MXPA00011366A - Sistema de energia. - Google Patents

Abstract

Una modalidad de ejemplo de la invencion es un sistema de energia para proporcionar energia a una carga critica. El sistema incluye una primera fuente de energia (102, 104, 106, 108) que produce suficiente energia para suministrar la carga critica (114) , y una segunda fuente de energia (110), independientemente de la primera fuente de energia. La segunda fuente de energia (110) proporciona suficiente energia para suministrarse a la carga critica. El sistema tambien incluye un dispositivo giratorio (152) que tiene un primer circuito de entrada de energia (entrada de AC 1) y un segundo circuito de entrada de energia (entrada de AC 2). La segunda fuente de energia (110) se acopla con el dispositivo giratorio (152) en el segundo circuito de entrada de energia (entrada de AC 2). Un interruptor de transferencia (128) acopla selectivamente la primera fuente de energia (102, 104, 106, 108) con el primer circuito de entrada de energia (entrada de AC 1) y con el segundo circuito de entrada de energia (circuito de entrada de AC 2).

Description

SISTEMA DE ENERGÍA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La invención se refiere en general a sistemas de energía, y en particular a un sistema de energía que incorpora fuentes de energía auxiliares redundantes para proporcionar energía de alta confiabilidad a las cargas críticas. El procesamiento de datos electrónico (EDP) es una parte crecientemente importante de las operaciones comerciales de la actualidad. Se utilizan computadoras en todos los aspectos de los negocios modernos, incluyendo conducción de transacciones, control de producción, y mantenimiento de datos. Si las computadoras se hacen inoperativas, pueden costar a ciertos negocios el orden de millones de dólares por minuto. Una causa conocida de falla de computadoras es una interrupción en la fuente de energía de la computadora. Las computadoras utilizadas para el procesamiento de datos electrónicos son sensibles a las interrupciones de energía, e inclusive una breve interrupción o falla puede hacer que funcione mal la computadora. La Figura 1 es una gráfica de una curva de la Computer Business Equipment Manufacturers Association (CBEMA) , que ha sido adoptada por el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) como el Estándar 446-1987, indicando que una computadora puede tolerar una interrupción de energía de medio ciclo u 8.3 milisegundos . La energía disponible en las rejillas de servicio existentes (energía industrial) no pueden satisfacer el requerimiento de alta confiabilidad de la energía del equipo de computación moderno. Un negocio que opere y se apoye en el equipo de procesamiento de datos electrónicos no puede apoyarse en la energía industrial, dadas las numerosas y largas interrupciones. De acuerdo con lo anterior, se requieren sistemas de energía de alta calidad.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Los inconvenientes y deficiencias anteriormente mencionados y otros de la técnica anterior, se superan o se alivian mediante el sistema de energía de la presente invención. Una modalidad de ejemplo de la invención es un sistema de energía para proporcionar energía a una carga crítica. El sistema incluye una primera fuente de energía que produce suficiente energía para suministrar a la carga crítica, y a una segunda fuente de energía, independiente de la primera fuente de energía. La segunda fuente de energía produce suficiente energía para suministrar a la carga crítica. El sistema también incluye un dispositivo giratorio que tiene un primer circuito de entrada de energía y un segundo circuito de entrada de energía. La segunda fuente de energía se acopla con el dispositivo giratorio en el segundo circuito de entrada de energía. Un interruptor de transferencia acopla selectivamente la primera fuente de energía con el primer circuito de entrada de energía y el segundo circuito de entrada de energía. Las características y ventajas anteriormente mencionadas y otras de la presente invención serán apreciadas y entendidas por los expertos en la materia, a partir de la siguiente descripción detallada y de los dibujos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Haciendo ahora referencia a los dibujos, en donde los elementos iguales están numerados iguales en las diferentes figuras: La Figura 1 es una gráfica que ilustra la demanda de confiabilidad de energía del equipo de computación moderno . La Figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema de energía que incluye los componentes de la presente invención. La Figura 3 es una diagrama de bloques de una porción del sistema de energía de la Figura 2. La Figura 4 es un diagrama de bloques de un sistema de energía que incluye los componentes de la presente invención. La Figura 5 es un diagrama de bloques de un sistema de energía que incluye los componentes de la presente invención. La Figura 6 es un diagrama de bloques de una fuente de energía alternativa de conformidad con la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La Figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema de energía en una modalidad de ejemplo de la invención. Los componentes de la invención se describen con referencia a la Figura 2, pero se entiende que la Figura 2 es solamente una configuración de ejemplo. El sistema utiliza fuentes de energía redundantes en la forma de las fuentes de energía, 102, 104, 106, y 108, y un sistema de energía secundario 110. El sistema de energía secundario 110 puede incluir fuentes de energía alternativas, tales como líneas de servicio, generadores, baterías, etcétera. El sistema de energía secundario 110 también puede incluir celdas de combustible. El sistema de energía secundario 110 alimenta a un tablero de interruptores 111 o barra colectora C. Las fuentes de energía 102, 104, 106, y 108 pueden ser celdas de combustible, tales como la PC25 disponible en Onsi Corporation. Aunque la Figura 2 ilustra celdas de combustible como las fuentes de energía 102, 104, 106, y 108, se entiende que se pueden utilizar otras fuentes de energía, y la invención no está limitada a las celdas de combustible. Sin embargo, una ventaja de utilizar celdas de combustible, es que las celdas de combustible producen calor como un subproducto, que puede ser utilizado por el consumidor para sufragar otros costos. La modalidad mostrada en la Figura 2 está diseñada para utilizarse con un requerimiento de carga crítica de 350 kw. Las celdas de combustible 102 y 104 pueden suministrar toda la carga crítica a través de una primera barra colectora A. Las celdas de combustibles 106 y 108 suministran energía a una segunda barra colectora B, que también puede suministrar toda la carga crítica si es necesario (es decir, si no opera la barra colectora A) . La barra colectora C se interconecta con la barra colectora A y la barra colectora B, de tal manera que la barra colectora C sirve como un nivel adicional de respaldo para la barra colectora A y la barra colectora B. La barra colectora C puede suministrar las cargas de la barra colectora A y de la barra colectora B a través de un número de métodos, dependiendo de los deseos y las necesidades del cliente. Estos métodos incluyen, pero no se limitan a: (1) conexión directa al segundo o tercer polo de la fuente de un interruptor de transferencia automático o dispositivo giratorio de la barra colectora A o de la barra colectora B, (2) conexión directa al segundo o tercer polo de la fuente de un interruptor de transferencia automático proporcionado por el cliente en proximidad a la carga, (3) a través del segundo polo de la fuente de un interruptor de transferencia automático o dispositivo giratorio de la barra colectora A, por medio de la salida de un interruptor de transferencia automática que tenga la barra colectora B como su fuente preferida, y la barra colectora C como su segunda fuente, (4) a través del segundo o tercer polo de la fuente de un interruptor de transferencia automático o dispositivo giratorio de la barra colectora A, por medio de la salida de un interruptor de transferencia automática que tenga dos o más servicios u otras fuentes de energía como su entrada, y (5) automático mediante su paso directamente a la barra colectora A o a la barra colectora B. El sistema comprende además cuatro dispositivos giratorios en la forma de los sistemas de energía ininterrumpible ((UPS) 116, 118, 120, y 122. Un UPS adecuado es el Uniblock-II vendido por Piller. Cada UPS incluye un generador de motor para proporcionar energía de corriente alterna a la carga crítica 114. Cada UPS incluye dos entradas marcadas como entrada de AC 1 y entrada de AC 2. Se utiliza un interruptor de transferencia 128 para controlar el flujo de energía entre una fuente de energía (por ejemplo, 102) , el sistema de servicio/generador 110, y el dispositivo giratorio 116. El flujo de energía durante los múltiples modos de operación se describe en la presente con referencia a la Figura 3. Debido a la naturaleza de la celda de combustible para desconectarse al detectar fallas de energía, se utilizan dispositivos giratorios para estabilizar las fluctuaciones, limpiar las fallas, e impedir que se desconecten las celdas de combustible. Es importante observar que los UPS no son el único tipo de dispositivos giratorios que se pueden utilizar para mejorar la estabilidad del voltaje. A diferencia de las máquinas giratorias, los módulos de energía de celda de combustible comercialmente disponibles no tienen inercia, y el flujo de corriente se detiene casi inmediatamente después de que tiene lugar una acción de control limitada solamente por el almacenamiento inductivo en la magnética de salida. Para superar este inconveniente, el sistema incluye dispositivos giratorios. Un dispositivo giratorio es cualquier UPS giratorio, generador de motor, motor, condensador sincrónico, volante, u otro dispositivo que pueda proporcionar inercia para almacenar y descargar energía real o reactiva. Durante la operación, las caídas y flujos de energía desde los dispositivos giratorios en coordinación con la demanda de energía y el suministro de energía, estabilizan el voltaje del sistema. Se pueden utilizar dispositivos giratorios adicionales para proporcionar energía durante ciertas condiciones. Como se muestra en la Figura 2, se conecta un dispositivo giratorio 152 al UPS 116 y al UPS 118 a través del interruptor 156. Se conecta el dispositivo giratorio 154 al UPS 120 y al UPS 122 a través del interruptor 158. En una modalidad de ejemplo, los dispositivos giratorios 152 y 154 son volantes, tales como el volante Powerbridge vendido por Piller. Los volantes 152 y 154 se muestran conectados a la entrada de AC 1, pero también se pueden conectar a la entrada de AC 2. Se entiende que se pueden utilizar una variedad de dispositivos giratorios. El número de volantes o dispositivos giratorios puede variar desde un dispositivo giratorio para todos los UPS, hasta un dispositivo giratorio por cada UPS. Es preferible tener cuando menos dos volantes, de tal manera que haya alguna redundancia en este componente del sistema. Pueden ser necesarios volantes adicionales, dependiendo de los requerimientos de carga y del nivel deseado de redundancia. Se pueden utilizar dispositivos diferentes de volantes para proporcionar la energía complementaria al UPS (por ejemplo, generadores, baterías, etcétera). Como se describe con detalle con referencia a la Figura 3, los volantes 152 y 154 proporcionan energía de corriente directa a un inversos localizado con cada UPS en ciertas situaciones. Las celdas de combustible 102, 104, 106, y 108 operan para desconectarse de la barra colectora C al detectar fallas de energía en la barra colectora C. Cuando la celda de combustible se desconecta y entra al modo en espera, el volante proporciona energía, de tal manera que no hay alteración alguna en la energía hacia el UPS. Cuando regresa la energía de la celda de combustible, se utiliza el volante para proporcionar una transición de carga suave de regreso a la celda de combustible. El UPS se programa para transferir la carga desde el volante hasta la celda de combustible gradualmente, de tal manera que la celda de combustible no experimente una carga escalonada ni se desconecte del UPS. En adición, si se activa una carga periódica, tal como un compresor, ésta podría crear una carga escalonada sobre la celda de combustible, haciendo que se desconecte la celda de combustible. En esta situación, se utiliza el volante para proporcionar la energía extra al UPS, impidiendo de esta manera que se desconecte la celda de combustible. En resumen, se utiliza el volante para proporcionar energía a corto plazo adicional, con el fin de proporcionar una operación suave del sistema . La salida de cada UPS se alimenta a un tablero de interruptores en paralelo 130, en donde la energía desde el UPS 116 y desde el UPS 118 se une en paralelo sobre una barra colectora A, y la energía desde el UPS 120 y desde el UPS 122 se une en paralelo sobre una barra colectora B. El sistema puede incluir interruptores que sean dispositivos interruptores electromecánicos que permitan que se conecten entre sí dos barras colectoras separadas, para el propósito de compartir de una carga entre las barras colectoras, y para energizar dos o más barras colectoras normalmente energizadas por fuentes de energía separadas, si falla una de las fuentes . Se pueden incluir interruptores sobre el lado de entrada de los dispositivos giratorios para proporcionar la opción de energizar un dispositivo giratorio desde cualquiera de dos fuentes de energía separadas. Los interruptores se incluyen sobre el lado de salida de los dispositivos giratorios y los interruptores de transferencia automática, para permitir que una fuente de energía energice las cargas normalmente energizadas por fuentes separadas desde una sola fuente si falla una de las fuentes. Como se muestra en la Figura 2, el interruptor 132 puede conectar la barra colectora A a la barra colectora B. Desde el tablero de interruptores en paralelo 130, la energía fluye hasta las cargas críticas. Los interruptores de transferencia utilizados en el sistema pueden ser interruptores de transferencia estática o electromecánica. Los interruptores de transferencia estática normalmente contienen rectificadores controlados por silicio ("SCR"). El sistema puede incluir medidas para proteger al SCR del interruptor de transferencia estática automático del flujo de corriente dañino. El SCR incluido en el mecanismo de interrupción en los interruptores de transferencia estática automáticos comercialmente disponibles es frágil comparándose con el mecanismo de interrupción de los interruptores de transferencia electromecánica. La corriente de falla que fluya a través de un interruptor de transferencia estática automático puede ser de una magnitud tal que el SCR se "queme" o se destruya de otra manera. Un interruptor de transferencia estática automático con un SCR dañado no puede funcionar para transferir la carga entre sus fuentes, como es pretendido por el diseño del sistema. El sistema puede incorporar dispositivos limitantes de corriente, tales como fusibles y reactores en localizaciones apropiadas, para impedir que la corriente de falla pueda fluir a través de un interruptor de transferencia estática automático, y que no alcance un nivel que pueda dañar el SCR. Los dispositivos giratorios también se pueden localizar corriente abajo del interruptor de transferencia estática automático, para impedir que fluya la corriente de falla a través del interruptor cuando sea apropiado para el diseño del sistema. El sistema puede incluir un monitor/administrador para monitorear localmente y remotamente las condiciones y el funcionamiento, las funciones del sistema de comandos, los parámetros operativos de cambio, los eventos de archivo, realizar diagnósticos del sistema, y establecer y transmitir alarmas. El monitor/administrador proporciona comunicaciones de dos vías entre el operador del sistema y los controladores para los módulos de energía de celda de combustible, los interruptores de transferencia estática automáticos, y los dispositivos giratorios. El operador del sistema, localmente o remotamente por medio del monitor/administrador, puede ordenar cambios a los parámetros operativos de los módulos de energía de celda de combustible, los interruptores de transferencia estática automáticos, y los dispositivos giratorios. El monitor/administrador, a través de la lógica de la programación, también puede ordenar estos cambios de una manera automática. El esquema de control del sistema es tal que la falla del monitor/administrador no alterará el flujo de energía hacia las cargas críticas. El monitor/administrador proporciona una "ventana para ver" para que el cliente monitoree la operación del sistema. La Figura 3 es un diagrama de bloques de una porción del sistema de energía de la Figura 2. La operación del sistema de energía en múltiples modos se describe con referencia a la Figura 3. La Figura 3 ilustra una fuente de energía 102. un interruptor de transferencia 128, un UPS 116, y un volante 152. Se entiende que otros componentes en el sistema operan como se describe con referencia a la porción del sistema mostrada en la Figura 3. Para propósitos económicos, la fuente de energía 102 se configura para operar en el modo de conexión de rejilla cuando esté operando la rejilla de servicio. En el modo de conexión de rejilla, los interruptores Bl y B2 se cierran, y la fuente de energía 102 genera energía de corriente alterna, que se sincroniza con la rejilla de servicio por medio de una conexión en el tablero de interruptores 111. La energía extraída por el generador de motor de UPS 170 fluye desde la fuente de energía 102 a través de un interruptor tiristor 172 por medio de la entrada de AC 2. La electricidad generada por la fuente de energía 102 en exceso de la demanda del UPS 116, energiza otras cargas del edificio por medio de la conexión en el tablero de interruptores 111. Esto permite que la fuente de energía 102 se opere en energía completa, independientemente de la demanda de energía del UPS 116. La operación de la fuente de energía 102 a energía completa, mejora la economía del usuario, sustituyendo la energía de la fuente de energía de bajo costo por la energía del servicio de alto costo, que de otra manera sería consumida por las cargas del edificio no críticas . El interruptor de transferencia 128 se configura con el interruptor KMFC cerrado y el interruptor KMMG abierto, para permitir que fluya la energía generada por la fuente de energía 102 hacia la entrada de AC 1, y hasta el generador de motor de energía 170. Aunque la fuente de energía esté operando en el modo de conexión de rejilla, el rectificador 174 y el inversor 176 de la entrada de AC 1 están en espera. No fluirá energía al generador de motor 170 a través de la entrada de AC 1 hasta que se apague el tiristor 172. El generador de motor 170 suministra energía al volante 152. En el modo de conexión de rejilla, cualquier generador en espera está inoperativo. Si falla la energía de la rejilla de servicio, el tiristor 172 se apaga, y el interruptor B2 se abre, interrumpiendo el modo de operación de conexión de rejilla, y deteniendo el flujo de la fuente de energía 102 hacia la entrada de AC 2. Cuando se abre el B2, la fuente de energía 102 se reconfigura para operar en el modo independiente de la rejilla. Esta transición de modo requiere que la fuente de energía 102 interrumpa la generación de energía, dando como resultado una pérdida de voltaje hacia el interruptor KMFC y hacia la entrada de AC 1 durante hasta 5 segundos. Durante esta transición, el inversor 176 de la entrada de AC 1 se activa, permitiendo que el volante 152 energice el generador de motor 170. Cuando empieza la fuente de energía 102 a generar electricidad nuevamente, el voltaje regresa a la entrada de AC 1, y se activa el rectificador 174. La energía hacia el generador de motor 170 se transfiere desde el volante 152 hasta la fuente de energía 102 a una velocidad de rampa previamente determinada. Si una fuente de energía inestable restablece el voltaje sobre el tablero de interruptores 111, la fuente de energía 102 no conmutará hacia el modo de conexión de rejilla, sino que continuará operando en el modo independiente de la rejilla, energizando al generador de motor 170 por medio del rectificador 174/inversor 176, y el tiristor 172 permanece apagado. En el modo independiente de rejilla, la fuente de energía 102 baja la energía para satisfacer la demanda de energía del generador de motor 170 solamente, y no se suministra ninguna electricidad generada por la fuente de energía 102 hacia otras cargas del edificio. En el modo independiente de la rejilla, las unidades UPS 116, 118, 120, y 122 se sincronizan a través del rectificador 174 y el inversor 176. De esta manera, las salidas de las unidades UPS 116, 118, 120, y 122 se pueden poner en paralelo. Mientras se opera en el modo independiente de la rejilla, si el generador de motor 170 experimenta una carga escalonada mayor que un tamaño previamente determinado, el volante 152 llega a ser la fuente de energía para el generador de motor 170. La fuente energía del generador de motor 170 se transfiere desde el volante 152 hasta la fuente de energía 120 a una velocidad de rampa previamente determinada. De conformidad con lo anterior, la fuente de energía 102 no se expone a una carga escalonada repentina. Tienen lugar tres eventos antes de que la fuente de energía 102 regrese al modo de conexión de rejilla. Primero, se restablece el voltaje de la rejilla de servicio en el tablero de interruptores. Segundo, se desactiva cualquier generador en espera. Finalmente, se recarga el volante 152. En este momento, la fuente de energía 102 monitorea la alimentación del servicio para determinar su estabilidad. La fuente de energía 102 hace una transición de regreso al modo de operación de conexión de rejilla después de determinar que el voltaje de la rejilla ha sido estable durante un período establecido. Esta transición requiere que la fuente de energía 102 interrumpa la generación durante hasta 5 segundos. Cuando se detecta la pérdida de voltaje en el rectificador 174, el rectificador 174 se va a quedar en espera. Si en ese momento, la salida del generador de motor 170 no está en sincronización con la rejilla de servicio, el inversor 176 permanecerá activo, permitiendo que el volante 152 energice al generador de motor 170, hasta que ocurra la sincronización. Cuando se sincroniza, el tiristor 152 se activa, y el inversor 176 de la entrada de AC 1 se va a espera, permitiendo que la rejilla de servicio energice al generador de motor 170 durante la transición. El generador de motor 170 empieza a recargar el volante 152. Cuando la fuente de energía 102 está lista para la operación de conexión de rejilla, se cierra el B2, y la fuente de energía 102 hace una rampa hacia arriba, hasta su salida máxima, y llega a ser la fuente de energía del generador de motor 170. Si hubiera una interrupción en el voltaje de la rejilla de servicio durante una transición de regreso al modo de operación de conexión de rejilla, la fuente de energía 102 se reconfigurará para una operación independiente de la rejilla. Con la pérdida de energía en la entrada de AC 2, se apaga el tiristor 172, se activa el inversor 176 de la entrada de AC 1 , y el volante 152 energiza al generador de motor 170. Cuando el voltaje suministrado por la fuente de energía 102 regresa al rectificador 174 de la entrada de AC 1, el rectificador 174 activa y energiza el generador de motor 170, y se sube desde el volante 152 hasta la fuente de energía 102. El generador de motor 170 recarga el volante 152. Siempre que se desactive la fuente de energía 102 o que se abra el interruptor B2, se detiene el flujo de energía desde la fuente de energía 102. La pérdida de la fuente de energía 102 hacia la entrada de AC 2 es instantáneamente reemplazada por la energía de rejilla del servicio de respaldo en el tablero de interruptores 111. La abertura de tanto Bl como B2 interrumpe el voltaje sobre el interruptor KMFC, haciendo que el cronómetro cuente hacia abajo. Si la fuente de energía 102 no restablece el voltaje hacia el interruptor KMFC dentro de un número de segundos previamente establecido, se abre el KMFC, y se cierra el KMMG, conectando de esta manera la entrada de AC 1 a la alimentación de energía de respaldo. Esto también aisla la fuente de energía 102. El rectificador 174 y el inversor 176 de la entrada de AC 1 permanecen en espera, y el generador de motor 170 continúa siendo energizado a través del tiristor 172. Si mientras la fuente de energía 102 está fuera de línea falla la rejilla de servicio, el tiristor 172 se apaga, y el inversor 176 de la entrada de AC 1 se activa permitiendo que el volante 152 energice al generador de motor 170. Si se agota la energía almacenada por el volante 152 antes de que regrese el servicio, el generador de motor 170 se desactivará, a menos que otra fuente de energía entre en línea en el tablero de interruptores 111. Cuando se detecta una fuente de voltaje inestable en la entrada de AC 2, el rectificador 174 se activa para alimentar energía al generador de motor 170 a través de la trayectoria del rectificador 174/inversor 176. El generador de motor 170 empieza a recargar el volante 152, o de otra manera, el generador de motor 170 se energiza por medio de la entrada de AC 2. La combinación de una fuente de energía 102, el interruptor de transferencia 128, el UPS 11, y el volante 152, puede ser referida como un módulo de energía. La utilización de módulos de energía redundantes (tales como se muestran en la Figura 2) elimina la necesidad de una fuente de energía que no sea del servicio cuando falle la rejilla de servicio mientras se da servicio a una fuente de energía fuera de línea. Como se describió anteriormente, el sistema de energía de ejemplo puede operar independientemente de la rejilla de servicio indefinidamente. Los módulos de energía de celda de combustible comercialmente disponibles están diseñados para la operación independiente de la rejilla a largo plazo. Las fuentes redundantes de gas natural en la forma de suministros redundantes independientes de la compañía de distribución de gas natural local o en almacenamiento en el sitio de una fuente de combustible alternativa (es decir, gas natural licuado, propano, metanol) proporcionan cualquier interrupción en el suministro normal de gas natural. Los componentes del sistema son de grado de servicio, diseñados para una vida económica de 20 años o más. La modularidad de los sistemas permite hacer el mantenimiento, servicio mayor, perfeccionamiento, y expansión, sin interrumpir el flujo de energía hacia las cargas críticas. El sistema de energía de ejemplo tampoco tiene puntos de falla. El sistema se configura de tal manera que la falla de cualquier módulo de energía de celda de combustible, interruptor de transferencia automático, o dispositivo giratorio, no interrumpirá el flujo de energía hacia las cargas críticas. Los módulos de energía de celda de combustible redundantes comprenden la barra colectora B. En las configuraciones que no incluyen una barra colectora B, se incluyen módulos de energía de celda de combustible redundantes en la barra colectora A. Algunas configuraciones incluyen módulos de energía de celda de combustible redundantes en la barra colectora A junto con la barra colectora B. El interruptor de transferencia automático y los dispositivos giratorios tienen trayectorias de energía redundantes. Los controladores del sistema normalmente tienen procesadores y suministros de energía redundantes. Los interruptores proporcionan participación de energía entre las barras colectoras si falla un interruptor de transferencia automático o un dispositivo giratorio. También, los interruptores de transferencia automáticos y los dispositivos giratorios pueden incluir circuitos de derivación para proporcionar la energía de la celda de combustible directamente a la carga cuando estos interruptores y dispositivos giratorios estén fuera de línea. El sistema de energía de ejemplo sincroniza la frecuencia de todas las fuentes de energía en el sistema a una fuente de referencia común. Las salidas eléctricas de todas las fuentes de energía del sistema deben tener la misma frecuencia, magnitud, y fase, para permitir una rápida conmutación entre las fuentes de energía ,sin interrumpir la carga. Los módulos de energía de celda de combustible, los dispositivos giratorios, y los interruptores de transferencia automáticos, contienen circuitos de sincronización que permiten al sistema sincronizarse con una sola referencia.

Cuando se interconecta una rejilla de servicio con el sistema, el sistema se sincroniza con el servicio. Si falla el servicio, una señal de referencia secundaria lo sustituye. Cuando se restablece el servicio, es poco probable que se sincronice con esta referencia secundaria. Cuando ocurre esto, los módulos de energía gradualmente ajustan la fase y la magnitud de sus salidas para concordar con la nueva fuente de servicio. Cuando una rejilla de servicio no está interconectada con el sistema, se incorpora un elemento separado para transmitir la señal de referencia en el sistema. Una ventaja de tener las fuentes de energía conectadas con la rejilla de servicio, es que la energía generada por las fuentes de energía (por ejemplo, celdas de combustible) que no sea consumida por las cargas críticas, se dirige a las cargas no críticas que se acoplan a la rejilla de servicio. Por consiguiente, el usuario puede operar las fuentes de energía encima del requerimiento de la carga crítica, y producir un exceso de energía para suplantar la energía desde la rejilla de servicio. El sistema de energía de ejemplo también opera de una manera autónoma. No se requiere una intervención humana para la operación normal . Cada módulo de energía de celda de combustible, interruptor de transferencia automático, y dispositivo giratorio, opera de una manera automática de acuerdo con la programación, el funcionamiento, y el secuenciamiento de su propio controlador autónomo. El sistema de energía de ejemplo puede energizar cargar que excedan a la capacidad nominal de un solo módulo de energía de celda de combustible. Si el requerimiento de energía excede a la capacidad nominal de un solo módulo de energía de celda de combustible, la carga puede ser satisfecha de dos maneras o mediante la combinación de estas maneras: 1) poniendo en paralelo las salidas de múltiples módulos de energía de celda de combustible sobre una sola barra colectora para compartir la carga entre las unidades; ó 2) poniendo en paralelo las salidas de múltiples dispositivos giratorios que se energicen individualmente mediante los módulos de energía de celda de combustible. El sistema de energía de ejemplo impide que las fallas hagan que los módulos de energía de celda de combustible se vayan al modo de espera, desactivando de esta manera efectivamente la generación de carga. El sistema de control del módulo de energía de celda de combustible está diseñado para proteger al inversor de celda de combustible de daños debidos a una sobrecarga de corriente resultante de una falla corriente abajo. Los módulos de energía de celda de combustible comercialmente disponibles no pueden suministrar una corriente de falla adecuada para limpiar los interruptores. Si el controlador detecta una elevación de corriente resultante de una falla que exceda a los parámetros del inversor, desconecta la unidad de la carga, e inicia la transferencia hacia el modo en espera. Se incorporan dispositivos giratorios en localizaciones apropiadas a través de todo el sistema corriente abajo de los módulos de energía de celda de combustible, para proporcionar corriente de falla, impidiendo de esta manera que los módulos de energía de celda de combustible vean nunca una condición de falla. El sistema de energía de ejemplo impide que las cargas escalonadas y las sobrecargas hagan que los módulos de energía de celda de combustible vayan al modo en espera, desactivando de esta manera efectivamente la generación de energía. El sistema de control del módulo de energía de celda de combustible está diseñado para proteger a la pila de celdas de eventos que puedan ocasionar un daño a la pila de celdas. Si el controlador detecta un colapso de voltaje resultante de una carga escalonada o de una sobrecarga, desconecta la unidad de la carga, e inicia la transferencia al modo en espera. Las válvulas de suministro de combustible y aire en los módulos de energía de celda de combustible comercialmente disponibles, no pueden anticipar las cargas escalonadas. Los módulos de energía de celda de combustible comercialmente disponibles no pueden llevar sobrecargas mayores que el 110 por ciento de la capacidad nominal, ni pueden llevar una sobrecarga durante más de 5 segundos. Las cargas escalonadas y las sobrecargas pueden tensionar la pila de celdas, haciendo que el voltaje se colapse. Se incorporan volantes en localizaciones apropiadas en el sistema para proporcionar energía para poner en fase las cargas escalonadas en línea, permitiendo de esta manera que las válvulas de combustible y aire ajusten sus posiciones para ser apropiadas para la carga sin desactivarse. Los volantes se integran con unidades UPS giratorias para llevar sobrecargas de hasta el 150 por ciento de la capacidad nominal durante 2 minutos, permitiendo de esta manera una transferencia ordenada de una sobrecarga hacia una fuente de energía alternativa. El sistema de energía de ejemplo impide que las sobrecargas transitorias hagan que los módulos de energía de celda de combustible vayan al modo en espera, desactivando de esta manera efectivamente la generación de energía. El sistema de control del módulo de energía de celda de combustible está diseñado para proteger a la celda de combustible de las sobrecargas transitorias que puedan dañar al inversor. Si el controlador detecta una sobrecarga transitoria mayor del 110 por ciento de la capacidad nominal, desconecta la unidad de la carga, e inicia la transferencia al modo en espera. Los módulos de energía de celda de combustible comercialmente disponibles no pueden llevar sobrecargas mayores del 110 por ciento de la capacidad nominal, ni pueden llevar ninguna sobrecarga durante más de 5 segundos. Las sobrecargas transitorias pueden hacer que el voltaje se colapse. Se integran volantes con unidades UPS giratorias para llevar las sobrecargas transitorias hasta el 150 por ciento de la capacidad nominal durante 2 minutos. El sistema de energía de ejemplo impide que un desequilibrio de carga haga que los módulos de energía de celda de combustible vayan al modo en espera, desactivando de esta manera efectivamente la generación de energía. Un desequilibrio de corriente de una sola fase del 10 por ciento en la carga nominal, y el 190 por ciento de la línea de corriente nominal a neutro, ocasionan sobrecargas desequilibradas en los módulos de energía de celda de combustible comercialmente disponibles. Esta condición hará que el módulo de energía de celda de combustible se desconecte de la carga e inicie la transferencia al modo en espera. El generador de motor y la unidad UPS giratoria de elección tienen una capacidad del 100 por ciento para el desequilibrio de carga. Estos dispositivos giratorios se localizan corriente arriba de los módulos de energía de celda de combustible, para impedir que los módulos de energía se expongan a una condición de desequilibrio de carga. La Figura 4 es un diagrama de un sistema de energía alternativo que incluye tres barras colectoras primarias independientes rotuladas como Al, A2 , y A3. Cada barra colectora A es suministrada por un banco de 5 celdas de combustible Al-1 a Al -5, A2-1 a A2-5, y A3-1 a A3-5. Los bancos de 5 celdas de combustible se conectan en paralelo en una configuración en que se comparte la carga. El dispositivo giratorio asociado con cada barra colectora primaria es un condensador sincrónico 200. Un controlador para compartir la carga 201 está asociado con cada barra colectora Al, A2 , y A3 , y proporciona señales de control a las celdas de combustible para asegurar que se comparta la carga apropiadamente. La barra colectora secundaria ó B es suministrada por 7 celdas de combustible B-l a B-7 que se acoplan en paralelo en una configuración en que se comparte la carga. Un controlador para compartir la carga 204 se acopla a la barra colectora B para proporcionar señales de control a las celdas de combustible, y para asegurar que se comparta la carga apropiadamente. Una pluralidad de unidades de generador de motor 202 son energizadas por la barra colectora B, y suministran energía a las cargas no críticas, mientras que aislan las celdas de combustible Bl- a B7 de las cargas críticas. También se proporciona un monitor/administrador del sistema 150, y sirve para el mismo prepósito que se describió anteriormente con referencia a la Figura 2. Un fuente de servicio de energía se proporciona a la barra colectora C. Un volante 212 se conecta a la barra colectora C para proporcionar el camino a través de la energía para los hundimientos de voltaje. Una serie de interruptores de transferencia estática DI, D2 , y D3 seleccionan la fuente apropiada, de tal manera que las cargas críticas reciban una energía ininterrumpida. Como se muestra en la Figura 4, la barra colectora secundaria ó B sirve como respaldo para la barra colectora A. Cuando no se suministra electricidad a la carga crítica, la barra colectora B puede suministrar energía a otras cargas de la instalación ("cargas no críticas") a través de uno o más alimentadores para clientes. Normalmente, los alimentadores de la barra colectora B se conectan a la barra colectora B por medio de interruptores de transferencia automáticos. Sin embargo, la barra colectora B puede emplear uno o más dispositivos giratorios, dependiendo de los parámetros de la configuración del sistema y de los deseos y necesidades del consumidor. La barra colectora B se puede unificar o segmentar, dependiendo de los deseos y necesidades del cliente. La barra colectora B se interconecta con las cargas críticas a través del segundo polo de fuente en los interruptores de transferencia automáticos D1-D3, o a través de los dispositivos giratorios, tales como el UPS giratorio. También, se puede localizar un condensador sincrónico en la salida del interruptor de transferencia automático. Para agregar redundancia adicional, se proporcionan dos fuentes de gas natural para las celdas de combustible. Se utilizan una fuente de gas natural del servicio 208, y un segundo dispositivo de almacenamiento de gas natural local 210, para proporcionar un suministro de gas natural redundante a las celdas de combustible. El sistema de energía de ejemplo previene la falla en cascada de los módulos de energía de celda de combustible. La segmentación de la barra colectora A y la incorporación de una barra colectora B y una barra colectora C segregadas, proporcionan barreras a las fallas en cascada. En algunas configuraciones, los interruptores de transferencia automáticos se programan para no transferir fallas. Los interruptores de transferencia automáticos, el generador de motor, y las unidades UPS giratorias, se pueden utilizar para aislar las cargas unas de otras. Las unidades de generador de motor y las unidades UPS giratorias también aislan los módulos de energía de celda de combustible de las cargas, y unas de otras. El aislamiento de los módulos de energía de celda de combustible de los eventos que puedan hacer que los módulos de energía fallen o se transfieran al modo en espera, impide la falla en cascada. La Figura 5 es un diagrama de otro sistema de energía que incluye los componentes de la presente invención. Como se muestra en la Figura 5, la barra colectora primaria ó A está comprendida de 8 fuentes de energía individuales (por ejemplo, celdas de combustible) . Cada fuente de energía 301- 308 se conecta con un dispositivo giratorio 311-318, tal como un UPS vendido por Piller. La barra colectora secundaria ó B se forma mediante 3 fuentes de energía 321-323 conectadas en paralelo, y controladas por un controlador para compartir la carga 324. La barra colectora C es provista por una línea del servicio 330. Se conecta un volante 340 a la barra colectora C. La barra colectora B y la barra colectora C se conectan con los polos respectivos de los interruptores de transferencia automáticos A1-A8. Los interruptores de transferencia automáticos A1-A8 seleccionan la mejor fuente de energía entre la barra colectora B y la barra colectora C, para suministrarse a los dispositivos giratorios 311-318. La salida de cada dispositivo giratorio 311-318 se acopla con una de ocho cargas críticas CB1-CB8. Los dispositivos giratorios se programan para preferir las fuentes de energía 301-308 de la barra colectora A. La barra colectora B y la barra colectora C también se conectan a los polos respectivos de los interruptores de transferencia automática Bl y B2, que dirigen la energía hacia otras cargas. El dispositivo giratorio asociado con las cargas 342 es de condensadores sincrónicos 344. El sistema de la Figura 5 es otro ejemplo de un sistema de energía que utiliza fuentes de energía redundantes, dispositivos giratorios, e interruptores de transferencia automática para proporcionar una energía confiable a las cargas críticas. Las Figuras 2, 4, y 5 ilustran diferentes configuraciones de fuentes de energía redundantes, dispositivos giratorios, e interruptores de transferencia automática, para proporcionar un sistema de energía de alta confiabilidad. La configuración de barra colectora primaria y secundaria, y el tipo, tamaño, y número de fuentes de energía, dispositivos giratorios, e interruptores de transferencia automática, son determinados por el tamaño de la carga, el número de alimentadores requeridos, y la disponibilidad del sistema deseada por el usuario (es decir, qué tan confiable requiere el consumidor que sea la energía) . La Figura 6 es un diagrama de una celda de combustible alternativa 500 de conformidad con la presente invención. La celda de combustible 500 difiere de las celdas de combustible convencionales en su porción de salida 510. La porción de salida 510 incluye un convertidor de DC a DC 512, que proporciona una salida a un generador de motor giratorio 514. El convertidor de DC a DC 512 puede implementarse utilizando un motor de DC a DC. El voltaje de pila de celdas de combustible se reduce a medida que se incrementa la carga. El convertidor de DC a DC 512 se diseña para mantener un voltaje constante, mientras que varía la carga sobre el generador de motor 514. El generador de motor 514 produce una salida de AC, y permite que las celdas de combustible 500 se conecten fácilmente en paralelo para compartir la carga. Las celdas de combustible convencionales no se pueden conectar en paralelo sin controladores para compartir la carga, los cuales son complejos. La salida de la celda de combustible 500 se puede conectar en paralelo con otras celdas de combustible similares sin la necesidad de complejos controladores para compartir la carga. En adición, debido a que el generador de motor 514 es capaz de generar corrientes de limpieza de fallas, la celda de combustible 500 no necesita desconectarse del sistema al detectarse una falla. El generador de motor 514 aisla a la celda de combustible 500 de las corrientes dañinas. En una modalidad alternativa, el generador de motor 514 incluye una segunda entrada para recibir una fuente de energía adicional. Aunque se han mostrado y descrito las modalidades preferidas, se pueden hacer diferentes modificaciones y sustituciones a las mismas sin apartarse del espíritu y alcance de la invención. De conformidad con lo anterior, se debe entender que la presente invención se ha descrito a manera de ilustración, y no de limitación.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de energía para proporcionar energía a una carga crítica, comprendiendo el sistema: una primera fuente de energía que produce suficiente energía para suministrar la carga crítica; una segunda fuente de energía, independiente de la primera fuente de energía, produciendo esta segunda fuente de energía suficiente energía para suministrar la carga crítica; un dispositivo giratorio que tiene un circuito de entrada de energía primario y un circuito de entrada de energía secundario; acoplándose la segunda fuente de energía con el dispositivo giratorio en el circuito de entrada de energía secundario; y un interruptor de transferencia para acoplar selectivamente la primera fuente de energía con el circuito de entrada de energía primario y el circuito de entrada de energía secundario.

2. El sistema de energía de la reivindicación 1, en donde la primera fuente de energía comprende una celda de combustible, y la segunda fuente de energía es la rejilla del servicio eléctrico.

3. El sistema de energía de la reivindicación 1, en donde la segunda fuente de energía comprende un generador en el sitio.

4. El sistema de energía de la reivindicación 1, en donde la segunda fuente de energía comprende una celda de combustible.

5. El sistema de energía de la reivindicación 1, en donde el dispositivo giratorio comprende un generador de motor.

6. El sistema de energía de la reivindicación 1, en donde el dispositivo giratorio comprende un condensador giratorio.

7. El sistema de energía de la reivindicación 1, en donde se acopla una tercera fuente de energía al dispositivo giratorio.

8. El sistema de energía de la reivindicación 7, en donde la tercera fuente de energía se conecta en paralelo con la primera fuente de energía en el primer circuito de entrada de energía.

9. El sistema de energía de la reivindicación 7, en donde la tercera fuente de energía se conecta en paralelo con la segunda fuente de energía en el segundo circuito de entrada de energía.

10. El sistema de energía de la reivindicación 7, en donde la tercera fuente de energía comprende un volante.

11. El sistema de energía de la reivindicación 7, en donde la tercera fuente de energía comprende un generador.

12. El sistema de energía de la reivindicación 7, en donde la tercera fuente de energía comprende baterías de almacenamiento eléctrico.

13. Un sistema de energía para proporcionar energía a una carga crítica, comprendiendo el sistema: un primer módulo de energía que incluye : una primera fuente de energía que produce suficiente energía para suministrar la carga crítica; una segunda fuente de energía, independiente de la primera fuente de energía, produciendo esta segunda fuente de energía suficiente energía para suministrar la carga crítica; un dispositivo giratorio que tiene un circuito de entrada de energía primario y un circuito de entrada de energía secundario; acoplándose la segunda fuente de energía con el dispositivo giratorio en el circuito de entrada de energía secundario; y un interruptor de transferencia para acoplar selectivamente la primera fuente de energía con el circuito de entrada de energía primario y con el circuito de entrada de energía secundario; y un segundo módulo de energía, que incluye: una primera fuente de energía que produce suficiente energía para suministrar la carga crítica; una segunda fuente de energía, independiente de la primera fuente de energía, produciendo la segunda fuente de energía suficiente energía para suministrar la carga crítica; un dispositivo giratorio que tiene un circuito de entrada de energía primario y un circuito de entrada de energía secundario; acoplándose la segunda fuente de energía con el dispositivo giratorio en el circuito de entrada de energía secundario; y un interruptor de transferencia para acoplar selectivamente la primera fuente de energía con el circuito de entrada de energía primario y con el circuito de entrada de energía secundario.

14. El sistema de energía de la reivindicación 13, el cual comprende además : una barra colectora común acoplada con una salida del primer módulo de energía, y acoplada con una salida del segundo módulo de energía.

15. El sistema de energía de la reivindicación 13 , el cual comprende además : una primera barra colectora acoplada con una salida del primer módulo de energía; y una segunda barra colectora, independiente de la primera barra colectora, acoplada con una salida del segundo módulo de energía.

16. El sistema de energía de la reivindicación 15, el cual comprende además: un interruptor incluido entre las primera y segunda barras colectoras independientes.

17. Una celda de combustible para recibir combustible y generar calor y corriente DC, comprendiendo la mejora : una sección de salida que incluye: un convertir de DC a DC para estabilizar el voltaje de salida de la pila de celdas; y un generador de motor que responde al convertidor de DC a DC para generar la energía de salida.

18. La celda de combustible de la reivindicación 17, en donde el convertir de DC a DC es un motor de DC.