Sistema de adecuación de potencia.

Sistemas de adecuación de potencia.

El sistema aquí descrito permite realizar una adecuación de potencia para plantas de generación de energía anaeróbicas o independientes de aire (conocidas por sus siglas en inglés AIP) a partir de pilas de combustible,

montadas en vehículos y encargadas de dotar de energía al mismo a partir de energía extraída desde pilas de combustible sin necesidad de realizar paso de transformación intermedia alguno, por lo que no se hace necesario el uso de transformadores. Para ello se hace uso de un sistema que comprende una parte elevadora encargada de elevar la tensión desde las condiciones de salida de la pila de combustible hasta una tensión constante del bus interno, una parte de adecuación de potencia encargada de convertir la potencia y un Bus intermedio (DC Link) intermedio entre la parte elevadora y la parte de adecuación de potencia.

OBJETO DE LA INVENCiÓN

La presente invención se enmarca en el campo de un sistema de adecuación de la potencia generada por una planta anaeróbica de generación de potencia conocidas por sus siglas en inglés AIP (Air Indenpendent Plant) , planta AIP que funciona a partir de pilas de combustible.

El objeto de la invención consiste en sistema de adecuación de potencia proveniente de una planta autónoma de generación de energía a partir de pilas de combustible, potencia que será la encargada de dotar de energía a un vehículo. Dicha potencia adaptada puede ser empleada para los propios sistemas del vehículo así como para usar como fuente de energía a~ernativa, auxiliar o complementaria para el propio vehículo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

Dentro de las tecnologías existentes para propulsión de vehículos marinos o navales como pueden ser los submarinos están los sistemas convencionales que usan motores diesel para propulsión y los sistemas basados en tecnologías nucleares y sistemas anaerobios (o anaeróbicos según la terminología a utilizar) .

Los submarinos con tecnología diesel tienen una autonomía menor que el resto de tecnologías y además presentan la desventaja de que son menos discretos que el resto de tecnologías debido a que necesitan usar el snorkel.

Dentro de los sistemas anaerobios se encuentran los sistemas Al P (Planta independiente de aire por sus siglas en inglés de Air Indenpendent Plant) . Hay distintos sistemas AIP, uno de ellos es el sistema AIP basado en pila de combustible. Alguna de las ventajas que presentan estos sistemas basados en pila de combustible son:

Las pilas de combustible representan una alternativa real como medio de producción de electricidad silencioso, seguro, fiable y de alto rendimiento. Conseguir potencias de hasta 500 kW es relativamente sencillo con la tecnología adecuada. Pueden ser alimentadas con diferentes combustibles, sin más que elegir el reformador adecuado En las plantas AIP basadas en pilas de combustible, el combustible usado se transforma en energía eléctrica en la pila de combustible mediante una reacción química que se produce en sus celdas.

Dado que a la salida de las pilas de combustible es necesario adaptar la energía a las condiciones de tensión del bus de potencia del submarino, se emplea como medio de adaptación típico una configuración push-pull, que precisa un transformador intermedio, lo que supone una menor eficiencia, dificultad de integración de los transformadores debido a su peso y su volumen , coste superior y complejidad de mantenimiento. Debido a las altas potencias usadas con bajo salto de tensiones entre la entrada y salida, resulta más interesante usar otro tipo de topología distinta a la push-pull, debido a que la push-pull presenta una serie de inconvenientes tales como: menor eficiencia, dificultad de integración de transformadores debido a su volumen y peso, dificultad de encontrar transformadores que trabajen a altas frecuencias de elevada potencia, coste superior y complejidad de mantenimiento. Por lo tanto, se busca un sistema de adecuación de la energía con alto rendimiento que no precisa de una transformación a alterna intermedia.

En la solicitud de patente coreana KR2011 000631 OA se detalla un sistema de acondicionamiento de potencia para un convertidor multinivel que comprende: una parte elevadora (boas! converter) , un OC-link intermedio y una parte de adecuación encargada de convertir la potencia del OC-link intermedio hasta la salida. Sin embargo en este documento se hace uso de una transformación y la etapa acondicionadora de potencia no es una etapa OC-OC corriente continua-corriente continua, sino oC-AC corriente continua-corriente alterna, presentando además un transformador a la salida del inversor de hecho en este documento se recoge una realización mediante un convertidor push-pull que precisa de un transformador. Algo similar ocurre en la solución recogida por el documento KR100799446 B1 donde se divulga un sistema de adecuación de potencia para una célula de combustible que presenta un sistema de acondicionamiento que cuenta con un inversor, un transformador y un rectificador final, es decir, cuenta con una transformación intermedia en corriente alterna.

El documento W02005036684 A2 describe un sistema de acondicionamiento de potencia para una célula de combustible que permite la conexión a una red de alterna. El sistema comprende al menos un inversor DC/AC bidireccional y un bus de continua intermedio entre la célula y el inversor.

Asimismo en el documento ES2270392 T3 de HOWALDTSWERKE-DEUTSCHE WERFT GMBH se detalla un convertidor OC-OC conectado entre una batería y una célula de combustible en el que el convertidor OC-OC que tiene una transformación intermedia en alterna

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

El sistema objeto de la invención tiene aplicación en el suministro de energía a vehículos que tienen bus de potencia, como los vehículos marítimos de entre los cuales se ha determinado como posible destino de la invención los submarinos que pueden usar energía auxiliar obtenida a partir de pilas de combustible, ya que éstas son una alternativa real, como medio de producción de energía para propulsión silencioso, seguro, fiable y de alto rendimiento.

De entre los posibles usos de la potencia una vez adecuada cabe destacar el uso de la potencia adaptada para alimentar un medio de propulsión , auxiliar o complementaria de un vehículo. A partir de la energía generada en una planta AIP (Air Independent Plant) a partir de una o más pilas de combustible se hace uso de un sistema de adecuación de potencia, que es capaz de adecuar la energía de un sistema de pila de combustible a un bus de potencia en continuo. Con esto se consiguen salvar los inconvenientes citados en el apartado anterior. El sistema de adecuación de potencia adaptado a una planta AIP para un vehículo objeto de la invención, es capaz de adecuar la energía eléctrica de un módulo de generación de energía, como la citada planta AIP, basado en pila de combustible a un bus de potencia en continuo pero en este caso sin necesidad de un paso intermedio a corriente alterna, es decir sin necesidad de transformadores.

Al poder realizar la adecuación de potencia entre la pila de combustible y el bus de potencia sin necesidad de implementar un convertidor DC/AC/DC con un transformador de alterna intermedio se elude el uso de transformador intermedio, lo que permite que la eficiencia del equipo sea más alta, permitiendo trabajar con potencias elevadas con bajos saltos de tensión entre la entrada y la salida. El rango de tensión para el que está preparado trabajar el sistema en la entrada es 100 Vcc como valor mínimo y 700 Vcc como valor máximo y en la salida este valor varía entre 100 Y 700 Vcc. La ausencia de transformador minimiza el número de componentes del equipo de forma que su fiabilidad aumenta y su tamaño disminuye, característica muy importante dado el entorno en el cual se encuentra operativo el sistema, preferiblemente un submarino; esto también tiene una incidencia directa en el control de temperatura de operación y en las vibraciones y armónicos que se generan, importantes en entornos de trabajo como el del interior de un vehículo marítimo como puede ser un submarino.

Otra ventaja destacable es aquella relacionada con el eventual mantenimiento de un transformador en el interior de un submarino, lo cual se hace necesario en otras soluciones y no es una tarea simple debido al limitado espacio que normalmente existe para tareas de mantenimiento, el sistema aquí descrito evita esta tarea de mantenimiento ya que no hace uso de transformador intermedio. Dado que la planta AIP comprende al menos una pila de combustible encargada de generar potencia, y al menos una salida de potencia, el sistema de adaptación o adecuación de potencia comprende un número de entradas igual a un número de salidas de la pila de combustible; el sistema de adecuación de potencia aquí descrito comprende al menos una salida y tantas ramas como entradas desde la salida de las pilas de combustible cuente, donde cada rama se divide en tres bloques: -Una parte elevadora encargada de elevar la tensión desde las condiciones de salida de la pila de combustible hasta una tensión constante del bus interno. Esta parte está formada por dos elevadores conmutados en antiparalelo. -Una parte de adecuación de potencia encargada de convertir la potencia desde el Bus intermedio (OC Link) hasta la salida del bus de potencia del vehículo, esta parte comprende un puente H en cada rama con modulaciones desfasadas en 120º. -Un Bus intermedio (OC Link) intermedio que es el nexo de unión entre la parte elevadora y la parte de adecuación de potencia. Este bus está encargado...

1. Sistema de adecuación de potencia de una planta anaeróbica de generación de energía, planta que comprende: al menos una pila de combustible encargada de generar potencia, y al menos una salida de potencia y un número de entradas igual a un número de salidas de la pila de combustible, sistema de adecuación de potencia caracterizado porque comprende: al menos un bloque elevador, que comprende un número par de al menos dos elevadores , donde el bloque elevador está encargado de elevar la tensión desde las condiciones de salida de la pila de combustible hasta una tensión constante de un bus interno, al menos un Bus intermedio (OC Link) , conectado a continuación del bloque elevador, que comprende al menos un condensador de alta capacidad, y, donde el Bus intermedio (OC Link) está encargado de almacenar energía y establecer una tensión constante sirviendo como medio de desacoplo de parámetros eléctricos, y al menos un bloque de adecuación de potencia, conectado a continuación del Bus intermedio (OC Link) , que comprende al menos una rama que a su vez comprende un puente H con modulaciones, donde el bloque de adecuación de potencia está encargado de convertir potencia proveniente del Bus intermedio (OC Link) hasta un bus de potencia.

2. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque el puente H comprende modulaciones desfasadas en un ángulo igual a 360º/n donde n es el número de ramas.

3. Sistema según reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque los elevadores se encuentran conmutados en antiparalelo.

4. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque el Bus intermedio (OC Link) adicionalmente comprende al menos un elemento destinado a aumentar la capacidad de almacenamiento.

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque adicionalmente comprende al menos un primer filtro tipo EM I ubicado en cada entrada, filtro EM I destinado a amortiguar armónicos de alta frecuencia

6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque adicionalmente comprende al menos un segundo filtro tipo EMI ubicado en la salida de potencia, filtro EM I destinado a amortiguar armónicos de alta frecuencia.

7. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque adicionalmente comprende al menos un condensador de salida ubicado en la salida de potencia destinado a amortiguar armónicos a bajas frecuencias.

8. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque comprende un circuito paralelo, donde dicho circuito paralelo es un circuito de precarga que permite elevar la tensión del Bus intermedio (OC Link) hasta una tensión igual que la del bus de potencia y está destinado a llevar una corriente que se extrae del bus de potencia del vehículo hacia el almacenamiento intermedio comprendido en el Bus intermedio (OC Link) .

9. Sistema según reivindicación 5 ó 6 caracterizado porque el filtro EMI comprende una conexión débil a tierra eléctrica para evitar que se formen recirculaciones por tierra

10. Uso del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 para adaptar la potencia de una planta anaeróbica de generación de energía a un bus de potencia de un vehículo.

11. Uso según reivindicación 10 donde el vehículo es un vehículo marítimo.

12. Uso según reivindicación 11 donde el vehículo es un submarino.

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