Sistema inversor de potencia accionado por motor, con cogeneración.

Un sistema combinado (10) de generación de calor y potencia de CA,

que comprende:

un motor de combustión interna (11), mecánicamente acoplado a un árbol rotativo;

un sistema de escape (20) para extraer los gases de combustión del motor;

un alternador (12) de imanes permanentes, que tiene un rotor mecánicamente acoplado al árbol y que generapotencia de CA;

medios de rectificación (13), destinados a convertir la potencia de CA procedente del alternador en potencia de CC;medios inversores (14) para convertir la potencia de CC procedente de los medios de rectificación en potencia deCA que tiene una amplitud y una frecuencia definidas diferentes de las de las salida de potencia de CA delalternador;

una camisa de agua (19) en torno al motor de combustión interna;

una camisa de agua (22) en torno al sistema de escape;

un intercambiador de calor (23);

medios (25) para hacer pasar agua a través de la camisa de agua dispuesta en torno al motor de combustión internay de la camisa de agua dispuesta en torno al sistema de escape, a fin de extraer calor del motor de combustióninterna y del sistema de escape, de tal modo que el calor extraído se utiliza para propósitos que incluyen calentar elaire de un edificio y calentar agua corriente;

un primer sensor (16) para detectar la velocidad del motor y proporcionar una primera señal;

un segundo sensor (17) para detectar la cantidad de potencia que está siendo suministrada como salida desde losmedios inversores y proporcionar una segunda señal;

una unidad de control electrónica (15), sensible a las primera y segunda señales con el fin de generar una señal decontrol para el inversor, a fin de controlar la cantidad de potencia que está siendo suministrada como salida desde elinversor y controlar, con ello, la velocidad del motor;

de tal manera que el motor siempre se hace funcionar a su eficiencia más alta, normalmente cerca de su punto decalado, con su válvula de combustible completamente abierta, y (a), a medida que la potencia consumida por lacarga se reduce, esto es detectado por el segundo sensor y la señal de control generada por la unidad de controlelectrónica hace que el inversor suministre como salida más potencia, que no es desperdiciada sino que incrementala carga en el motor y, con ello, ralentiza el motor para que, así, este funcione a una velocidad más eficiente paraproporcionar la cantidad reducida de potencia consumida por la carga, y (b), a medida que la potencia consumidapor la carga aumenta, esto es detectado por el segundo sensor y la señal de control generada por la unidad decontrol electrónica hace que el inversor suministre como salida menor potencia, que no es desperdiciada sino quereduce la carga en el motor y, con ello, acelera el motor para que, así, este funcione a una velocidad más eficientepara proporcionar la potencia incrementada que es consumida por la carga;

caracterizado por que la carga utiliza potencia de CA procedente tanto de una red de suministro de energía deempresa como del inversor, y cuando se hace que el inversor suministre como salida más potencia para ralentizar elmotor, el exceso de potencia suministrada como salida desde el inversor es devuelto a la red de suministro deenergía de empresa y no se desperdicia.

Sistema inversor de potencia accionado por motor, con cogeneración

Referencia cruzada a Solicitudes relacionadas Esta Solicitud reivindica el derecho de las siguientes Solicitudes de Patente Provisionales de los EE.UU.: de Serie Nº 60/554.026, presentada el 16 de marzo de 2004 a nombre de Joseph B. Gehret; de Serie Nº 60/554.031, presentada el 16 de marzo de 2004 a nombre de Joseph B. Gehret; de Serie Nº 60/554.063, presentada el 16 de marzo de 2004 a nombre de Joseph B. Gehret; de Serie Nº 60/553.737, presentada el 17 de marzo de 2004 a nombre de Joseph B. Gehret; y de Serie Nº 60/553.810, presentada el 17 de marzo de 2004 a nombre de Joseph B. Gehret.

Campo de la invención Esta invención se refiere generalmente al campo de la generación de energía eléctrica y, más particularmente, a un aparato generador e inversor accionado por motor, para generar energía, en el que la velocidad del motor es controlada de manera que se adapte a diferentes cargas de potencia desde el sistema, y el calor generado por el sistema es recogido y utilizado.

Antecedentes de la invención El documento US-A-5.323.081 divulga una planta de generación de energía electrónica con un motor de combustión interna. Los gases de escape procedentes del motor pasan a través de un intercambiador de calor dispuesto dentro de una camisa de agua, en torno al motor. El documento JP 07131999 A divulga un generador accionado por un motor, en una disposición tal, que el motor puede hacerse funcionar con la válvula de combustible completamente abierta, sin necesitad de llevar a cabo un control de la válvula de combustible.

En la técnica anterior, son bien conocidos los sistemas de generación de energía eléctrica que comprenden un motor, un generador, un rectificador y un inversor. Algunos de tales sistemas son sistemas combinados de calor y potencia (CHP –“Combined Heat and Power”) que se utilizan para la producción simultánea tanto de electricidad como de calor en un régimen continuo. Los sistemas de CPH son también conocidos como sistemas de cogeneración o de generación distribuida. En una planta de energía que no es de CPH, el calor generado es expulsado a la atmósfera. Esto no solo es un derroche, sino que es también perjudicial para el entorno, tanto en términos de contaminación térmica como debido a que la energía térmica que podría haberse utilizado tendrá que ser generada por otros medios, lo que generalmente provoca una contaminación adicional. En un sistema de CHP, el calor generado es recogido o captado y utilizado, lo que lleva a una utilización global más alta del combustible así como a un daño reducido en el entorno.

En general, resulta ventajoso instalar un sistema de CHP cerca del lugar de utilización del calor generado, puesto que la energía térmica, a diferencia de la energía eléctrica, es difícil de transportar. Esto rige para pequeños sistemas de CHP que pueden ser emplazados en las proximidades inmediatas de cualquier variedad de pequeñas cargas térmicas comerciales o institucionales.

En la actualidad, las instalaciones de CHP del tamaño inferior al megawatio se encuentran dominadas por sistemas de generación de energía que utilizan motores alternativos o de vaivén de gas natural. Su popularidad no es debida a ningún factor en especial, sino que, antes bien, se debe a su valor global cuando se ponderan todos los factores. Los factores son la eficiencia operativa, el coste de inversión, las emisiones de escape alcanzables, la infraestructura de servicio, la durabilidad, la recuperación del calor, etc. Nuevas tecnologías como las pilas de combustible y las turbinas están significando importantes avances en el campo y son prometedoras, pero los progresos son lentos debido a diversos problemas que implican el “equipo terminal” de estos sistemas. Ni las pilas de combustible ni las microturbinas provistas de regeneradores están al alcance en la actualidad ni constituyen alternativas prácticas a los generadores de motor para aplicaciones de CHP. Tanto las pilas de combustible como las microturbinas tienen un coste inicial inaceptablemente alto y han de ser fuertemente subsidiadas por sus fabricantes o por terceros con el fin de obtener una aceptación inicial en el mercado. Los generadores de motor, especialmente los que son accionados por motores de diversas motorizaciones para automoción, por el contrario, alcanzan un bajo coste, incluso en pequeñas cantidades, debido a que se benefician de los enormes ahorros de escala derivados de la producción en masa de tales motores.

Los fabricantes utilizan, por lo común, una de dos opciones de diseño del generador por lo que respecta a los sistemas de CHP de generador de CA [corriente alterna –“AC (alternating current) ”] accionado por motor. El primero de ellos es un generador de tipo “sincrónico”, la tecnología de alternador convencional que se utiliza en todo el mundo para aplicaciones de reserva y de suministro primario o principal. La segunda elección es el generador del tipo de “inducción”, que es, más o menos, un motor de inducción llevado por encima de las revoluciones o rpm de régimen sincrónico con el fin de exportar energía eléctrica a un bus de utilización instantánea. Si bien ambos tipos de generador constituyen tecnologías bien establecidas y fiables, ninguno de ellos resulta totalmente satisfactorio en aplicaciones de sistemas de CHP por las razones que se describen más adelante.

Las principales ventajas de un generador sincrónico son su capacidad de autonomía (es decir, la facultad de alimentar en energía la instalación durante un apagón) y que no se basa en la empresa para la corriente de magnetización o potencia reactiva. El funcionamiento autónomo o en “apagón” es cada vez más demandado por los clientes, dadas las recientes preocupaciones en cuanto a la seguridad con respecto a la red de suministro de energía central y también los muy publicitados apagones ocurridos en los EE.UU. y en Europa. Por lo que respecta al problema de la potencia reactiva, si bien no tiene un impacto en la eficiencia del sistema en sí, excepto por las pérdidas en las líneas, los atributos positivos de la máquina sincrónica constituyen un añadido definitivo. Sin embargo, y a pesar de estas ventajas, el generador sincrónico casi nunca se aplica a los sistemas de CHP pequeños debido a los siguientes problemas, que hacen que los pequeños grupos sincrónicos no sean prácticos.

1. Una resistencia a ultranza por parte de las empresas eléctricas a conceder la aprobación para la interconexión sin necesidad de caros sistemas de relés de seguridad. Los ingenieros de las empresas eléctricas temen que un sistema de CHP pueda electrificar inintencionadamente una porción de la red de suministro durante una interrupción en la alimentación eléctrica. Esto es un peligro para el equipo de la empresa y sus trabajadores. Algunos ingenieros de las empresas eléctricas requieren dos sistemas de seguridad completamente redundantes, en adecuación con la práctica del diseño de las subestaciones, para la protección contra este peligro. Ello constituye una carga económica inasumible para un sistema de CHP pequeño.

2. En su aplicación más común, un generador sincrónico pequeño se utiliza como una fuente de energía de reserva. Los controles, en esta aplicación, son simples y fiables. Cuando se utiliza en aplicaciones de CHP, por otra parte, la complejidad del sistema de control cambia drásticamente. El sistema de CHP ha de establecerse de manera que funcione tanto en paralelo con la red de suministro de la empresa como en un régimen autónomo. El funcionamiento en paralelo implica una compleja disposición de sincronizadores, controles de potencia reactiva, dispositivos de mando de doble ganancia (una para cada modo de funcionamiento) , y medidas de seguridad para evitar riesgos a los instaladores de líneas provocados por un efecto “isla” inadvertido (funcionamiento continuado del generador mientras se encuentra conectado a una sección aislada de la red de suministro de la empresa) , además de medidas de seguridad para evitar errores de sincronización. Sin embargo, el caso más general implicará múltiples sistemas de CHP funcionando en paralelo, para una filosofía de diseño modular, en cuyo caso el diseño del sistema de control se hace aún más complejo y deben considerarse factores tales como el adelanto / retardo, el compartimiento de la carga y el compartimiento de la potencia reactiva. Esto constituye también una carga económica insalvable para un sistema de CHP pequeño.

Como consecuencia de los problemas anteriormente descritos de los generadores sincrónicos, el mercado de los pequeños sistemas de CHP de motor... [Seguir leyendo]

1. Un sistema combinado (10) de generación de calor y potencia de CA, que comprende:

un motor de combustión interna (11) , mecánicamente acoplado a un árbol rotativo;

un sistema de escape (20) para extraer los gases de combustión del motor;

un alternador (12) de imanes permanentes, que tiene un rotor mecánicamente acoplado al árbol y que genera potencia de CA;

medios de rectificación (13) , destinados a convertir la potencia de CA procedente del alternador en potencia de CC;

medios inversores (14) para convertir la potencia de CC procedente de los medios de rectificación en potencia de CA que tiene una amplitud y una frecuencia definidas diferentes de las de las salida de potencia de CA del alternador;

una camisa de agua (19) en torno al motor de combustión interna;

una camisa de agua (22) en torno al sistema de escape;

un intercambiador de calor (23) ;

medios (25) para hacer pasar agua a través de la camisa de agua dispuesta en torno al motor de combustión interna y de la camisa de agua dispuesta en torno al sistema de escape, a fin de extraer calor del motor de combustión interna y del sistema de escape, de tal modo que el calor extraído se utiliza para propósitos que incluyen calentar el aire de un edificio y calentar agua corriente;

un primer sensor (16) para detectar la velocidad del motor y proporcionar una primera señal;

un segundo sensor (17) para detectar la cantidad de potencia que está siendo suministrada como salida desde los medios inversores y proporcionar una segunda señal;

una unidad de control electrónica (15) , sensible a las primera y segunda señales con el fin de generar una señal de control para el inversor, a fin de controlar la cantidad de potencia que está siendo suministrada como salida desde el inversor y controlar, con ello, la velocidad del motor;

de tal manera que el motor siempre se hace funcionar a su eficiencia más alta, normalmente cerca de su punto de calado, con su válvula de combustible completamente abierta, y (a) , a medida que la potencia consumida por la carga se reduce, esto es detectado por el segundo sensor y la señal de control generada por la unidad de control electrónica hace que el inversor suministre como salida más potencia, que no es desperdiciada sino que incrementa la carga en el motor y, con ello, ralentiza el motor para que, así, este funcione a una velocidad más eficiente para proporcionar la cantidad reducida de potencia consumida por la carga, y (b) , a medida que la potencia consumida por la carga aumenta, esto es detectado por el segundo sensor y la señal de control generada por la unidad de control electrónica hace que el inversor suministre como salida menor potencia, que no es desperdiciada sino que reduce la carga en el motor y, con ello, acelera el motor para que, así, este funcione a una velocidad más eficiente para proporcionar la potencia incrementada que es consumida por la carga;

caracterizado por que la carga utiliza potencia de CA procedente tanto de una red de suministro de energía de empresa como del inversor, y cuando se hace que el inversor suministre como salida más potencia para ralentizar el motor, el exceso de potencia suministrada como salida desde el inversor es devuelto a la red de suministro de energía de empresa y no se desperdicia.

2. El sistema combinado de generación de calor y potencia de CA de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una camisa de agua (21) dispuesta en torno al alternador, y los medios para hacer pasar agua fuerzan el paso de agua a través de la camisa de agua del alternador.

3. El sistema combinado de generación de calor y potencia de CA de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende adicionalmente un tanque de agua (24) para albergar agua una vez que esta ha pasado a través del intercambiador de calor.

4. El sistema combinado de generación de calor y potencia de CA de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual los medios para hacer pasar agua comprenden una bomba de agua (25) para bombear agua desde el tanque de agua a las camisas de agua del motor, del alternador y del sistema de escape.

5. El sistema combinado de generación de calor y potencia de CA de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los medios inversores (14) son unos medios inversores de accionamiento de frecuencia variable destinados a convertir la potencia de CC procedente de los medios de rectificación (13) , a fin de suministrar como salida potencia de CA para una carga, y la potencia suministrada como salida desde los medios inversores variables tiene una amplitud y diferentes frecuencias según se requiere por la carga para funcionar de manera más eficaz.

6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el alternador (12) es un alternador de imanes permanentes que tiene estatores de metal amorfo, y la salida de potencia de CA procedente del alternador es a una frecuencia que es diferente de la frecuencia de la salida de potencia de CA desde el alternador a la carga.

7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual cuanto más cerca es accionado el motor de su punto de calado, más lentamente marchará el motor, y cuanto más lejos es accionado el motor de su punto de calado, más rápido marchará el motor.

8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los medios inversores (14) consisten en un inversor de accionamiento de frecuencia variable que se utiliza para suministrar como salida potencia que tiene una amplitud y

diferentes frecuencias, según se requiere por la carga cuando la carga requiere diferentes cantidades de potencia a diferentes frecuencias, a fin de hacer que la carga funcione de forma más eficiente.