SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA DE UTILIDAD EN ARRANQUES Y REGULACIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS.

Sistema de almacenamiento de energía de utilidad en arranques y regulación de sistemas eléctricos. Campo técnico de la invención La presente invención se encuadra en el campo técnico de los dispositivos de acumulación y aprovechamiento de energía disponible en aparatos en movimiento o excedente por algún otro motivo en un sistema eléctrico, entregando dicha energía en un tiempo reducido -es decir, con potencia elevada-, de modo que aquélla pueda aprovecharse en, por ejemplo, el arranque o regulación de sistemas eléctricos, que se caracterizan por la demanda de grandes cantidades de energía en poco tiempo. El sistema es capaz de absorber dicha energía también en un intervalo corto de tiempo -es decir, a potencia elevada-. Antecedentes de la invención La acumulación de energía en sistemas eléctricos tiene una gran importancia, ya que mediante su aplicación se consigue optimizar los procesos de arranque para así conseguir reducir el consumo energético de los mismos. Por lo tanto, se considera que la optimización de los procesos de arranque mediante sistemas de almacenamiento de energía supondrá un gran ahorro económico y medioambiental. Conseguir almacenar energía con elevadas densidades de energía y potencia junto con elevados rendimientos constituye uno de los principales campos de investigación que se tienen actualmente. Se busca conseguir la mayor acumulación posible de energía, mediante el mínimo peso y volumen posible, junto con tiempos de carga y descarga adecuados a cada aplicación. Los sistemas más comunes de almacenamiento existentes en la actualidad son los siguientes: - Baterías de flujo (Pilas de combustible regenerativas) en las que una pila de combustible reversible almacena y libera electricidad por medio de una reacción electroquímica, que ocurre cuando el electrolito fluye a través de una membrana de la célula. - Baterías recargables con baterías de alta temperatura NaS que contienen azufre líquido y sodio separados por un electrolito de cerámica sólido y las baterías de iones de litio (Li-ion) que contienen óxidos de elementos metálicos y de carbono separados por un electrolito que contiene sales de litio. - Supercapacitadores que comprenden dos electrodos de polaridad opuesta que están separados por un electrolito y almacenan cargas eléctricas opuestas de igual magnitud en la superficie de cada placa de electrodos y durante la descarga se genera una corriente. - Almacenamiento de hidrógeno de acuerdo con el que se electroliza agua en hidrógeno (y oxígeno) y el cual es almacenado en estado comprimido, y el hidrógeno se utiliza para generar energía mediante una pila de combustible o un motor cuando es necesario. Existen adicionalmente sistemas de acumulación de energía elástica mediante la utilización de resortes espirales fabricados con materiales compuestos, tal y como se describe en la solicitud de patente EP-A-2097655 (Elastodynamic Energy Accumulator-Regulator) con respecto a aerogeneradores eléctricos, vehículos y sistemas de alimentación ininterrumpida. La problemática de elevados consumos en los procesos de arranque se presenta en la mayor parte de sistemas eléctricos. Por ejemplo, por lo general la puesta en marcha de una máquina eléctrica conlleva un gran consumo de energía eléctrica y la necesidad adicional de tener que desarrollar un elevado par para vencer la inercia resistente a la que se encuentra el motor en reposo llegándose a consumir varias veces la intensidad nominal de funcionamiento durante dicho periodo y generándose un sobrecalentamiento del motor. Existen sistemas de arranque con reducción de tensión como son los arranques estrella/triángulo, arranques con auto-transformador, los arranques de resistencia primaria o los arranques suaves. Aunque dichos sistemas permiten llegar a mejorar los problemas anteriormente descritos, los resultados no son los más favorables, produciéndose bajos rendimientos, elevados consumos, deterioro del motor eléctrico, dificultad de control y un sobrecoste añadido por la introducción de estos sistemas. Otro ejemplo serían los sistemas de generación eléctrica de emergencia de las grandes instalaciones eléctricas: desde el corte de suministro hasta la puesta en marcha de los generadores auxiliares suele pasar un corto tiempo, durante el cual no existe suministro. Esto puede ser un gran inconveniente en hospitales, aeropuertos, etc. Un sistema capaz de suministrar una cantidad pequeña de energía en un tiempo corto, sin gastos inútiles de energía en arranque de motores eléctricos, solucionaría este inconveniente. 2 ES 2 353 483 A1 Lo mismo sucede, por ejemplo, en vehículos: por lo general, en el arranque es necesaria una mayor cantidad de energía, por la aceleración necesaria de toda la masa. Si el vehículo es, además, eléctrico, a este efecto se le une la necesidad de mayor cantidad de energía para el arranque del motor. La contribución a la resolución de estos problemas haría también posible la mejora de los sistemas actuales de regulación de energía, que aportan energía cuando ésta falta en el sistema al que están conectados, y absorben energía de éste cuando existe en él un excedente: un sistema sencillo y de bajo coste como el presentado, capaz de entregar y absorber una cantidad industrialmente relevante de energía en intervalos cortos de tiempo -es decir, a potencias elevadas- es de aplicación inmediata y ventajosa en regulación. Utilizando resortes espirales fabricados con elevada capacidad de absorción y entrega de energía en forma elástica (por ejemplo, los materiales compuestos -composites- con matriz polimérica y refuerzo de fibra de vidrio, carbono, etc., aunque posteriormente se citarán más ejemplos), es posible transmitir un par mecánico elevado durante un número de revoluciones considerable. Esto permite disponer de la energía en las condiciones necesarias para el arranque. Los sistemas de acumulación de energía antes descritos adolecen de inconvenientes tales como un coste elevado, una eficiencia energética poco favorable, una seguridad de funcionamiento limitada y/o una vida útil poco duradera. Descripción de la invención La presente invención tiene por objeto superar los inconvenientes del estado de la técnica más arriba detallados, mediante un sistema de almacenamiento de energía de utilidad en arranques y regulación de sistemas eléctricos, que comprende un dispositivo de almacenamiento de energía que comprende al menos un resorte espiral alojado en una carcasa y dispuesto en un eje giratorio para almacenar energía mecánica cuando el eje giratorio gira en un primer sentido de carga tensando el resorte espiral, y para liberar energía mecánica almacenada en el resorte espiral cuando el eje giratorio gira en un segundo sentido, opuesto al primer sentido, en el que se descarga el resorte espiral; medios de carga para entregar energía generada por un motor eléctrico al dispositivo de almacenamiento de energía; medios de descarga de energía almacenada para transmitir energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía a un generador de energía eléctrica; y medios de control conectados, por una parte, a los medios de carga, a los medios de descarga y al dispositivo de almacenamiento, y, por otra, a un sistema de control; cuyo sistema comprende una máquina eléctrica capaz de actuar como motor eléctrico y como generador de energía eléctrica, y que está controlada mediante electrónica de potencia; comprende un elemento de frenado y sujeción conectado al eje giratorio y controlado por medios de control de enclavamiento, para mantener el resorte espiral alternativamente en una situación bloqueada en la que el eje giratorio no gira o en una situación liberada en la que el giro del eje giratorio en dicho primer sentido accionado por los medios de carga tensa el resorte espiral para almacenar energía mecánica, mientras que el giro del eje giratorio en el segundo sentido libera la energía mecánica almacenada en el resorte espiral; los medios de descarga comprenden un sistema de transmisión de movimientos giratorios y un sistema de variación de par y velocidad; el sistema de transmisión está interconectado entre dicha máquina electrónica y el sistema de variación de par y velocidad, y el sistema de variación de par y velocidad está interconectado entre el sistema de transmisión y el eje giratorio del dispositivo de almacenamiento; cuando es alimentada con electricidad, la máquina eléctrica (9) funciona como motor eléctrico que tensa el resorte espiral (1), mientras que cuando el resorte espiral (1) libera energía mecánica, la máquina eléctrica (9) funciona como generador de electricidad; de forma que el sistema absorbe o entrega energía mediante su acoplamiento a la máquina eléctrica (9) que, controlada mediante la electrónica de potencia (10), convierte la energía...

1. Sistema de almacenamiento de energía de utilidad en arranques y regulación de sistemas eléctricos, que comprende un dispositivo de almacenamiento de energía que comprende al menos un resorte espiral alojado en una carcasa y dispuesto en un eje giratorio para almacenar energía mecánica cuando el eje giratorio gira en un primer sentido de carga tensando el resorte espiral, y para liberar energía mecánica almacenada en resorte espiral cuando el eje giratorio gira en un segundo sentido, opuesto al primer sentido, en el que se descarga el resorte espiral; medios de carga para entregar la energía mecánica generada por un motor eléctrico al dispositivo de almacenamiento de energía, medios de descarga de energía almacenada para transmitir energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía a un generador de energía eléctrica; y medios de control conectados, por una parte a los medios de carga, a los medios de descarga y al dispositivo de almacenamiento y, por otra, a un sistema de control, caracterizado porque comprende una máquina eléctrica (9) capaz de actuar como motor eléctrico y como generador de energía eléctrica, y que está controlada mediante electrónica de potencia (10); comprende un elemento de frenado y sujeción (5) conectado al eje giratorio (4) y controlado por medios de control de enclavamiento (7), para mantener el resorte espiral (1) alternativamente en una situación bloqueada en la que el eje giratorio (1) no gira o en una situación liberada en la que el giro del eje giratorio (1) en dicho primer sentido accionado por los medios de carga (9) tensa el resorte espiral (1) para almacenar energía mecánica, mientras que el giro del eje giratorio (1) en el segundo sentido libera la energía mecánica almacenada en el resorte espiral (1); los medios de descarga comprenden un sistema de transmisión de movimientos giratorios (8), y un sistema de variación de par y velocidad (6); el sistema de transmisión (8) está interconectado entre dicha máquina eléctrica (9) y el sistema de variación de par y velocidad (6), y el sistema de variación de par y velocidad (6) está interconectado entre el sistema de transmisión (8) y el eje giratorio (4) del dispositivo de almacenamiento; cuando es alimentada con electricidad, la máquina eléctrica (9) funciona como motor eléctrico que tensa el resorte espiral (1), mientras que cuando el resorte espiral (1) libera energía mecánica, la máquina eléctrica (9) funciona como generador de electricidad; de forma que el sistema absorbe o entrega energía mediante su acoplamiento a la máquina eléctrica (9) que, controlada mediante la electrónica de potencia (10), convierte la energía mecánica almacenada en el resorte (1) en energía eléctrica y viceversa, para arranque de motores eléctricos o regulación de sistemas o redes eléctricas. 2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de energía comprende al menos un conjunto de resortes espirales (1) conectados al eje giratorio (4). 3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el elemento de frenado y sujeción (5) comprende un mecanismo de trinquete dispuesto en el eje giratorio (4). 4. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el elemento de frenado y sujeción (5) comprende un dispositivo de frenado dispuesto en el eje giratorio (4) y controlado por medios de control de frenado. 5. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de frenado es un freno de disco. 6. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de frenado es un freno electromagnético. 7. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de energía comprende una pluralidad de resortes espirales (1) dispuestos en serie en el eje giratorio (4). 8. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de energía comprende una pluralidad de resortes espirales (1) dispuestos en serie en el eje giratorio (4), y porque el eje giratorio (4) está conectado a al menos un eje giratorio auxiliar en el que está montada una pluralidad de resortes espirales (1) adicionales dispuestos en serie. 8 ES 2 353 483 A1 9. Sistema según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque los resortes espirales (1) del dispositivo de almacenamiento de energía están respectivamente dispuestos entre dos elementos de unión (12, 12, 13) dispuestos en el eje giratorio (4); los elementos de unión (12, 12, 13) comprenden un primer elemento de unión extremo (13) y un segundo elemento de unión extremo (13), y al menos un elemento de unión intermedio (25) susceptible de girar sobre el eje giratorio (4); uno de los elementos de unión extremos (12, 13) es solidario al eje giratorio (4) y gira con el eje giratorio (4), y el otro es estacionario y no gira con el eje giratorio (4); cada resorte espiral (1) está unido por un extremo a una parte central de un elemento de unión (12, 12, 13) y por otro extremo a una parte periférica del elemento de unión contiguo (12, 12, 13). 10. Sistema según la reivindicación 8, caracterizado porque cada resorte espiral (1) está dispuesto entre una superficie frontal y una superficie posterior de sendos elementos de unión contiguos (12, 12, 13), y está periféricamente rodeado por un cuerpo anular (12a, 12a) de un elemento de unión (12, 12); el cuerpo anular (12a, 12a) comprende un lado abierto, un lado cerrado por una pared (12c, 12c) y una superficie interna anular (12b, 12b), que entre sí forman una cavidad interior; al menos uno de los elementos de unión extremos (12, 13) y cada elemento de unión intermedio (12) respectivamente presenta un saliente cilíndrico (12d, 12d, 13b) central con un diámetro menor que el cuerpo anular (25a, 25a) y que emerge de su superficie frontal; cada saliente cilíndrico presenta un paso axial (12e, 12e, 13c) atravesado por el eje giratorio (4); el primer extremo de cada resorte espiral (1) está fijado al saliente cilíndrico (25d, 25d, 26b) de un elemento de unión (25, 25, 26) y el segundo extremo de cada resorte espiral (1) está fijado en el cuerpo anular (25a, 25a) del elemento de unión contiguo (25, 25); los elementos de unión (25, 25, 26) están inmovilizados unos respecto de otros; de forma que el giro del eje giratorio (1) en dicho primer sentido sucesivamente tensa los resortes espirales (1) dispuestos entre los elementos de unión (25, 25, 26), y el giro del eje giratorio (1) en dicho segundo sentido sucesivamente libera los resortes espirales (1) dispuestos entre los elementos de unión (25, 25, 26). 11. Sistema según la reivindicación 9, caracterizado porque el elemento de unión extremo estacionario (26) comprende un cuerpo discoidal (26a) de cuya superficie frontal emerge dicho saliente cilíndrico (26b). 12. Sistema según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque al menos un resorte espiral (1) comprende un primer cuerpo espiral (1A) y un segundo cuerpo espiral (1B) dispuestos en desfase entre sí, estando cada cuerpo espiral (1A, 1B) unido por un extremo a una primera parte de dicha parte central de un elemento de unión (25, 25, 26) y por otro extremo a una segunda parte de dicha parte periférica del elemento de unión contiguo (25, 25, 26), quedando las respectivas espiras de los cuerpos espirales (1A, 1B) dispuestas en alternancia y concéntricamente. 13. Sistema según la reivindicación 11, caracterizado porque el desfase de los cuerpos espirales (1A, 1B) está comprendido entre 180º y 45º. 9 ES 2 353 483 A1 ES 2 353 483 A1 11 ES 2 353 483 A1 12 ES 2 353 483 A1 13 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA