Sistema y procedimiento para iluminación de túneles mediante energía fotovoltaica.

Sistema y procedimiento para iluminación de túneles mediante energía fotovoltaica,

que permite la iluminación variable del túnel respondiendo a las necesidades de seguridad frente a la irradiación del exterior de forma óptima gracias a la integración de la energía renovable, el almacenamiento energético y las mínimas pérdidas en el suministro de energía de la red.

Sistema y procedimiento para iluminación de túneles mediante energía fotovoltaica Sector de la técnica

La invención se refiere a los sistemas de alimentación y control destinados a iluminación, y más particularmente, aplicados a la iluminación de túneles mediante generadores fotovoltaicos, iluminación regulable con LEDs.

Estado anterior de la técnica

El estado de la técnica anterior a la invención se encuentra recogido en numerosas publicaciones patentes y algunas publicaciones académicas, de las cuales a continuación se listan las más relevantes.

El documento EP2373127 (A2) - Method and control module for controlling the lighting level in a Street tunnel, describe un método para regular el nivel de luz en un túnel para mejorar la eficiencia, pero sin especificar el origen o control de la energía suministrada a esa iluminación para funcionar.

Por otro lado el documento WO2011097871 (A1) - REMOTE DISTRIBUTED

INTELLIGENT CONTROL SYSTEM FOR SOLAR PHOTOVOLTAIC STREET LAMPS AND CONTROL METHOD THEREOF describe un sistema de control para farolas fotovoltaicas y un método de control entre ellas.

Descripción de la invención

La instalación generadora de energía fotovoltaica ofrece la característica de autoabastecimiento (parcial o total) de la instalación. La justificación de la elección de esta naturaleza de fuente renovable ha sido por la necesidad de mayor potencia de iluminación cuanto mayor es la irradiancia solar externa (mayor aporte de fotovoltaica), y viceversa. La electrónica de potencia asociada se encarga, en condiciones normales, de la máxima extracción de potencia renovable, a excepción de situaciones en la que el gestor energético comande la limitación de ésta.

La integración de un sistema de almacenamiento eléctrico en el sistema permite desacoplar la fuente de generación fotovoltaica del consumo de las luminarias y auxiliares del túnel. En condiciones en las que producción fotovoltaica es mayor que el consumo se pretenderá almacenar energía en los acumuladores. Normalmente esta situación se dará en la franja horaria del día de mayor irradiancia solar. Durante la noche, con producción fotovoltaica nula, la instalación se abastece a partir de la energía acumulada durante el día. En las franjas horarias que restan, la potencia media de consumo será del orden de la producida, operando el sistema de almacenamiento como amortiguador de transitorios, y ante desequilibrios entre ambas, y faltas de suministro de la red eléctrica.

Si la instalación se encuentra aislada de la red eléctrica convencional (o de cualquier otra), el sistema gestor se encarga de llevar sus niveles de almacenamiento a los valores óptimos que aseguren el abastecimiento de consumo la misma. Al comienzo de la noche, los acumuladores poseerán la energía necesaria para asegurar el consumo nocturno. En este tipo de instalaciones se podrá disponer de un sistema diesel de generación auxiliar, el cual permitirá asegurar el abastecimiento en las épocas del año de menor irradiancia, sin necesidad de sobredimensionar la potencia máxima fotovoltaica instalada.

Por el contrario, si existe conexión a red de la instalación del túnel, los patrones de funcionamiento del sistema gestor primarán el autoabastecimiento, ya que supondría un coste adicional, a excepción de situaciones anuales puntuales de baja irradiancia (como ocurría en el apartado anterior con el grupo de apoyo).

Si la inyección de potencia a red es permitida y remunerada, el sistema gestor se encargará de optimizar el empleo de la potencia en situaciones de excedente de producción. Con ello valorará si dicha energía debe ser almacenada o inyectada a la red. Ello se realiza en función de la previsión de irradiancia en días siguientes, de la ganancia económica por la inyección y de los costes por consumo, según franjas horarias.

Por otro lado, se implementan procedimientos de control de las luminarias por sectores independientes, permitiendo el funcionamiento de éstas sólo en las zonas donde realmente son necesarias, en función de la afluencia de vehículos. Además es implementada una regulación de la intensidad de la iluminación en función de la

irradiancia exterior y el sector del túnel en cuestión (zona umbral de entrada o salida, interior, etc.). El sector de entrada es adaptado según la luminancia natural externa, siempre cumpliendo la normativa vigente, ofreciendo una degradación progresiva conforme el vehículo se adentra en el túnel, y reduciéndose así el consumo en la mayor parte del mismo. En la zona salida se vuelve a adaptar progresivamente la iluminación a las condiciones ambientales de mayor intensidad por la luz exterior, sin que se produzca un deslumbramiento excesivo. De esta manera se consigue un consumo eficiente de la instalación salvaguardando la seguridad de los usuarios de la infraestructura.

El sistema de adaptación de la intensidad lumínica, funciona detectando a distancia la futura presencia de un vehículo en el túnel. Este sistema considera las condiciones ambientales de la entrada del túnel, por medio de sensores de luminosidad y realiza una adaptación de los niveles luminosos en base a las mismas y a las condiciones de tráfico que se calculan desde las señales recogidas por los sensores de presencia de vehículos.

Los sensores de presencia de vehículos se sitúan a una distancia antes de la entrada del túnel, suficiente para que el tiempo de detección y proceso sea adecuado, modificando las condiciones lumínicas a tiempo. Esta distancia será calculada en función de la distancia de parada por visibilidad (SSD Stopping Sight Distance).

Los sensores de luminosidad se situarán dentro del túnel en el techo, centrados en las zonas que se divida el túnel. Entre zonas, se situarán sensores de presencia que detectan el paso de vehículos entre ellas.

La luminosidad se regula por medio de luminarias de tecnología LED con encendido instantáneo, regulables y controladas por un bus de comunicaciones de campo, o bien mediante comunicación inalámbrica.

El sistema de monitorización aportará al sistema de control central todos los datos necesarios para que éste pueda realizar los algoritmos de control y actuación adecuados sobre el sistema de iluminación y conseguir los niveles idóneos de iluminación para cada uno de los escenarios y tipos de túneles.

El sistema de monitorización está formado por tres subsistemas que detectan distintas variables de interés para el control del sistema: sistema de medida de iluminación,

sistema de detección de aproximación de vehículo, sistema de detección de paso de vehículo.

El problema técnico que se plantea para la iluminación eficiente de un túnel es la de conseguir la integración de la generación renovable fotovoltaica en el suministro energético de la iluminación de los túneles.

Este problema no queda bien resuelto en el estado de la técnica encontrado, ya que aunque se ha tratado por separado para distintos tipos de iluminación viaria, no existe combinado en una aplicación como un túnel.

Por una parte existe una extensa literatura respecto a la regulación de la intensidad lumínica en función de parámetros y condiciones de la vía, como por ejemplo el tráfico, o meteorológicas como la radiación solar exterior como se ha visto en la sección anterior.

Al mismo tiempo, y con diferentes enfoques, también hay algunos documentos que describen formas de gestionar alimentación de la iluminación viaria con fuentes fotovoltaicas, pero en no en relación a túneles ni de forma centralizada.

Por tanto, la invención consiste en un sistema y un método de control de energía para la iluminación de túneles, combinando producción fotovoltaica, almacenamiento de energía, regulación de la intensidad luminosa y adaptación al número de vehículos que se encuentren circulando en ese momento por la vía, cuyas características combinadas producen resultados no evidentes y proporcionan una solución mejor que las disponibles en el estado de la técnica.

Las ventajas de este nuevo sistema son de dos tipos. Por un lado la utilización de la generación fotovoltaica para suministrar la electricidad necesaria que consume la iluminación del túnel, supone una combinación especialmente adecuada, ya que tanto por obligación de la normativa de seguridad, como por sentido común, el nivel luminoso en el interior del túnel está proporcionalmente relacionado con el nivel de radiación solar exterior, que a su vez aumenta la producción de energía eléctrica fotovoltaica.

Esta ventaja supone un ahorro en los sistemas de almacenamiento y gestión energética que van asociados a la integración local...

1. Sistema para iluminación de túneles mediante energía fotovoltaica,

caracterizado porque comprende:

una instalación fotovoltaica (1) situada en el exterior del túnel sobre la entrada al mismo, provista de un conjunto de paneles fotovoltaicos (10) y al menos un convertidor electrónico de corriente continua a continua (2) que a su vez comprende medios para el seguimiento del punto de máxima potencia de los paneles (10),

sistema de almacenamiento energético eléctrico (8) basado en baterías y/o supercondensadores (9),

un inversor CC/CC (3) de conexión a red con medios para operar en isla en caso de fallo de red,

al menos un sensor de presencia (20) para la detección de vehículos,

al menos un sensor fotométrico (19) de medida de la luminosidad en cada sector del túnel,

Sistema de iluminación comprendiendo al menos una lámpara o luminaria tipo LED regulable (15) y

Sistema de control y monitorización (17).

2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado además porque: los sensores tienen comunicación inalámbrica con el sistema de control y monitorización (17)

3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado además: porque las lámparas regulables tienen comunicación inalámbrica con el sistema de control y monitorización (17).

4. Procedimiento para iluminación de túneles mediante energía fotovoltaica basado en el sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

a. comprobar (21) si la potencia producida (Pp) por los paneles es cero; en caso de resultar negativo, comparar (22) la potencia producida por los paneles fotovoltaicos con la potencia consumida (Pc) por las líneas de iluminación; en caso de ser superior la primera, comprobar (23) si el

nivel de carga (CA) del almacenamiento energético es del 100%; en caso contrario, comparar (24) si el exceso de producción es inferior a la potencia de carga nominal del almacenamiento (PAnom); en caso de ser así, realizar (25) la carga de baterías y no consumir energía de la red eléctrica convencional (PR);

b. si la comparación (24) anterior es negativa, cargar (26) al máximo el almacenamiento energético y utilizar el resto de energía producida o bien para alimentar las cargas o bien para verter a la red la energía sobrante;

c. Si la comparación (23) anterior es negativa, verter toda la energía sobrante a la red a través del transformador de distribución de la red eléctrica convencional;

d. Si la comparación (22) anterior es negativa, comprobar (28) que la carga de baterías (CA) es mayor que cero; en caso afirmativo, comprobar (30) , que el consumo menos la producción es menor que la potencia nominal del almacenamiento energético; en caso afirmativo, determinar (31) que el almacenamiento energético suministra el resto de energía para alimentar la carga sin tomar energía de la red;

e. Si la comparación (30) anterior es negativa, tomar (32) el resto de la potencia de la red;

f. Si la comparación (28) anterior es negativa, suministrar (29) toda la diferencia entre la producción y consumo desde la red; y

g. Si la comparación (21) anterior es positiva, medir (33) la carga del almacenamiento energético (CA); en caso de que la carga del almacenamiento energético sea cero, alimentar (34) la carga íntegramente de la red (34); en caso contrario, comparar (35) la potencia consumida (Pc) y la potencia nominal del almacenamiento; si la comparación es positiva, suministrar (37) toda la carga por parte del almacenamiento energético; y en caso de no serlo, alimentar (36) la carga desde la potencia nominal del almacenamiento (PAnom) y suministrar el resto desde la red (PR).