de control de carga, y dicha central está formada por un sistema de control y protección de la captación de la energía del rayo 2, compuesto de tres varistores en conexión T, y formada por un sistema de captación y almacenamiento temporal de la energía del rayo 3, compuesto de nueve condensadores de corriente alterna que se pueden conectar en serie para la captación y en paralelo para la descarga, y formada por un grupo de almacenamiento de energía 4A, 4B, 4C, .. .4N (enésimo) , compuestos cada uno de un supercondensador

electrolítico, y dispone de un conversor de baja tensión DC/AC 109, y de un mini controlador lógico programable 108, y de una conexión red de baja tensión a 400/230V -50Hz 110, a la cual se vierte, de forma programada, la energía captada y acumulada del rayo.

La invención se sitúa en el ámbito de las centrales eléctricas de energías renovables.

Antecedentes de la invención Son conocidos diversos tipos de centrales eléctricas que captan descargas atmosféricas. Pueden observarse diferentes tipos de centrales eléctricas que aprovechan la energía de 5 las descargas atmosféricas en los documentos US20l0000732l Al; W02009003250 Al; WO 2010108239 A2; W02007135474 Al; DE 4034100 Al; entre otros.

Estas centrales presentan una problemática que se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos:

No disponen de protección para rayos máximos (de 75 a 200 kA) , por lo que en caso de su captación destruirán el dispositivo. No disponen de control de límite de tensión de carga, por lo tanto se perforará el dieléctrico de los condensadores en la mayor parte de los casos.

No tienen capacidad de captar los rayos tanto negativos como positivos. Requieren de condensadores de alta tensión, por lo que deben materializarse en la práctica en centrales de grandes dimensiones, y además deben por ello cumplir la compleja legislación de alta tensión haciendo prácticamente inviable su ubicación en edificios.

O No pueden emplear supercondensadores electrolíticos, ya que emplean los mismos condensadores para captación y para almacenamiento, y si éste tipo de condensadores se conectaran a la onda tipo rayo, quedarían destruidos de forma instantánea. Requieren de convertidores DCIAC de alta tensión, por lo que para la energía que se puede captar del rayo hace absolutamente inviable su rentabilidad. Requieren de N convertidores DCIAC, por lo que para la energía que se puede captar del rayo hace absolutamente inviable su rentabilidad. Requieren de control por ordenador para ir conectando o desconectando interruptores durante el proceso de captación del rayo, algo totalmente inviable,

Descripción de la invención La central eléctrica de baja tensión que la invención propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, en todos y cada uno 5 de los diferentes aspectos comentados.

Los diferentes parámetros de una descarga atmosférica están recogidos en la norma lEC 1312-1:19995:

Valor de cresta, Iimp: 1 a 200 kA Carga, Q: 300 C máximo Energía específica, 10 MJ/n máximo Pendiente de la forma de onda, (10/350 Jls) di/dt: 200 kA/ JlS máximo El modelo del rayo es una fuente de corriente negativa (ver figura 5, siendo el 90% de los rayos negativos y sólo un 10% son positivos) que se inyecta en el punto del sistema donde incide el rayo. La forma de onda de la corriente inyectada está formada por dos tramos rectos. El primero es el frente de onda y el segundo es la cola. Por ejemplo, un rayo de 100 kA, 10/350 JlS es un rayo que en 10 JlS alcanza el valor de cresta de 100

O kA y posteriormente tarda 350 JlS en alcanzar 50 kA (la mitad del valor de cresta) .

El modelo de un electrodo de puesta a tierra, formado por conductores horizontales y picas enterradas, es una resistencia en serie con una inductancia, ya que habitualmente se suele despreciar la capacidad. Sin embargo consideraremos genéricamente una resistencia de 1 n, para poder independizar el modelo de la forma geométrica del electrodo, que será particular según sea el caso.

Cuando un rayo medio, de unos 20 kA y 10/350 JlS, incida en un pararrayos unido a un electrodo de resistencia 1 n, se generará una tensión de cresta máxima de 20 kV. En 3 O un 1% de los casos el rayo incidente tendrá un valor de 200 kA (valor de cresta máximo) , el cual generará una tensión de cresta máxima de 200 kV.

La energía de un rayo medio es de unos 1.000 kWh, es decir de 3, 6 G1.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 es una vista esquemática y de diagrama de bloques de una realización preferente del dispositivo 1. Se puede observar un pararrayos genérico de captación de rayos 100, un sensor de detección de rayos 101 que actúa en un telerruptor de control de carga 102, un electrodo de puesta a tierra para la conducción del rayo a tierra 104, un bloque de control y protección de la captación de la energía del rayo 2, un bloque de captación y almacenamiento temporal de la energía del rayo 3, un grupo de almacenamiento de energía 4A, 4B, 4C, .. .4N, un conversor de baja tensión DC/AC 109, un mini controlador lógico programable 108, y una red de baja tensión a 400/230V -50Hz 110.

La figura 2 es una vista esquemática del bloque de control y protección de la captación de la energía del rayo 2, de una realización del dispositivo 1, en la que se aprecian los tres varistores 204, 205 y 206 empleados para la adecuada captación de la energía del rayo así como para la adecuada protección para rayos máximos. Se puede observar que se dispone de un electrodo de puesta a tierra independiente 105.

O La figura 3, es una vista esquemática del bloque de captación de la energía del rayo 3, de una realización del dispositivo 1, en la que se aprecian los nueve condensadores de captación 306A, 306B, 306C, 306D, 306E, 306F, 306G, 306H, 3061, los ocho telerruptores 307 A, 307B, 307C, 307D, 307E, 307F, 307G, 307H, para el cambio de conexión de serie a paralelo, y un conmutador de cruzamiento 308 para invertir la polaridad en caso de que el rayo sea negativo. Se puede observar que se dispone de un electrodo de puesta a tierra independiente 106.

La figura 4, es una vista esquemática del bloque 4, perteneciente al grupo de

La figura 5, es un diagrama cartesiano de la modelización del rayo negativo, en el que la forma de onda de la corriente inyectada está formada por dos tramos rectos. El primero es el frente de onda y el segundo es la cola. Se puede apreciar, a modo de ejemplo, un rayo de 100 kA y 10/350 ¡..ts que es un rayo que en 10 ¡..ts alcanza el valor

de cresta de 100 kA y posteriormente tarda 350 ¡..ts en alcanzar 50 kA (la mitad del valor de cresta) .

La figura 6, muestra un conjunto de esquemas de funcionamiento del bloque de control y protección...

1. Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas 1, que 5 consta de un pararrayos 100 unido a un electrodo de puesta a tierra 104,

caracterizado porque dicho dispositivo dispone de un sistema de control de carga y protección 2, formado por varios varistores 204, 205, 206 en conexión T,

y porque dicho sistema deriva a un electrodo de una puesta a tierra independiente 105 el excedente de las descargas atmosféricas de intensidad de cresta mayor o superior a la establecida en el dispositivo, que evita que los condensadores 3 se descarguen a través del electrodo de puesta a tierra del

pararrayos 104 cuando se energiza la central eléctrica y porque comprende un sensor de tipo núcleo toroidal 101 que actúa directamente en la apertura de un telerruptor ultrarrápido regulable en tiempo 102 para la desconexión de los condensadores 3 una vez cargados y porque comprende un sistema de captación y almacenamiento temporal 3 de la energía de la descarga atmosférica, formado por varios condensadores de corriente alterna, AC, que soportan indistintamente corriente continua, DC, y que soportan una tensión de impulso 306A, 306B, 306C, 306D, 306E, 306F,

306G, 306H, 3061 y que mediante un juego de telerruptores sincronizados 307A, 307B, 307C, 307D, 307E, 307F, 307G, 307H, cuando todos los telerruptores están abiertos los condensadores se conexionan en serie, estando preparados para captar la energía de la descarga atmosférica, y que cuando todos los telerruptores están cerrados los condensadores se conexionan en 3 O paralelo, estando preparados para ceder la energía captada a los supercondensadores del sistema 4,

y porque el sistema descrito 3 dispone de un teleconmutador de cruce 308 para poder mantener la polaridad de salida indistintamente que la descarga 35 atmosférica captada sea negativa o positiva y porque se dispone de un sistema

de almacenamiento 4A, 4B, 4C, ... , 4N formado cada uno por un

supercondensador electrolítico 408 y que se puede cargar del bus 401, 402

mediante un telerruptor 406 y se puede descargar al bus 404, 405 mediante un

telerruptor 407

5

y porque comprende un conversor de DC/ AC 109 que se alimenta del bus 404,

405 Y que alimenta una red cualquiera de baja tensión trifásica, estando todo el

dispositivo controlado por un mini controlador lógico programable 108.

10

2. Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas 1,

según la reivindicación 1, caracterizado porque en una construcción preferente

es 3 el número de varistores en conexión T, siendo 2 de ellos 204, 205, de una

15 tensión de conducción mitad de la tensión nominal del condensador equivalente

de captación 3, es decir de 6, 75 kV Y el tercero 206 de una tensión de

conducción doble de la tensión de dicho condensador equivalente más 2/9 de

dicha tensión, es decir 30 kV,

2 O Y la de intensidad de cresta seleccionada para derivar al electrodo de la puesta a

tierra el excedente de las descargas atmosféricas es de 30 kA,

y el telerruptor ultrarrápido se regula entre 10 Y 350 JlS,

25 Y el sistema de captación y almacenamiento temporal está compuesto por 9

condensadores, de tensión nominal en alterna V AC:1.000V Y de tensión nominal

en continua V DC: 1.500 V Y que soportan una tensión de impulso de tipo 1, 2/50

JlS de Vimp 8 kV,

3 O Y el número de telerruptores sincronizados es 8, que cuando se abren, los 9

condensadores se comportan como un único condensador de VDC : 13.500 V

Vimp: 72 kV, Y cuando se cierran, los 9 condensadores se comportan como un

único condensador de VDC : 1.500 V Y de Vimp 8 kV

35 Y los supercondensadores electrolíticos son de VDC : 1.500 V Y de C: 3.200 F

y el bus es de VDC : 1.500 V Y la red de baja tensión es trifásica de 400/230 V

50Hz.

5 3. Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas 1,

según la reivindicación 1, caracterizado porque emplea diferentes dispositivos

para captación y para almacenamiento, lo que permite emplear

supercondensadores electrolíticos en el almacenamiento, ya que no pueden ser

empleados en la captación porque dicha captación los destruiría.

10

4. Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas 1,

según la reivindicación 1, caracterizado porque emplea un controlador lógico

programable para operar con tiempos de onda similares a los de un rayo, del

orden de unidades o decenas de JlS, imposibles de conseguir mediante control

15 por Computador, lo que posibilita que los condensadores no se descarguen de

manera significativa por el electrodo de puesta a tierra del pararrayos.

5. Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas 1,

según la reivindicación 1, caracterizado porque el pararrayos 100 puede ser

2 O estático de tipo punta o similar, o puede ser dinámico de tipo globo sonda o

similar, o formado por el cable de protección de los tendidos eléctricos.

6. Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas 1,

según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el electrodo de puesta a

25 tierra 104 al que se conecta el pararrayos 100 está formado por un electrodo

vertical o pica de tipo profundo, en una construcción preferente compuesto de

tramos de 2 metros unidos por un manguito roscado, con una longitud

adecuada a la resistividad del terreno del emplazamiento para presentar una

resistencia de difusión de 1 n y prácticamente nula reactancia inductiva y

3 O capacitiva.

7. Central eléctrica de baja tensión energizada con descargas atmosféricas 1,

según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en una

construcción preferente, puede almacenar en cada pluralidad de

35 supercondensadores electrolíticos 408 de Voc: 1.500 V y de C: 3.200 F, una

energía de 3, 6 GJ, es decir 1.000 kWh, que es la energía media de una descarga atmosférica, pudiendo entregar a una red eléctrica cualquiera de baja tensión, durante las 4 horas punta, cuando la energía está penalizada el 100%, una potencia de 5 kW durante 50 días, y disponiendo de 7 supercondensadores de las citadas características, si se captan 7 descargas atmosféricas, se puede entregar 5 kW durante 350 días en ese horario, y si el emplazamiento tiene un nivel ceraúnico superior se irán aumentando las horas de producción, necesitando por ejemplo 43, 8 descargas medias atmosféricas para poder generar una potencia de 5 kW ininterrumpidamente durante todo el año.

8. Procedimiento de captación, almacenamiento y generación programada de energía eléctrica de baja tensión procedente de la energía de las descargas atmosféricas mediante el empleo del dispositivo de central eléctrica energizada con descargas atmosféricas descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado dicho procedimiento por el hecho de que comprende al menos las siguientes etapas:

Captación de una descarga atmosférica; Acumulación temporal de la energía captada en un conjunto de condensadores de corriente alterna dispuestos en serie (nueve en una construcción preferente) ; Desconexión ultrarrápida, , de los condensadores de acumulación temporal (de 10 a 350 ) lS en una construcción preferente) . Preparación de la descarga de los condensadores de acumulación temporal del conjunto de los condensadores de corriente alterna dispuestos en paralelo (nueve en una construcción preferente) , mediante el conexionado de los mismos a un bus de DC. Carga instantánea (ms) de una pluralidad de supercondensadores electrolíticos mediante el citado bus de De. Conexión del conjunto de condensadores de acumulación temporal dispuestos en serie para prepararse a captar una nueva descarga. Descarga programada de cada uno de los supercondensadores electrolíticos cargados, a una red de baja tensión mediante un convertidor de DCIAC.

r------------------

: 108 ~-~---------

~~~L~~_+ -------1

____,

i --1 i i i' i i i

i , i' , i '

__ , i, 1 i I I ________, i I i i i i

, , , , ' " 1

i i i i ¡ i i ¡

: : , , ' : i '

ti , , 1 " '

'i i I i i i I

" "i i' . l' i" ' I

, 1 , i' " '

', :: 1 :: '

i i i i i I

, 'i, iI iI

$,

,

!

I, :

,

,

,

i I I

I

I

,

FIG.1

204 205

r r

202

'----+--'1-----.. --1+0H-_r

r ---, -_r105

FIG.2

302 303 309

r r r

I I I I I I I I I

I I

• l t

I I I I

.J

r

~__~__~r__F-~r

306A 305 301

"

+ 106

FIG.3

401 402 403 404 405

t--J -¡--J ~ -¡--J t--J

FIG.4

Ln

•

l!J

-

LL

<

<

..IC:

..IC:

o

o o

.."

......

6, 15 kV 6, 15 kV 6, 15 kV 6, 15 kV 6, 15 kV 6, 15 kV 204 205 204 205

~ ~

~

~

~

~

~ J

~

J

2A 2B 2C

6, 15 kV 6, 15 kV

~

~

2D

FIG.6

308 304

:.:r -r

Ilmp 301 (kA) .....1:·········30~...

- ....., . ...

+ " 305 í -13068 ")

(e~:"

~'?, ~)

( --~" (~S'§) ;~}:)

......•....., ..

I imp \" (kA) )

rt 106

FIG.1

/..............................................~.~............;;;..... ) J4

301 306A ../ ..............................................+....... "

r \ '. 3'05

11. 106

FIG.8

302 309

, -J , -J

I I

I I

• I I t

I I

I

I I I

I I I I I I I I I I I I I

............................................ :I

306A (···......·····.. ··

( \

306C

306F

, -J

FIG.9

308 304

............~.;;....... , -J .................~.:¡:.... ~

3~