Sistema de control de una planta anaeróbica de generación de energía.

Sistema de control de una planta anaeróbica de generación de energía.



Se describe un sistema de control para Plantas AIP, plantas independientes de aire o anaeróbicas, encargadas de generar energía a partir de pilas de combustible, energía generada que un caso particular se puede utilizar para dotar de propulsión a un vehículo, dadas las bajas vibraciones que se emiten, muy especialmente para un submarino. El sistema de control descrito se encuentra asociado al sistema de control maestro del submarino y a su vez se encuentra conectado a todos los sistemas y subsistemas del sistema de propulsión tales como generadores, módulos de comunicaciones, etc. El sistema se encuentra recogido en una carcasa diseñada para el mismo, carcasa que ha sido modificada para acomodar al sistema, asimismo, dado que el sistema se va utilizar en un entorno específico, presenta una serie de características que le permiten ser operativo en entornos sensibles a vibraciones, y en atmósferas que pueden ser corrosivas.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201330646.

Solicitante: ABENGOA HIDRÓGENO, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: BREY SANCHEZ,JAVIER, MESA VÉLEZ-BRACHO,Verónica, ADAME GARCÍA,Gloria, JIMENEZ VEGA,Mª Del Mar, GARCÍA GÓMEZ,Covadonga, MERINO PAREDES,Juana Yaiza, LUCERO MARTÍNEZ,Cristina, VERDUGO GUILLÉN,José Antonio.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B63G8/08 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B63 BUQUES U OTRAS EMBARCACIONES FLOTANTES; SUS EQUIPOS.B63G INSTALACIONES OFENSIVAS Y DEFENSIVAS EN LOS BUQUES; COLOCACION DE MINAS; DRAGADO DE MINAS; SUBMARINOS; PORTAAVIONES (medios de ataque o de defensa en general, p. ej. torretas, F41H). › B63G 8/00 Embarcaciones sumergibles, p. ej. submarinos (cascos de submarinos B63B 3/13; cámaras de buceo unidas mecánicamente a una base, p. ej. mediante un cable B63C 11/34; artefactos automotores de buceo B63C 11/46; torpedos F42B 19/00). › Propulsión (propulsión nuclear B63H 21/18; dispositivos de escape bajo el agua F01N 13/12; instalaciones o conjuntos de propulsión en sí , ver las clases correspondientes).

Fragmento de la descripción:

Sistema de control de una planta anaeróbica de generación de energía.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo del control de plantas de generación de energía que no hacen uso de aire, como aquellas basadas en pilas de combustible. El objeto de la invención consiste en un sistema de control de una planta autónoma de generación de energía a partir de pilas de combustible para dotar de energía a un sistema que haga uso de un bus de potencia. Concretamente en este documento se detalla el uso de dicha energía como medio de suministro de energía a un sistema de propulsión auxiliar o alternativa de un vehículo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El diseño, desarrollo y construcción de sistemas de control es un campo muy estudiado y en el cual ya se han presentado y mostrado un gran número de invenciones. Aunque los elementos hardware y las plataformas software sean elementos comunes hoy en día, la configuración diseñada para el control y gestión de todos los sistemas que componen una Planta AIP (Planta Independiente de Aire – anaeróbica- por sus siglas en inglés) no ha sido desarrollada aún para un entorno marítimo, en este caso para un submarino, por lo que presenta una serie de innovaciones las cuales se muestran a lo largo de este documento.

A día de hoy son conocidas soluciones como la presentada en el documento ES2347972T3, traducción y validación española de la patente europea EP1711397, donde se describe un dispositivo de pilas de combustible conformado de modo tal que se consigue una instalación particularmente segura que pueda cumplir con las exigencias de servicio de un submarino con pilas de combustible. Este documento detalla asimismo funciones de seguridad especiales para la red eléctrica de un submarino con un dispositivo de pilas de combustible, esto se consigue esencialmente gracias a que el cuadro de conmutación es complementado por al menos un cuadro de control de las pilas de combustible, el cual presenta un controlador del sistema del dispositivo de pilas de combustible, un dispositivo automático de seguridad y dispositivos electrónicos modulares para los módulos de las pilas de combustible (llamadas BZ, por sus siglas en alemán correspondientes a “Brennstoffzelle”, en este documento) .

Una solución particular se describe en WO2004107489 donde se detalla un método de supervisión del funcionamiento de pilas de combustible para uso militar, en particular en submarinos, que se basa en la comparación del valor absoluto obtenido de la diferencia de voltajes entre dos partes de la pila de combustible y en el establecimiento de valor absoluto umbral para detectar el fallo de las celdas. El procedimiento implica dividir la pila en dos partes (A, B) de módulos elementales conectados en serie. Las partes se disponen simétricamente respeto del centro de la pila de combustible y tienen el mismo número de celdas. Se miden las tensiones (UA, UB) de las partes y se comparan restando los voltajes para obtener un valor absoluto. Dicho valor absoluto se compara con un valor umbral absoluto para detectar un fallo en la celda elemental. El procedimiento utiliza sólo dos mediciones de la tensión, independientemente del número de celdas elementales en cada pila de combustible y por lo tanto es un procedimiento muy sencillo. El valor absoluto de la diferencia de tensiones que indica el no fallo de las celdas es casi cero, independientemente de la corriente y de las condiciones de funcionamiento de la pila de combustible, proporcionando así una forma simple de control de las celdas.

Ninguna de las soluciones anteriormente citadas resuelve el problema planteado de control de una planta autónoma de generación de energía a partir de pilas de combustible para dotar de energía a un vehículo marítimo como puede ser un submarino y que pueda ser usado en un submarino de manera segura y eficiente ya que ninguna de dichas soluciones aporta una solución al problema que se plantea de tener un sistema de control de una planta AIP basada en pilas de combustible que pueda ser autónomo, seguro y adaptado para un submarino. Para ello debe disponer de los elementos y características necesarias para garantizar que éste funciona correctamente en los siguientes casos:

• Soporta choques de acuerdo a los procedimientos definidos en normativa STANAG para equipos embarcados en vehículos marítimos susceptibles de sufrir ataques .Soporta vibraciones en cada una de las tres direcciones principales del equipo, de tipo sinodal en un rango de frecuencias de 0, 1 a 50 Hz, de acuerdo a los procedimientos definidos en las norma UNE-EN 60068-2-6.Las vibraciones producidas por el sistema de control son menores a las especificadas bajo los procedimientos de la norma MIL-STD-740-2 (SH) .El efecto de ruido producido en el funcionamiento del sistema de control en régimen estacionario es inferior a 62 dB (A) ref. 20 uPa. La carcasa del sistema de control se encuentra protegida ante cuerpos sólidos de diámetro superior a 1 mm y contra salpicaduras de gotas de agua con una inclinación de 360 º.

• Soporta temperaturas entre 2 y 56 ºC, con una humedad relativa del 95 %, además de la presencia de ambiente salino. Soporta cualquier ángulo de inclinación lo cual es de vital importancia cuando se trata de un equipo instalado en un submarino.

• Soporta ensayos de susceptibilidad magnética para su empleo en instalaciones navales militares, en concreto, en submarinos. Soporta la siguiente susceptibilidad conducida:

• Inyección en los cables de alimentación, de 30 Hz a 150 kHz.

• Inyección en el cable, de 10 kHz a 200 MHz.

• Inyección en el cable, excitación en impulso.

• Transitorios sinusoidales amortiguados, cables y fuentes de alimentación, de 10 a 100 MHz.

• Dispone de inmunidad ante un campo eléctrico de 2 MHz a 18 GHz y un campo magnético de 30 Hz a 100 kHz.

• Las emisiones radiadas del sistema de control de campos magnéticos de 30 Hz a 100 kHz, y de campos eléctricos de 10 kHz a 18 GHz, no superaban los

• límites establecidos por la norma MIL-STD-461E.

• El sistema de control no supera los límites establecidos de emisiones conducidas de 30 Hz a 10 MHz establecidos por la norma MIL-STD-461E.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es un sistema de control que gestiona una Planta AIP (Planta Independiente de Aire o Planta anaeróbica) que es la encargada de generar energía que puede ser usada para alimentar distintos sistemas, como puede ser un sistema de propulsión complementario o sustitutivo de un vehículo, como puede ser un vehículo marítimo, por ejemplo, un submarino, sin estar el objeto de la invención restringido a un tipo de aplicación en particular si bien se han desarrollado realizaciones particulares para cierto tipos de vehículos las cuales se describen a continuación; solventando los problemas anteriormente planteados.

La Planta AIP aquí citada está formada por los siguientes sistemas y subsistemas principales:

• Un sistema de generación de hidrógeno que permite producir hidrógeno a bordo del submarino a partir de otro combustible más manipulable, sin tener que transportarlo a bordo, lo que requeriría un gran volumen y un incremento del riesgo ante explosiones.

• Al menos una pila de combustible, que es un dispositivo electroquímico que mediante su alimentación de oxígeno e hidrógeno, produce en sus bornes una tensión determinada.

• Un elemento de adecuación de potencia que permite acondicionar la tensión de salida en bornes de la pila de combustible a la red de potencia del submarino.

• Un sistema de eliminación de CO2, que es un sistema característico de Plantas AIP en submarinos, debido a que su función es gestionar los gases procedentes de los sistemas de la Planta AIP para llevar a cabo su disolución en el agua de mar.

Por otro lado, en la Planta AIP existen una serie de sistemas auxiliares que permiten el correcto funcionamiento de la propia Planta AIP, como por ejemplo: almacenamiento de combustibles, refrigeración, control de incendios, control de atmósferas, alimentación eléctrica, inertización, compensación de pesos, etc.

El sistema de control de la Planta AIP aquí descrito tiene capacidad de comunicación con el sistema de control maestro del vehículo marítimo en el que se encuentre ubicada la citada Planta AIP, de tal manera que en condiciones normales, el sistema maestro del vehículo llevará a cabo el control y gestión de la Planta AIP a través del sistema de control de la Planta (control en modo remoto) . En caso de fallo del sistema maestro, o por preferencia...

 


Reivindicaciones:

1. Sistema de control de una planta anaeróbica de generación de energía, planta que comprende al menos una pila de combustible encargada de proporcionar dicha energía, sistema de control caracterizado porque comprende en una carcasa:

• al menos una unidad de control,

• unos medios de alimentación que comprenden al menos una fuente de alimentación principal (1) y dotados de redundancia contra fallos de alimentación, donde dicha redundancia viene definida por duplicado de los medios de alimentación,

• unos elementos de amortiguación ubicados en una zonas donde se producen vibraciones, elementos de amortiguación destinados a absorber vibraciones,

• un elemento de fijación ubicado sobre al menos uno de los siguientes:

o una tarjeta insertada en un zócalo de al menos una placa de la unidad de control, y

o un cable con un conector insertado en un zócalo de al menos una placa de la unidad de

control, donde el elemento de fijación se encuentra adaptado para ejercer presión sobre al menos uno de los siguientes: tarjeta, cable y conector en un zócalo de una placa asegurando así su contacto, y

• un módulo de refrigeración conectado a unos medios de toma de datos referidos a temperatura, módulo de refrigeración operativo para adaptar de la temperatura a unos niveles preestablecidos en función de los datos tomados por los citados medios de toma de datos referidos a temperatura.

2. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque se encuentra en comunicación con un sistema maestro de un vehículo, donde dicha comunicación comprende al menos un canal de comunicación, canal el cual se encuentra duplicado para dotar de redundancia a la comunicación entre dichos sistemas.

3. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque comprende medios auxiliares de alimentación eléctrica que dotan de redundancia al sistema contra fallos de alimentación eléctrica.

4. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque comprende dos o más unidades de control operativas para tomar el control del sistema de control, en un evento de fallo de una de las unidades de control.

5. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque los medios de alimentación comprenden al menos una fuente secundaria de alimentación (2) destinada a ofrecer suministro de energía en caso de fallo de la fuente de alimentación principal (1) .

6. Sistema según reivindicación 5 caracterizado porque comprende al menos un diodo (3) basado en semiconductor tipo Shottky destinado a discrepar entre la fuente de alimentación principal (1) y la fuente secundaria de alimentación

(2) según mayor tensión; de tal manera que la fuente secundaria de alimentación (2) no es operativa cuando se dispone de la fuente de alimentación principal (1) .

7. Sistema según reivindicación 6 caracterizado porque adicionalmente comprende un convertidor (4) destinado a convertir una tensión de salida del diodo (3) en tensión constante.

8. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque adicionalmente comprende unos medios de entrada de datos que se seleccionan de entre el grupo consistente en: teclado, pulsadores, pantalla táctil y ratón.

9. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque adicionalmente comprende unos medios de salida de datos que se seleccionan de entre el grupo consistente en: señalizadores luminosos, pantalla y display.

10. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de fijación comprende una funda termorretráctil.

11. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque las uniones de los distintos elementos que configuran de carcasa así como las fijaciones realizadas entre los distintos elementos que se encuentran ubicados en su interior comprende uniones atornilladas que a su vez comprenden amortiguadores de goma.

12. Sistema según reivindicación 1 u 11 caracterizado porque las uniones de los distintos elementos que configuran de carcasa así como las fijaciones realizadas entre los distintos elementos que se encuentran ubicados en su interior comprenden uniones atornilladas que a su vez comprenden un adhesivo resistente a corrosión y vibraciones.

13. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque adicionalmente comprende un módulo de adquisición de señales que a su vez comprende una serie de tarjetas de entradas y

salidas para la gestión del sistema y sus elementos, donde dichas tarjetas se encuentran operativas para detección de fallo de desconexión de elementos conectados a las mismas.

14. Uso del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, como sistema de control de generación de energía a partir de una planta anaerobia para propulsión de un vehículo marítimo.

15. Uso según reivindicación 14 donde el vehículo marítimo es un submarino.


 

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