ES2237283B1 - Sistema para obtener energia electrica. - Google Patents
Sistema para obtener energia electrica.Info
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Abstract
Sistema para obtener energía eléctrica. El sistema se basa en la exclusiva utilización de la fuerza de la gravedad, comprendiendo fundamentalmente una turbina (1) y uno o más compresores (8) para aplicación de aire a presión sobre la parte inferior de la turbina, concretamente sobre unos compartimentos o alvéolos (2) abiertos hacia el exterior y previstos en toda la periferia de dicha turbina (1). Dichos alvéolos están delimitados por radios (3) que presentan una prolongación doblada determinando que dichos alvéolos presentan su abertura sobre el alvéolo inmediatamente siguiente, en el sentido de giro de la turbina, que será el de las agujas del reloj. La turbina (1) se sumerge en agua (11) y mediante el compresor (8) se aplica aire a presión en la zona inferior de dicha turbina (1), ocupando el aire los alvéolos y haciendo girar a la turbina como consecuencia de que el aire se mantiene en los alvéolos (2) correspondientes al tramo semicircunferencial ascendente de la turbina (1), en el giro indicado de ésta, siendo liberado el aire en el trayecto de descenso.
Description
Sistema para obtener energía eléctrica.
La invención tiene por objeto obtener energía
eléctrica a partir de la fuerza de la gravedad, basándose en el
giro de una gran turbina sumergida en agua, a la que se aplica aire
a presión para conseguir el giro de tal turbina y correspondiente
energía generada por su masa.
La invención se encuadra dentro del sector
energético y especialmente dentro del campo de obtener energía
eléctrica a partir de fuentes renovables alternativas a las
convencionalmente utilizadas.
La energía eléctrica se obtiene tradicionalmente
a partir de saltos de agua en las Centrales Hidráulicas, a partir
de calor generado por la combustión de materias primas combustibles
(carbón, fuel, gas natural, etc,) en las Centrales Térmicas, o a
partir de la energía producida en los procesos de fisión nuclear,
en las Centrales Nucleares.
Adicionalmente, se está trabajando intensamente
en la obtención de electricidad eólica, aprovechando el viento
como fuente de energía, o de la energía solar empleando como fuente
de calor, el calor de las radiaciones solares.
Las Centrales Nucleares están muy desprestigiadas
medioambientalmente, y encierran importantes riesgos potenciales,
por lo que requieren un control continuado.
Las materias primas combustibles se van agotando
y son una fuente importante de la contaminación ambiental, en
emisiones a la atmósfera de CO_{2}, NO_{x}, y SO_{x},
provocando el calentamiento del planeta Tierra, por lo que es
preciso encontrar fuentes alternativas.
La energía obtenida a partir de los saltos de
agua requieren la previsión del almacenamiento del agua y del
almacenamiento de la energía para épocas de sequía, y no llueve
todo lo que se quisiera.
Finalmente, el viento y especialmente el sol que
serían importantes fuentes de energía, no han conseguido explotarse
todavía a una escala suficiente como para suministrar la cantidad
de electricidad que el mundo actual demanda.
Las Energías Renovables, sobre las que se están
efectuando fuertes inversiones, intentan ser hoy día una
alternativa limpia a la polución producida por las Centrales
Térmicas y Nucleares, pero las dificultades a su desarrollo actual
y futuro, limitan la posibilidad de suplantar una energía sucia por
una energía limpia.
Actualmente la generación eléctrica por parte de
la Energías Renovables alcanza al 16,9%, donde en este porcentaje
se incluye la producción hidroeléctrica que supone la mayor parte de
la misma, es decir, que si eliminamos la producción hidroeléctrica
del porcentaje de las Energías Renovables, el resto es una parte
excesivamente pequeña de la producción eléctrica.
Las Centrales Hidroeléctricas trabajan de 1.200 a
1.700 horas al año, lo que corrobora la limitación de este tipo de
producción eléctrica, debido a la limitación y escasez de las
lluvias.
Los vientos lamentablemente hay que ir a
buscarlos lejos de los centros de consumo eléctrico, y también son
escasos, ya que un Parque Eólico en un buen año de vientos puede
llegar a trabajar de 2.500 horas a 3.000 horas al año.
Si se quiere de verdad establecer la posibilidad
de disponer de un Desarrollo Sostenible en la producción de
Energía Eléctrica, sin límites a su producción y a su ubicación,
una inmejorable alternativa es, sin lugar a dudas, la Energía
Eléctrica producida con el aprovechamiento de la Fuerza de la
Gravedad, que se extiende generosa por todo el Planeta Tierra.
La Fuerza de la Gravedad actúa en todo el
Universo, y a efectos prácticos tiene la misma intensidad en
cualquier punto de la superficie de la Tierra, tanto en los Polos
como en el Ecuador, en el Everest como a nivel del mar, actúa de
noche y de día, con buen tiempo y con mal tiempo, y no se cansa
jamás.
Sería por tanto de gran interés, el
aprovechamiento de esta fuente de energía limpia y abundante en
toda la superficie de la Tierra.
El solicitante ha centrado sus esfuerzos
investigadores en este aspecto, y ha logrado poner a punto un
procedimiento y una maquinaria para la obtención de energía
eléctrica, aprovechando exclusivamente la inmensa energía que
supone la Fuerza de la Gravedad, teniendo en cuenta la ley de Newton
y el Principio de Arquímedes.
En relación con la Ley de Newton de la
Gravitación Universal, se tiene que:
La Fuerza Gravitatoria, que ejerce la Tierra
sobre una masa, descubierta por Isaac Newton en 1.664 y formulada
en 1.687 en su Phylosophiae Naturalis Principia Mathematica, donde
define la Ley de la Gravitación Universal, es aproximadamente la
misma en todos los puntos de la superficie de la Tierra.
Esta Ley de la Gravitación Universal nos dice
que:
"Entre dos cuerpos cualesquiera de masa m_{1}
y m_{2} existe una fuerza atractiva proporcional al producto de
las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
que las separa"
F \ = \ G \
(m_{1}m_{2}) \ / \
r^{2}
donde r es la distancia entre los
cuerpos y G es una constante universal de la Naturaleza. Como la
Tierra es casi esférica, la ecuación anterior podrá aplicarse a los
cuerpos que se hallen en su
superficie.
La Fuerza de la Gravedad sobre un cuerpo de masa
m situado en la superficie terrestre será:
F_{g} \ = \
G \ (m_{T}m_{2}) \ / \
R_{T}{}^{2}
donde m_{T} es la masa de la
Tierra y R_{T} = 6,37x10^{6} metros, es el radio
terrestre.
En cuanto al Principio de Arquímedes, el mismo
dice:
"El empuje hacia arriba que ejerce un fluido
sobre un cuerpo, es igual al peso del fluido que desaloja el
cuerpo"
Si el cuerpo está totalmente sumergido, el
volumen del fluido desalojado es igual al volumen del cuerpo.
La fuerza F_{b} que ejerce un fluido sobre la
cara superior del cuerpo sumergido está dirigida hacia abajo y su
magnitud es p_{b}A, donde A es el área de dicha cara y P_{b} es
la presión del fluido a esa profundidad.
Análogamente la fuerza F_{a} que se ejerce
sobre la cara inferior de ese cuerpo está dirigida hacia arriba y
su magnitud es p_{a}A.
La suma de estas fuerzas tiene por magnitud
F_{A} \ - \ F_{B} \ = \ p_{A}A \
- \
p_{B}A
y está dirigida hacia arriba ya que
F_{a}>F_{b} y esta magnitud puede
escribirse
F_{A} \ - \
F_{B} \ = \ A\rho_{f}g \ (h_{A} -
h_{B})
donde \rho_{f} es la densidad del
fluido y h es la altura del cuerpo
sumergido.
La suma de las fuerzas que se ejercen sobre las
demás caras del cuerpo sumergido es nula, porque toda región de
una cara vertical, corresponde a otra región en la cara opuesta con
igual área y presión. Como las fuerzas que se ejercen sobre estas
dos regiones tienen igual magnitud y dirección, pero sentidos
opuestos, su suma es nula.
Así pues, la magnitud de la fuerza total que se
ejerce sobre el cuerpo sumergido por parte del fluido es el empuje
F_{b}.
Dicho empuje se puede escribir algo diferente,
teniendo en cuenta que Ah es el volumen V del cuerpo sumergido, con
lo que,
A\rho_{f}h = \rho_{f}V será la masa m_{f}
de un volumen igual de fluido.
El empuje hacia arriba de un cuerpo sumergido de
volumen V será, pues,
F_{b} = F_{A} - F_{B} = p_{a}Vg =
m_{f}g = peso de un volumen igual de fluido.
La presente invención, tal y como se indica en su
enunciado se refiere a un sistema para obtener energía eléctrica
mediante el aprovechamiento exclusivo de la Fuerza de la
Gravedad.
Si se aúnan las dos leyes físicas, de Arquímedes
y de Newton, sólo aparentemente de efectos opuestos, ya que el
principio de Arquímedes no es más que un corolario de la Ley de la
Gravitación Universal de Newton, podemos producir una energía
cinética que, fácilmente podemos transformarla en energía
eléctrica, energía que es limpia, inagotable, abundante y barata,
capaz de colaborar con el Desarrollo Sostenible de este
Planeta.
Para aprovechar la Fuerza de la Gravedad y
transformarla en energía cinética, se utilizan dos máquinas
básicas: una turbina y un compresor.
La primera es una turbina inmersa en el agua, o
en cualquier otro fluido, formando una capa circular,
compartimentada radialmente en alvéolos abiertos en el sentido de
la circunferencia máxima, y cuyos radios se prolongan doblados
sobre el compartimento siguiente en el sentido de giro, de forma que
el aire que introduzcamos en el interior de los alvéolos, no pueda
salir durante el movimiento de elevación del alvéolo en el giro de
la turbina, y en cambio lo pueda hacer libremente en el movimiento
de descenso, al completar la turbina el giro.
La segunda máquina es un compresor axial de aire,
de gran caudal por segundo y por kilowatio, y cuya presión de aire
sea superior a la presión que el agua tiene en la parte inferior de
la turbina.
De esta forma se introduce aire a cierta presión
en la, base de la turbina, que atrapado en los alvéolos de la
misma, imprime un empuje hacia arriba, según el principio de
Arquímedes, poniendo la turbina en movimiento.
El diámetro de la turbina estará diseñado de
forma que la energía cinética de la elevación del aire, sea
superior a la energía del compresor utilizada en introducir el aire
en la base de la turbina.
La energía cinética giratoria se puede aprovechar
para transformarla en energía eléctrica mediante un alternador, la
cual después de mover los compresores, exportará sus excedentes
energéticos directamente a la red, formando así una producción
continua de energía eléctrica que está generada por la inmensa e
inagotable fuerza de la gravedad.
Mediante este proceso, se está transformando,
siguiendo el Principio de Arquímedes, la densidad del aire de
0,00122 kg/dm^{3} por la densidad del agua que es de 1
kg/dm^{3}, es decir 820 veces más pesado el agua que el aire,
aprovechando una fuerza inmensa, eterna, limpia e inagotable, que
es la fuerza de la gravedad, pero para eso se tiene que introducir
el aire dentro del agua a una cierta profundidad, a una presión de
1 kg/cm^{2} por cada 10 m. de profundidad del agua, y esto supone
un consumo de energía.
La energía que se consume es la del compresor que
envía un caudal de aire a una cierta profundidad dentro del agua, y
a cambio de esto, la energía que se obtiene es la de ese mismo
volumen de aire transformado en peso de agua, por una aceleración
que supone la fuerza de la gravedad, y por una distancia que supone
la profundidad a la que hayamos introducido el aire dentro del
agua.
Teniendo en cuenta que "la altura a partir de
la cual, la energía obtenida se iguala con la energía consumida, es
igual al inverso del flujo medio de llenado de aire del compresor,
medido en metros cúbicos por segundo por kW de potencia utilizada,
multiplicado por la gravedad, hasta un límite máximo determinado
cuando, la altura obtenida es superior a la presión del compresor
multiplicada por la gravedad", se tiene que la energía cinética,
es igual a la masa m, por la gravedad g, y por la altura h, y la
energía cinética que se utiliza en la producción de un kW es, KW =
m.g.h, donde la masa m está expresada ahora en el volumen del aire
medido en m^{3} de agua desalojada, que se eleva a través del
mismo agua, mediante el empuje hacia arriba que ejerce el propio
agua sobre el volumen de aire, transformado en "masa de agua
desalojada", es decir, la masa de agua desalojada es igual al
volumen de aire, por lo que, m_{a} = m^{3}, y sustituyendo la
masa m_{a} (de Newton) por m^{3} (de Arquímedes) tendremos, KW =
m.g.h = m^{3}g.h
Igualmente se puede decir que la potencia de los
compresores que suministran el aire, es igual al volumen de aire que
deben suministrar por segundo, dividido por el volumen en m^{3}
que suministran por segundo por cada kWh de energía consumida, KW =
m^{3} : (m^{3}/s/kW)
Igualando ambas ecuaciones tendremos, m^{3}g.h
= m^{3}: (m^{3}/s/kW) por lo tanto, (m^{3}/s/kW) = 1 : g.h y
despejando tenemos, h = 1 : (m^{3}/s/kW)g. A esta altura
de h, se igualan la potencia eléctrica de producción, con la
potencia eléctrica de consumo. A más profundidad, mejoran los
rendimientos eléctricos netos obtenidos.
A más profundidad, hace falta una mayor presión
en los compresores a razón de 1 atmósfera por cada 10 m. de
profundidad, por lo que el caudal de aire de los compresores
disminuye, pero el resultado neto obtenido es muy superior, hasta
un cierto límite pasado el cual el rendimiento de los compresores es
insuficiente.
La turbina, en forma de capa cilíndrica, recibe
el aire ascendente que le transmite el compresor, dicho aire
ascendente la pondrá en movimiento giratorio, y la turbina
accionará un alternador eléctrico.
A continuación se va a describir una forma
preferente de realización, en base a unos dibujos en los que
esquemáticamente se ha representado lo siguiente:
La figura 1, muestra una vista frontal
esquemática de una turbina que se utiliza como elemento fundamental
en el sistema de la invención.
La figura 2, muestra una vista en perspectiva de
la misma turbina.
La figura 3, muestra una vista frontal
esquemática, en representación parcial, de una turbina con dos ejes
y cangilones, según una alternativa de realización de la
misma.
Figuras 4, 5 y 6, muestran sendas vistas
esquemáticas en alzado frontal, lateral y planta superior de un
ejemplo de montaje sobre el agua del mar, viéndose el compresor de
aplicación de aire a presión.
Las figuras 7, 8 y 9, muestran otras tantas
vistas como las de las figuras 4, 5 y 6, pero en su aplicación en
tierra, aunque como es obvio la turbina se encuentra sumergida en
agua.
Como se puede ver en las figuras, la turbina 1
está dotada de una serie de compartimentos o alvéolos 2, ocupando
toda la periferia y abiertos hacia el exterior. Las láminas
radiales, en adelante denominadas radios 3, que delimitan los
alvéolos 2 presentan una prolongación doblada que queda paralela
pero superpuesta al alvéolo siguiente, según el sentido de giro de
la turbina 1, que será el de las agujas del reloj, quedando la
abertura de tales alvéolos 2 por debajo del radio siguiente,
durante el recorrido o trayecto de ascenso de la turbina, según el
sentido de giro indicado.
Concéntricamente al eje 4 de tal turbina 1 se ha
previsto una cámara o compartimento estanco de aire 5, mientras con
un diámetro menor, pero también concéntrico con el eje 4, se ha
previsto un tubo estanco 13, previstos para mitigar en parte el peso
de la turbina y evitar excesivas sobrecargas sobre los rodamientos y
cojinetes que podrían resultar dañados.
La turbina podría ser vertical de dos ejes 4',
con cinta o cadena de cangilones 2' invertidos para recibir y
expulsar el aire, como en el caso anterior, en donde se recibe en
la parte inferior de la turbina manteniendo el aire en los alvéolos
2 o cangilones 2' durante el movimiento o trayecto ascendente, según
el giro en el sentido de las agujas del reloj de la propia turbina.
Dicha variante de dos ejes 4' con cangilones 2' se muestra en la
figura 3.
Cuando la turbina realiza un giro, se llena de
aire su parte ascendente, y se llena de agua en su parte
descendente. El aire que entra en la turbina por la parte inferior
de la misma, provoca un empuje hacia arriba, según el principio de
Arquímedes igual al peso del volumen de agua que desaloja, que hace
mover a la turbina.
El aire sale en la parte superior de la turbina y
ésta se llena de agua. El agua que ha entrado en la turbina en la
parte superior, sale en la parte inferior de la turbina empujada
por el aire que le sustituye.
El agua que entra en la turbina, tiene una caída
igual al volumen de agua por la gravedad y por la altura media de
llenado de los alvéolos. Siendo los alvéolos de reducida altura, la
fuerza total es pequeña, y servirá para compensar en parte el
efecto de los rozamientos de la turbina en el agua.
El agua, en la parte descendente de la turbina,
siempre estará moviéndose juntamente con la turbina como si formase
parte solidaria de la misma, ya que la parte descendente de la
turbina siempre estará llena de agua, que tiene la misma presión
que el agua que le circunda según el principio de Pascal, por lo
que no añade presión alguna, pero añade masa al movimiento de la
turbina.
El peso del acero de la turbina giratoria es de
190 Tn, y el volumen de agua en la parte descendente de la turbina
es de 1.758 m^{3} : 2 = 879 m^{3} =879 Tn. por lo que, la masa
total de la turbina será, (190 + 879) Tn = 1.070 Tn.
Para introducir el aire en la base de la turbina
1 se utilizarán compresores axiales 8, de no excesiva presión de
compresión pero sí de elevado caudal por segundo y por kW de
potencia utilizada. El compresor Axial de 25 MW de potencia, tiene
los siguientes parámetros de trabajo. El flujo de entrada de aire
es de 8,88 dm^{3}/s/kW y el flujo de salida del aire a 3,5 bar de
presión es de 2,05 dm^{3}/s/kW.
El flujo medio de llenado de la turbina será
(8,88 + 2,32) dm^{3}/s/kW : 2 = 5,6 dm^{3}/s/kW
El aire se expansiona dentro de la turbina a
medida que sube hacia la superficie del agua, y sale al exterior
de la turbina a una atmósfera de presión.
A 3,5 bar de presión, el flujo de aire es de 2,05
dm^{3}/s/kW, con una densidad de 5,2 kg/m^{3}, y se expande
dentro de la turbina hasta una presión de 1 atmósfera, con un flujo
de entrada en la turbina de 2,32 dm^{3}/h y una densidad de 4,6
kg/m^{3}, y una caudal de salida del aire de la turbina de 8,88
dm^{3}/s/kW, por lo que el caudal medio de llenado de la turbina
es (2,32+8,88) dm^{3}/s/kW = 5,6 dm^{3}/s/kW y por lo tanto, la
turbina no se llena plenamente sino que se llena en un porcentaje de
su volumen determinado por: 5,60 dm^{3}/s/kW : 8,88 dm^{3}/s/kW
= 63% de llenado de aire en la parte ascendente de la turbina. El
volumen de llenado de aire en la turbina es de 879 m^{3} x 0,63 =
554 m^{3} de aire.
En el movimiento circular de un cuerpo rígido,
todos los puntos giran el mismo ángulo \theta en un mismo tiempo
t.
En el presente caso se tiene, una turbina de
acero en forma de cilindro tubular, teniendo el radio exterior de
15 m. y el radio interior es de 13 m., que gira en el sentido de
las agujas del reloj, dispuesta en alvéolos radiales abiertos, tal
como se expresa en la figura, cuyas aberturas quedan por debajo del
radio del compartimento siguiente durante la elevación desde la
parte inferior del diámetro vertical hasta la parte superior del
mismo diámetro y por lo tanto cerradas para la salida del aire en
ellos introducido, y quedando dichas aberturas en la parte
descendente de la turbina, siempre por debajo del radio posterior y
por lo tanto en posición de abiertas con escape libre y directo al
exterior, del aire en ellos captado.
La turbina está inmersa en agua 11, bien sea en
perforación del suelo en estanques llenos de agua, o en el mismo
mar, lagos, etc.., El diámetro de la turbina es de 30 metros y su
anchura es de 10 metros, por lo que la parte inferior de la turbina
se encuentra a 30 metros de profundidad con respecto al nivel del
agua, por lo que la presión del agua a ese nivel es de 3
atmósferas.
En la parte inferior de la turbina, se dispondrán
inyectores de aire a 3,5 bar de presión que vienen de los
compresores que se encuentran al exterior, fuera del agua, en la
parte superior de la instalación. La potencia de los compresores
dependerá del caudal por segundo que deban suministrar, y esto
dependerá también de la velocidad lineal o de la velocidad angular
de la turbina.
El volumen de aire de la turbina es de 1.758
m^{3}, pero el coeficiente de llenado del volumen de aire en la
turbina es del 63% es decir, un llenado de aire en la turbina de
1,1081 m^{3}, siendo la fase ascendente la mitad, es decir, 554
m^{3}.
Este volumen ascendente de 554 m^{3} es el
volumen llenado de aire y por lo tanto con empuje hacia arriba,
introduciendo un flujo de aire, de 5,6 dm^{3}/s/kW expansionado
medio que proviene de un flujo de 2,32 dm^{3}/s/kW de entrada en
la turbina a 3 bar de presión.
El empuje hacia arriba debido al aire contenido
en la turbina es de: F = m.g. = 554 Tn x 9,81 m/s^{2} = 5,4 x
10^{6} kg.m/s^{2} = 5,4 x 10^{6} N
El empuje hacia abajo en la parte opuesta de la
turbina debido al llenado de agua de los alvéolos es de: F_{2} =
m_{2}g = 879 dm^{3} x 9,81 m/s^{2} = 8.622.990 kfm/s^{2} =
8.622.990 N.
La turbina recibirá, según el principio de
Arquímedes, un empuje hacia arriba igual al peso del agua que
desaloja el aire, y al recibir esta fuerza, se pondrá en
movimiento.
La expresión de la energía cinética es: K = m.g.h
siendo m = 554 Tn, y siendo h = altura de elevación, es de 30 m.
que es la energía cinética desarrollada cuando m.g. recorren la
distancia h, sin haber determinado previamente el tiempo que se
tarda en dicho recorrido, y sin importar el camino utilizado, ya
que el camino realizado será la semicircunferencia de la turbina,
pero la altura alcanzada será la altura del diámetro de la
turbina.
La energía cinética también se puede definir en
función de la masa y la velocidad, K = ½ mv^{2}, y en esta
formulación hemos incorporado el vector tiempo, al definir la
energía cinética en función de la velocidad, la cual a su vez se
define como espacio partido por tiempo.
Se puede conocer la celeridad v de un punto
cualquiera de la circunferencia, que será: v = (2
K/m)^{^{1}/_{2}}
La energía cinética es: K = m.g.h
K = m.g.h = 554 Tn x 9,81 m/s^{2} x 30 m = 1,63
x 10^{8}
kg.m^{2}/s^{2} = 1,63 x 10^{8} Nm.
K_{2} = m_{2}gh = 879 dm^{3} x 9,81
m/s^{2} x 1 m. = 8,6 x 106 Nm
La masa m de empuje hacia arriba es el volumen de
aire de 554 m^{3}, pero la masa de la turbina es de 1.070 Tn. y
la celeridad o velocidad lineal v será
v = (2 \
K/m)^{^{1}/_{2}}
v = (( 2 ( 1,71 x 10^{8})
kg.m^{2}/s^{2} : 1.070 Tn)^{^{1}/_{2}} = 17,9
m/s
La circunferencia de la turbina es de: C = 30 m x
3,14 = 94,2 m. y el tiempo que transcurre en una rotación de la
turbina es de: 94,2 m : 17,9 m/s = 5,26 s/r
La turbina se construirá con diseño
hidrodinámico, como se expresa en la figura, pero la entrada del
aire y salida del agua en la circunferencia exterior de la turbina
causan turbulencias en el agua por el giro de la turbina, lo cual
añadido a los rozamientos de ejes y rodamientos, provoca una
disminución de su eficiencia que se traduce en una disminución de
la velocidad lineal de giro de la turbina, y en una primera
aproximación el coeficiente de rozamientos disminuirá la velocidad
de la turbina a un 90% del nominal, por lo que \eta_{r} = 0,9 y
por lo tanto la velocidad lineal la reduciremos en ese valor: v =
17,9 m/s x \eta_{r} =17,9 m/s x 0,9 = 16,1 m/s
La velocidad angular \varpi de un punto que se
mueve sobre una circunferencia es: \varpi = \theta/t donde
\theta es el ángulo que ha girado el objeto en el tiempo t.
Todos los puntos de un cuerpo rígido tienen la
misma velocidad angular, ya que todos giran el mismo ángulo en el
mismo tiempo.
La unidad de velocidad angular es el radian por
segundo o las revoluciones por minuto y las equivalencias son: 360º
= 27\pi radianes = 1 revolución y 1 r/min =2\pirad/60 s = 0,105
rad/s.
Cuando se mide \theta en radianes, la distancia
s que recorre un punto sobre la circunferencia está relacionada con
\theta por: \theta = s/r de donde s = \thetar y dividiendo los
dos términos de la igualdad por el tiempo t del movimiento, se
tiene: s/t = \thetar/t o sea v =\varpir
donde \varpi=\theta/t es la
velocidad angular medida en radianes por segundo y v = s/t es la
celeridad lineal que es de 16,1
m/s
siendo la circunferencia de 94,2 m
y la velocidad lineal de 16,1 m/s, una rotación tardará un tiempo
de 94,2 m/r.: 16,1 m/s = 5,85 s/r y las rotaciones por minuto
serán: 60 segundos : 5,85 s/r = 10,26 rotaciones por
minuto
Si se divide el cuerpo rígido en infinitérsimos
de masa m_{i}, con una distancia r_{i} al eje de giro, la
celeridad lineal del elemento de superficie i-ésimo es: v =
\varpir, por lo que la energía cinética del elemento de
superficie será:
K_{i} \ = \
^{1}/_{2} \ m_{i} \ v_{i}{}^{2} \ = \ ^{1}/_{2} \ m_{i} \
(\varpi \ r)^{2} \ = \ ^{1}/_{2} \ m_{i} \ \varpi^{2} \
r_{i}{}^{2}
La energía cinética total K del cuerpo rígido es
la suma de las energía cinéticas de todos sus elementos de
superficie, luego, K = \SigmaK_{i} donde \Sigma significa
suma extendida a todos los elementos de superficie: K = \SigmaK
= \Sigma ½ m_{i} \varpi_{i}^{2} r_{i}{}^{2}, sacando
factor común fuera de la suma (½ \varpi^{2}) se tiene: K = ½
\varpi^{2} \Sigma m_{i} r_{i}{}^{2} o sea, K = ½ l
\varpi^{2}, siendo l = \Sigma m_{i} r_{i}{}^{2}, que es
una constante llamada momento de inercia del cuerpo rígido respecto
al eje de rotación
La ecuación K = ½ l \varpi^{2}, expresa la
energía cinética de rotación de un cuerpo rígido que gira con
velocidad angular \varpi, análogamente a la energía cinética
normal de una masa m que se mueve con la celeridad v.
El momento de inercia desempeña el papel de la
masa m y la velocidad angular \varpi, el de la celeridad lineal
v.
El momento de inercia depende de la forma del
cuerpo y del eje de rotación, pero no depende de la velocidad ni de
la posición del cuerpo. El momento de inercia de una cilindro
tubular es: I = m r^{2}, donde m = masa de turbina es de = 1.070
Tn y siendo, r = el radio interior del cilindro = 13 m.
1.- El momento de inercia es: l = mr^{2} =
1.070 Tn x (13 m)^{2} = 180,8 x10^{6} kg/m^{2}
2.- La celeridad angular es: \varpi = 10,26
r/min = (10,26) (0,105 rad/s) = 1,077 rad./s
3.- Por lo tanto la energía cinética de rotación
será: K = l \varpi^{2} = (1.070 Tn) (13 m)^{2} (1,077
rad/s)^{2} = 209,75 x 10^{6} kg.m^{2}/s^{2}
El trabajo realizado por la turbina es de: 209,75
x 10^{6} kg.m^{2}/s^{2} = 209,75 x 10^{6} Nm = 209,75 x
10^{6} J y este trabajo se realiza durante la parte de la
rotación ascendente, es decir, durante un tiempo de: 47,1 m. : 16,1
m/s = 2,925 segundos de ascensión
El trabajo realizado por la turbina en un segundo
es: 209,75 x 10^{6} J : 2,925 s = 71.709.388 W = 71,7 MW que es
la potencia obtenida de la energía cinética de la turbina inmersa
en agua, movida por el empuje hacia arriba debido al aire
introducido dentro de ella.
La velocidad lineal de un punto exterior de la
turbina es = 16,1 m/s, y siendo el volumen de aire en los alvéolos
ascendentes de 554 m^{3}, se tiene un volumen de aire por metro
lineal de circunferencia de: 554 m^{3} : 47,1 m = 11,76 m^{3}/m
y en consecuencia el volumen de aire que hay que llenar por segundo
es de: 16,1 m/s x 11,76 m^{3}/m = 189,3 m^{3}/s de aire.
Se dispone de un flujo de llenado de 5,6 dm^{3}
/s/kW, por lo que la potencia de los compresores serán: 189,3
m^{3}/s: 5,6 dm^{3}/s/kW = 33,8 MW
| Potencia eléctrica producida | = | 71,7 MW |
| Autoconsumo de compresores | = | 33,8 MW |
| Potencia exportable a la re | = | 37,9 MW |
De acuerdo con lo expuesto, el sistema se puede
aplicar utilizando la fuerza de la gravedad en el mar, o bien
utilizando la fuerza de la gravedad en la tierra, según se ve en
las figuras (4, 5, 6) y (7, 8, 9), respectivamente, siendo en uno u
otro caso como sigue:
Planta de 71,7 MW de potencia eléctrica
instalada, con 37,8 MW de Potencia Exportable a la Red, y 33,8 MW
de Potencia de Compresores.
Los puertos exteriores con fondos del mar
superiores a los 35 m. pueden albergar una potencia eléctrica
generada con la Fuerza de la Gravedad, varias veces superior a la
potencia que actualmente se está instalando en plantas de
generación eléctrica en ciclo combinado y sin consumo de ninguna
energía polucionante.
Se pueden instalar en batería varías
instalaciones de producción de energía eléctrica, sobre pontones
flotantes o estructuras en forma de catamarán 7, en cuyo interior
se alberga toda la maquinaria necesaria para dicha producción
eléctrica, como la turbina, los compresores 8, los alternadores,
los transformadores y en general toda la maquinaria de producción y
transformación de la energía cinética en energía eléctrica.
Cada uno de estos pontones o estructuras
flotantes, (fig. 4,5 y 6) tiene una eslora de 40 metros, una manga
de 20 m. y una obra viva que corresponde a la altura o diámetro de
la turbina de 30 m. Cada uno de estos pontones tiene una potencia
exportable a la red de 37,9 MW, por lo que la capacidad de
instalación de este tipo de producción eléctrica puede ser de
varios miles de MW sin polución alguna. En general una instalación
de este tipo consta de los siguientes apartados:
La turbina 1 transforma el empuje hacia arriba
del aire que recibe de los compresores 8 en una energía cinética
de 71,7 MW de potencia, y tiene las siguientes dimensiones.
| Diámetro exterior | 30 m. |
| Diámetro interior | 26 m. |
| Anchura | 10 m. |
| Alvéolos abiertos-cerrados | 48 alvéolos |
| Volumen alvéolos | 1.758 m^{3} |
| Volumen agua descendente | 879 m^{3} |
| Aire interior | 554 m^{3} |
| Aire por metro | 11,76 m^{3}/m |
| Peso de la turbina | 190 Tn. |
\newpage
La turbina está sumergida en el agua, por lo que
su peso se ve disminuido por el peso del agua que desaloja, es
decir
190 Tn : 7,85 kg/dm^{3} = 24 Tn
190 Tn - 24 Tn = 166 Tn
La parte giratoria de la turbina, de acero
inoxidable de 5 mm de espesor remachado y soldado, similar a como
se construyen los barcos, tiene un peso aproximado dentro del agua
de 166 Tn que gravitan sobre el eje. Este peso es excesivo para un
buen funcionamiento de los rodamientos etc.. de la turbina, por lo
que en la parte central concéntrico con el eje, se dispone el
compartimento circular 5 que está herméticamente cerrado y lleno de
aire para equilibrar el peso de la turbina, de forma que no sufran
sobrecarga los rodamientos y cojinetes, etc,
166 Tn = 166 m^{3}
166 m^{3} : 10 m. = 16,6 m^{2}
(16,6 m^{2} : 3,14) ½ = 2,3 m. de radio
Sobre la turbina 1 hay una plataforma o
estructura flotante 7, que se asemeja en su forma a un catamarán, y
que sustenta la turbina giratoria mediante dos cuerpos huecos 15
que fijan el eje de la turbina a la plataforma flotante, como se
indica en las fig. 4 y 5.
Estas columnas o cuerpos 15 están suficientemente
arriostradas para evitar cualquier desplazamiento de la turbina en
relación a la plataforma flotante 7 evitando esfuerzos no deseables
a los rodamientos del eje, y su volumen está en función de los
pesos de las diversas maquinarias que debe soportar. Sus
dimensiones en planta no exceden de 20 m. de manga por 40 m. de
eslora (fig. 6).
El compresor de aire axial 8 de 33,8 MW de
potencia, con un flujo de entrada de aire de 300 m^{3}/s y con un
flujo de salida de aire de 69,3 m^{3}/s a 3,5 bar de presión.
Dicho compresor de aire 8 se encuentra en el
interior de la plataforma o estructura flotante 7 y toma el aire
del exterior (fig. 5), y está equipado y protegido por sistemas
antivibraciones y antirruidos.
Pueden instalarse dos compresores de 17 MW cada
uno para mejor distribución de pesos y flujos de aire.
El aire del compresor 8 se transmite a la parte
inferior 9 de la turbina 1 mediante una tubería 10 que termina en
varias bocas orientadas hacia las entradas de los alvéolos 2, (fig.
1). Estas bocas tienen una superficie total de salida del aire de
18,66 m^{2} por lo que la velocidad de salida del aire es de 16,1
m/s, que coincide con la velocidad de rotación de la turbina.
El eje 4 de rotación de la turbina 1 en ambas
extremidades acciona sendos multiplicadores de rotaciones que dan
las revoluciones adecuadas a dos alternadores 6 de 36 MW cada uno,
colocados en línea con el eje de la turbina, (fig. 4, 5 y 6) y
situados en el interior de los cuerpos sumergidos 15 del pontón o
estructura flotante 7.
El eje horizontal 4 de rotación de la turbina 1,
alternativamente, puede transmitir también el movimiento rotatorio
a ejes verticales, insertos en las columnas huecas que sustentan la
turbina, y que éstos a su vez transmiten su movimiento a los
alternadores situados encima de la plataforma flotante junto al
compresor.
En el interior de la plataforma o estructura
flotante se encuentran los alternadores y transformadores de 71,7
MW de potencia, que recogen transforman y entregan la energía
eléctrica.
El volumen hueco de la plataforma es el adecuado
para sustentar el peso de ella misma y de la maquinaria que
soporta en su interior o en su superficie.
\newpage
En general toda la maquinaria puede ser dividida
en dos mitades que trabajarían en paralelo sobre cada una de las
dos extremidades del eje de la turbina.
Planta de 71,7 MW de potencia eléctrica
instalada, con 37,9 MW de Potencia Exportable a la Red, y 33,8 MW
de Potencia de Compresores.
El agua con cierta profundidad se puede encontrar
en lagos interiores, en cuyo caso se trabajaría como lo señalado
para el mar, o en excavaciones que se realicen al efecto (figuras
7, 8 y 9).
La turbina 1 tiene una altura de 30 m., por lo
que el agua embalsada debe tener una profundidad algo mayor, y
esta altura se puede dividir en dos partes, una parte importante,
digamos dos tercios de la profundidad en excavación 12 en tierra
bajo la cota cero, y un tercio en diques de hormigón 14 sobre la
cota cero, (fig. 7).
Las dimensiones de la obra civil de la excavación
y diques, no serán muy superiores a las dimensiones de la turbina,
con uno o dos metros suplementarios es suficiente, ya que no es
necesaria mucha cantidad de agua, sino simplemente, agua.
En general una instalación de este tipo consta de
los siguientes apartados:
La obra civil terminada tendrá unas dimensiones
bajo la cota cero de, 24 m. de profundidad por 34 m. de longitud y
12 m. de anchura, por lo que la excavación será la adecuada para
instalar en su interior una capa de hormigón armado en toda su
periferia.
El volumen de tierra excavado es del orden de los
8.000 m^{3}.
El hormigón que contiene el agua en la excavación
continúa hasta una altura de 12 m. sobre la cota cero, (fig. 7 y
8) con contrafuertes de reforzamiento, hasta alcanzar los 30 a 32
m. de profundidad del agua. El volumen de hormigón armado es del
orden de los 1.700 m^{3}.
La turbina transforma el empuje hacia arriba del
aire que recibe de los compresores 8 en una energía cinética de
71,7 MW de potencia, con las siguientes dimensiones.
| Diámetro exterior | 30 m. |
| Diámetro interior | 26 m. |
| Anchura | 10 m. |
| Alvéolos abiertos-cerrados | 90 alvéolos |
| Volumen alvéolos | 1.758 m^{3} |
| Volumen agua descendente | 879 m^{3} |
| Aire interior | 554 m^{3} |
| Aire por metro | 11,76 m^{3}/m |
| Peso de la turbina | 190 Tn. |
La turbina está sumergida en el agua, por lo que
su peso se ve disminuido por el peso del agua que desaloja, es
decir
190 Tn : 7,85 kg/dm^{3} = 24 Tn
190 Tn - 24 Tn = 166 Tn
Eliminación del peso de la turbina dentro del
agua. La parte giratoria de la turbina, de acero inoxidable de 5 mm
de espesor remachado y soldado, similar a como se construyen los
barcos, tiene un peso aproximado dentro del agua de 190 Tn que
gravitan sobre el eje.
Este peso es excesivo para un buen funcionamiento
de los rodamientos etc.. de la turbina, por lo que en la parte
central concéntrico con el eje, disponemos de un compartimento
circular que está herméticamente cerrado y lleno de aire para
equilibrar el peso de la turbina, de forma que no sufran sobrecarga
los rodamientos y cojinetes, etc,
166 Tn = 175 m^{3}
166 m^{3} : 10 m. = 16,6 m^{2}
(16,6 m^{2} : 3,14) ½ = 2,3 m. de radio
Tanto el hormigón de la excavación como el
hormigón sobre la cota cero tiene en sus paredes longitudinales,
sendas cámaras verticales 16 libres de agua, (fig. 7 y 9) donde se
aloja el engranaje que transmite verticalmente la energía cinética,
o en su caso los propios alternadores 6 alojados en dichos huecos y
que reciben mediante un reductor multiplicador, directamente la
energía cinética del eje de la turbina.
El compresor de aire axial de 33,8 MW de
potencia, con un flujo de entrada de aire de 300 m^{3}/s y con un
flujo de salida de aire de 69,3 m^{3}/s a 3,5 bar de presión. El
compresor de aire 8 se encuentra en el exterior, y está equipado y
protegido por sistemas antivibraciones y antirruidos.
El aire del compresor 8 se transmite a la parte
inferior 9 de la turbina mediante una tubería 10 que termina en
varias bocas orientadas hacia las entradas de los alvéolos, (fig.
1) estas bocas tienen una superficie total de salida del aire de
18,66 m^{2} por lo que la velocidad de salida del aire es de 16,1
m/s, que coincide con la velocidad de rotación de la turbina.
El eje de rotación 4 de la turbina 1 en ambas
extremidades acciona sendos multiplicadores de rotaciones que dan
las revoluciones adecuadas a los alternadores 6 colocados en línea
con el eje de la turbina, y situados en el interior de los cuerpos
sumergidos del pontón flotante.
El eje horizontal de rotación 4 de la turbina,
alternativamente, puede transmitir también el movimiento rotatorio
a ejes verticales, insertos en las columnas huecas que sustentan la
turbina, y que éstos a su vez transmiten su movimiento a los
alternadores situados encima de la plataforma flotante junto al
compresor.
En el interior de la plataforma flotante se
encuentran los alternadores y transformadores de 71,7 MW de
potencia, que recogen transforman y entregan la energía
eléctrica.
El volumen hueco de la plataforma es el adecuado
para sustentar el peso de ella misma y de la maquinaria que
soporta en su interior y en su superficie.
Claims (17)
1. Sistema para obtener energía eléctrica, que
basándose en un exclusivo aprovechamiento de la fuerza de gravedad,
se caracteriza por comprender una turbina giratoria (1)
sumergida en agua o cualquier fluido, incluido el mercurio, la cual
presenta una compartimentación formando alvéolos periféricos (2)
abiertos hacia el exterior, capaces de recibir aire a presión y
conservarlo durante la fase de ascenso en el giro de la turbina
(1), mientras que en la fase de descenso del giro de dicha turbina
(1), los alvéolos (2) expulsan el aire libremente.
2. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación primera, caracterizado porque dichos alvéolos
(2) están separados radialmente (3), y abiertos en la
circunferencia máxima.
3. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque los
radios separadores (3) de los alvéolos (2) se prolongan doblándose
sobre el alvéolo siguiente según el sentido del giro, evitando el
escape del aire durante la fase de ascensión del alvéolo (2)
durante el giro de la turbina (1).
4. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación anterior, caracterizado porque los radios
doblados (3) sobre los alvéolos (2) dejan una abertura por donde
entra el aire y sale el agua en la fase ascendente, y sale el aire
y entra el agua en la fase descendente, durante el giro de la
turbina (1).
5. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación primera, caracterizado porque el peso de la
turbina (1) inmersa en el agua (11) y por lo tanto su empuje hacia
abajo, queda compensado mediante una cámara hermética de aire (5) o
mezcla porosa adecuada, con un volumen tal que su empuje hacia
arriba sea de igual o parecida fuerza que el empuje hacia abajo del
peso de la turbina (1) en el fluido o agua (11).
6. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación primera, caracterizado porque el aire que se
introduce en los alvéolos (12) es inyectado mediante compresores
(8) de aire en la parte inferior o base (9) de la turbina (1) a una
presión igual o superior a la presión que el agua (11) o fluido
tienen en tal base de la turbina.
7. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación anterior, caracterizado porque el aire
inyectado en la base (9) de la turbina (1) asciende con empuje
hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja, poniendo en
movimiento a la turbina (1), y desarrollando así una energía
cinética.
8. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación anterior, caracterizado porque la energía
cinética circular de la turbina (1), se transforma en energía
eléctrica, moviendo un alternador (6) y sistemas eléctricos
complementarios.
9. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación primera, caracterizado porque el diámetro de
la turbina (1), o altura de elevación del aire, es superior al
inverso del flujo medio de llenado de aire del compresor (8), medido
en metros cúbicos por segundo por kW de potencia utilizada,
multiplicado por la gravedad, hasta un límite máximo determinado,
cuando la altura obtenida es superior a la presión del compresor
(8) multiplicada por la gravedad.
10. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación primera, caracterizado porque la anchura de
la turbina (1) es indeterminada.
11. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación primera, caracterizado porque la turbina
(1), puede ser turbina vertical de dos ejes (4'), con cinta o
cadena de cangilones invertidos (2'), capaces de recibir el aire y
expulsarlo según reivindicaciones 1,6,7,8,9 y 10.
12. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicaciones primera y onceava, caracterizado porque
ambas turbinas circular y vertical pueden ser fabricadas además de
con el acero en sus diversas modalidades y otros metales, con
fibras ligeras de alta resistencia como fibras de vidrio y fibras
de carbono.
13. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicaciones primera, novena y décima, caracterizado
porque dicha turbina se instala en el mar o en lagos, en un pontón
o estructura flotante (7) en forma de catamarán, cuyos cuerpos
sumergidos soportan el eje (4) de la turbina (1) dentro del agua
(11).
14. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación treceava, caracterizado porque el eje (14)
de la turbina (1) mueve alternadores (6) situados en el interior de
los dos cuerpos sumergidos en el agua del pontón o estructura
flotante (7).
15. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicaciones primera, novena, décima y treceava,
caracterizado porque la turbina (11) se instala en un hueco
(12) practicado o excavado en la tierra, lleno de agua (11), y en
cuyo interior se sitúa la turbina (1).
\newpage
16. Sistema para obtener energía eléctrica, según
reivindicación anterior, caracterizado porque el eje (4) de
la turbina (1) se prolonga hasta el interior de dos cuerpos vacíos
de agua donde se encuentran los alternadores (6) accionados por
dicho eje (4).
17. Sistema para obtener energía eléctrica,según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado
porque el diámetro de la turbina (1) es tal que la energía cinética
de la elevación del aire es superior a la energía del compresor (8)
utilizada en introducir dicho aire en la parte inferior o base (9)
de la turbina (1).
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| ES200300987A ES2237283B1 (es) | 2003-04-30 | 2003-04-30 | Sistema para obtener energia electrica. |
| ES200302539A ES2237313B1 (es) | 2003-04-30 | 2003-10-30 | Mejoras introducidas en la patente de invencion p-200300987/6, por: sistema para obtener energia electrica. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200300987A ES2237283B1 (es) | 2003-04-30 | 2003-04-30 | Sistema para obtener energia electrica. |
Publications (2)
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| ES2237283A1 ES2237283A1 (es) | 2005-07-16 |
| ES2237283B1 true ES2237283B1 (es) | 2006-10-16 |
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ID=34802785
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200300987A Expired - Lifetime ES2237283B1 (es) | 2003-04-30 | 2003-04-30 | Sistema para obtener energia electrica. |
| ES200302539A Withdrawn - After Issue ES2237313B1 (es) | 2003-04-30 | 2003-10-30 | Mejoras introducidas en la patente de invencion p-200300987/6, por: sistema para obtener energia electrica. |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200302539A Withdrawn - After Issue ES2237313B1 (es) | 2003-04-30 | 2003-10-30 | Mejoras introducidas en la patente de invencion p-200300987/6, por: sistema para obtener energia electrica. |
Country Status (1)
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| Date | Code | Title | Description |
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20050716 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2237283B1 Country of ref document: ES |
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| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20070321 |