ES2284310B1 - ELECTRICAL ENERGY PRODUCING DEVICE FROM A MOVING FLUID, USING A VARIABLE RELUCTANCE GENERATOR. - Google Patents
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Abstract
Concebido para obtener energía eléctrica a partir de corrientes marinas o fluviales, consta de una turbina (1) que hace girar el rotor (7) de un generador magnetoeléctrico que no necesita estar sellado de forma estanca, cuyo inductor está formado por una rueda dentada de material magnético y cuyo inducido es fijo y está formado por imanes (5), preferentemente en forma de herradura, que incorporan bobinas (6) y rodean semiabrazando siendo atravesados secuencialmente por los dientes y huecos de la citada rueda dentada, de modo que la reluctancia varía, generándose una f.e.m. inducida. Todo recubierto de un material antiadherente y resistente a la corrosión. Opcionalmente instalados en toberas y usando multiplicadores. Pueden ir suspendidos de una plataforma y/o anclados, sumergidos total o parcialmente en el seno de la masa de agua en movimiento.Conceived to obtain electrical energy from marine or river currents, it consists of a turbine (1) that rotates the rotor (7) of a magnetoelectric generator that does not need to be sealed tightly, whose inductor is formed by a cogwheel of magnetic material and whose armature is fixed and is formed by magnets (5), preferably in the form of a horseshoe, which incorporate coils (6) and surround half-roundly being traversed sequentially by the teeth and gaps of said cogwheel, so that the reluctance varies, generating a fem induced. All coated with a non-stick and corrosion resistant material. Optionally installed in nozzles and using multipliers. They can be suspended from a platform and / or anchored, totally or partially submerged within the body of moving water.
Description
Dispositivo productor de energía eléctrica a partir de un fluido en movimiento utilizando un generador de reluctancia variable.Electricity producing device a from a moving fluid using a generator variable reluctance.
En la presente invención se trata de transformar la energía cinética de un fluido en movimiento en energía eléctrica, utilizando para ello un generador de reluctancia variable. Puede utilizarse con cualquier tipo de fluido en movimiento, pero vamos a considerar su aplicación principalmente para transformar la energía de las corrientes marinas y fluviales y la del movimiento de las olas en energía eléctrica, por medio de un motor hidráulico (turbina) que accione un generador eléctrico de reluctancia variable que se describirá a continuación. En el caso de las corrientes marinas y fluviales, el sistema irá suspendido de una plataforma y/o anclado, y sumergido total o parcialmente en el seno de la masa de agua en movimiento.In the present invention it is about transforming the kinetic energy of a moving fluid in energy electric, using a reluctance generator variable. It can be used with any type of fluid in movement, but we will consider its application mainly to transform the energy of marine and river currents and the one of the movement of the waves in electrical energy, by means of a hydraulic motor (turbine) that drives an electric generator of variable reluctance that will be described below. In the case of marine and river currents, the system will be suspended from a platform and / or anchored, and submerged totally or partially in the sine of the moving body of water.
Está pensado básicamente para ser utilizado con corrientes marinas, sean estas submarinas o superficiales, ya que en las corrientes marinas hay una gran cantidad de energía cinética, por lo que el principal objetivo es el de obtener a partir de ella energía eléctrica de una forma limpia, sin generar residuos ni producir contaminación.It is basically intended to be used with marine currents, whether these are underwater or surface, since in the sea currents there is a lot of energy kinetics, so the main objective is to obtain from from it electric energy in a clean way, without generating waste nor produce pollution.
Las centrales mareomotrices que aprovechan la energía de las mareas, presentan el problema de que en ellas existen tiempos muertos y de que necesitan de emplazamientos especiales de la costa, como desembocaduras de algunos ríos, estuarios, etc., en los que hay que preparar un sistema que almacene una gran cantidad de agua, de forma que, durante el llenado y/o el vaciado dé lugar a una fuerza motriz que actúe sobre un motor hidráulico que a su vez haga mover un generador eléctrico.Tidal power plants that take advantage of the tidal energy, they present the problem that in them there are dead times and that need locations special ones of the coast, like mouths of some rivers, estuaries, etc., where you have to prepare a system that stores a large amount of water, so that during filling and / or the emptying results in a driving force acting on an engine hydraulic that in turn causes an electric generator to move.
Esta limitación no existe en las corrientes oceánicas ya que la energía que se utiliza es la cinética de las corrientes marinas y no la de las variaciones de nivel del agua del mar producidas por las mareas, que son movimientos alternativos con tiempos muertos y variables. La energía de las corrientes oceánicas es prácticamente constante, inmensamente grande, inagotable, renovable y ecológica, no existiendo tiempos muertos, por lo que también tiene ventajas en relación con los generadores eólicos y la energía solar, al no tener tiempos muertos (falta de viento, etc.). Además tampoco necesitan de emplazamientos especiales de la costa, como desembocaduras de algunos ríos, estuarios, etc., ni de la construcción de diques, ni sistemas de desviación de fluidos, etc.This limitation does not exist in the streams. oceanic since the energy used is the kinetics of sea currents and not that of water level variations of the sea produced by the tides, which are alternative movements with Dead and variable times. The energy of ocean currents it's practically constant, immensely large, inexhaustible, renewable and ecological, there are no dead times, so It also has advantages in relation to wind generators and solar energy, having no dead times (lack of wind, etc.). They also do not need special coastal locations, as mouths of some rivers, estuaries, etc., or of the construction of dikes or fluid diversion systems, etc.
La obtención de energía de las corrientes oceánicas, es en principio, fácil; es suficiente con sumergir en ellas una turbina hidráulica convenientemente orientada que accione un generador eléctrico.Obtaining energy from currents oceanic, it is in principle, easy; it is enough to dip in they a conveniently oriented hydraulic turbine that drives an electric generator
El mayor problema que se presenta reside en la dificultad de obtener el conveniente aislamiento del sistema eléctrico, dado que la estanqueidad de los aparatos, en especial el del eje del rotor, es imperfecta, y por bien que se diseñe acaba fallando, lo que dará lugar a que el agua inutilice algún elemento delicado del dispositivo.The biggest problem that arises lies in the difficulty obtaining the convenient system isolation electrical, since the tightness of the devices, especially the of the rotor shaft, it is imperfect, and no matter how well it is designed it ends failing, which will cause the water to disable some element delicate device.
Este problema se resuelve empleando un sistema tal que prescinda de la estanqueidad del eje. Un sistema en el que no importe que el aparato generador de electricidad esté en contacto con el agua.This problem is solved using a system such that it dispenses with the shaft seal. A system in which it does not matter that the electricity generating apparatus is in contact with water.
Para ello es necesario eliminar todo el sistema de colectores y escobillas existentes en los generadores convencionales, lo que se puede conseguir empleando un generador magnetoeléctrico con inducido fijo e inductor móvil que no necesite estar sellado de forma estanca. De este modo el sistema eléctrico, tanto de las bobinas del inducido como los bornes de salida, son fijos, con lo que podrán estar perfectamente aislados. El rotor ha de estar constituido por un elemento que no necesite disponer de corriente eléctrica, lo que se puede conseguir utilizando un generador de reluctancia variable como el que se describirá a continuación.For this it is necessary to remove the entire system of existing collectors and brushes in the generators conventional, which can be achieved using a generator magnetoelectric with fixed armature and mobile inductor that you don't need Be sealed tightly. In this way the electrical system, both the armature coils and the output terminals are fixed, so they can be perfectly isolated. The rotor has of being constituted by an element that does not need to have electric current, which can be achieved using a variable reluctance generator like the one to be described at continuation.
De forma más concreta, el estator estará constituido por uno o varios imanes permanentes, preferiblemente en forma de herradura, que forman el núcleo del arrollamiento de las bobinas del inducido.More specifically, the stator will be consisting of one or several permanent magnets, preferably in horseshoe shape, which form the core of the winding of the armature coils.
El rotor está constituido por una rueda dentada de material magnético no imantado. Con objeto de evitar que al girar se produzcan remolinos, los huecos entre los dientes pueden estar rellenos de un material no magnético o mejor aún diamagnético.The rotor is constituted by a cogwheel of non-magnetic magnetic material. In order to prevent the turn swirls, the gaps between the teeth can occur be filled with a non-magnetic material or better yet Diamagnetic
Al girar el rotor entre los polos N y S del estator, van pasando sucesivamente los dientes y los huecos entre los citados polos, con lo que la reluctancia del circuito magnético varía y con ella el flujo magnético que atraviesa las espiras del inducido, lo cual da lugar a la creación en las mismas de una fuerza electromotriz inducida, que se suministra a través de una pareja de cables (25) que se unen preferentemente con los del resto de las bobinas para configurar una pareja de cables de salida para la corriente generada, suministrada a un transformador elevador.By rotating the rotor between the N and S poles of the stator, teeth and gaps are successively passing between the aforementioned poles, bringing the reluctance of the magnetic circuit varies and with it the magnetic flux that crosses the turns of the induced, which results in the creation in them of a force Induced electromotive, which is supplied through a pair of cables (25) that preferably join with those of the rest of the coils to configure a pair of output cables for the generated current, supplied to an elevator transformer.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of that description, a set of drawings where with illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:
La figura 1.- Muestra una vista esquemática del conjunto formado en este caso por un motor hidráulico, constituido en este ejemplo simplemente por una hélice de palas fijas, y un generador eléctrico de reluctancia variable.Figure 1.- Shows a schematic view of the set formed in this case by a hydraulic motor, constituted in this example simply by a fixed blade propeller, and a variable reluctance electric generator.
La figura 2.- Muestra una vista esquemática del conjunto anterior introducido en la zona de sección crítica una tobera convergente-divergente.Figure 2.- Shows a schematic view of the previous set introduced in the critical section zone a convergent-divergent nozzle.
La figura 3.- Muestra el conjunto anterior, mostrando además en el interior de la tobera un recipiente que contiene el generador y otros elementos (sistema de engranajes multiplicador, transformador elevador de tensión para facilitar su transporte, etc.), y representándose también una boya de señalización y el anclaje del sistema.Figure 3.- Shows the previous set, also showing inside the nozzle a container that Contains the generator and other elements (gear system multiplier, voltage booster transformer to facilitate your transport, etc.), and also representing a buoy of signaling and anchoring system.
La figura 4.- Muestra un ejemplo de realización del generador de reluctancia variable propuesto.Figure 4.- Shows an example of embodiment of the proposed variable reluctance generator.
La figura 5.- Muestra un sistema de engranajes multiplicador.Figure 5.- Shows a gear system multiplier.
La figura 6.- Muestra una turbina del tipo rueda de paletas.Figure 6.- Shows a wheel type turbine of pallets.
La figura 7.- Muestra un par de turbinas del tipo rueda de paletas con el generador en el eje común a ambas.Figure 7.- Shows a pair of turbines of the paddle wheel type with the generator on the axis common to both.
Un ejemplo práctico de realización del dispositivo productor de energía eléctrica a partir de un fluido en movimiento utilizando un generador de reluctancia variable se muestra en las figuras 1 a 5.A practical example of realization of electric power producing device from a fluid in movement using a variable reluctance generator will shown in figures 1 to 5.
La figura 1 es una vista esquemática del conjunto formado en este caso por:Figure 1 is a schematic view of the set formed in this case by:
- 1.one.
- un motor hidráulico, que podría estar constituido simplemente por una hélice (1) de palas fijas como la representada.a hydraulic motor, which could be simply a propeller (1) of fixed blades as shown.
- 2.2.
- un generador eléctrico (2) cuyo rotor está unido a la hélice por medio del eje (3).a electric generator (2) whose rotor is attached to the propeller by means of the shaft (3).
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El fluido (4) en su movimiento, acelerado o no, actúa sobre el motor hidráulico (1), el cual a su vez acciona el generador de reluctancia variable (2).The fluid (4) in its movement, accelerated or not, acts on the hydraulic motor (1), which in turn drives the variable reluctance generator (2).
Un ejemplo práctico de realización de un generador de reluctancia variable se representa en la figura 4.A practical example of realization of a Variable reluctance generator is depicted in Figure 4.
El estator estará constituido por uno o varios imanes permanentes (5), preferiblemente en forma de herradura, que forman el núcleo del arrollamiento de las bobinas del inducido (6).The stator will consist of one or more permanent magnets (5), preferably horseshoe-shaped, which form the winding core of the coils of the armature (6).
El rotor (7) está constituido por una rueda dentada de material magnético no imantado. Con objeto de evitar que al girar se produzcan remolinos, los huecos (8) entre los dientes (9) (cuya forma y tamaño puede variar según el caso) pueden estar rellenos de un material no magnético o mejor aún diamagnético.The rotor (7) is constituted by a wheel serrated non-magnetic magnetic material. In order to prevent when turning there are eddies, the gaps (8) between the teeth (9) (whose shape and size may vary depending on the case) may be filled with a non-magnetic or better still diamagnetic material.
Al girar el rotor (7) entre los polos N y S de los imanes (5) del estator, van pasando sucesivamente los dientes y los huecos. Cuando entre los polos del imán hay un hueco (8), la reluctancia del circuito magnético es máxima y el flujo magnético que atraviesa las espiras de la bobina (6) es mínimo. Cuando entre los polos del imán (5) hay un diente (9), la reluctancia es mínima, por lo que el flujo magnético que atraviesa las espiras del inducido es máximo.By rotating the rotor (7) between the N and S poles of the magnets (5) of the stator, the teeth are successively passing and the holes. When there is a gap between the poles of the magnet (8), the magnetic circuit reluctance is maximum and magnetic flux which passes through the windings of the coil (6) is minimal. When i enter the poles of the magnet (5) there is a tooth (9), the reluctance is minimal, so the magnetic flux that goes through the turns of the induced is maximum.
Al girar la rueda dentada la reluctancia varía, por lo que varía también el flujo magnético que atraviesa las espiras del inducido, lo cual da lugar a la creación en las mismas de una fuerza electromotriz inducida. Esta f.e.m. inducida, se extrae mediante un par de cables (25) que se unen preferentemente con los del resto de las bobinas para configurar una pareja de cables de salida para la corriente generada, suministrada a un transformador elevador, desde el cual se envía al lugar de consumo o a la red eléctrica para su distribución.Turning the cogwheel reluctance varies, therefore the magnetic flux that crosses the turns of the armature, which gives rise to creation in them of an induced electromotive force. This f.e.m. induced, it extracted by a pair of cables (25) that are preferably joined with the rest of the coils to configure a pair of output cables for the generated current, supplied to a elevator transformer, from which it is sent to the place of consumption or to the power grid for distribution.
La colocación del material diamagnético entre los dientes (9) de la rueda giratoria, además de evitar que se produzcan remolinos, hace que la variación del flujo sea mayor.The placement of the diamagnetic material between the teeth (9) of the rotating wheel, in addition to preventing produce eddies, makes the variation of the flow greater.
Para aumentar la cantidad de energía obtenida, se puede aumentar la velocidad de giro utilizando diversos métodos, entre los que destacaremos los siguientes:To increase the amount of energy obtained, the speed of rotation can be increased using various methods, Among which we will highlight the following:
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- 1.one.
- El efecto Venturi. Para ello podrá llevar un sistema adecuado formado por toberas (10) para aumentar la velocidad del fluido, como por ejemplo el mostrado en las fig. 2 y 3, en el que se ha representado una tobera convergente-divergente con el sistema instalado en la zona de su sección crítica.He Venturi effect To do this you can bring a suitable system formed by nozzles (10) to increase the speed of the fluid, as per example shown in fig. 2 and 3, in which it has been represented a convergent-divergent nozzle with the system installed in the area of its critical section.
- Se tendrá en cuenta además que los mejores lugares de instalación para obtener un mayor rendimiento sería ubicando el sistema en lugares en que se aprovechen las irregularidades de los fondos marinos o las provocadas por la proximidad de paredes rocosas.It will be taken in also has the best installation locations to obtain greater performance would be by placing the system in places where take advantage of the irregularities of the seabed or caused by the proximity of rocky walls.
- 2.2.
- Multiplicadores de velocidad, tal como el sistema de engranajes que se instalará entre la turbina y el generador para obtener una velocidad de rotación del rotor adecuada.Speed multipliers, such as the gear system that will be installed between the turbine and the generator to get a rotor rotation speed adequate.
- Un ejemplo simple de sistema multiplicador está representado en la figura 5, y tiene por objeto obtener en el generador de la figura 4, una velocidad de rotación muy superior a la de la turbina. De esta forma, y tal como ya hemos mencionado, aunque los álabes de la turbina giren a poca velocidad, podremos obtener grandes velocidades de giro en el generador eléctrico lo que redundará en la obtención de elevados valores de fuerza electromotriz.An example Simple multiplier system is represented in Figure 5, and it is intended to obtain in the generator of figure 4, a rotation speed much higher than that of the turbine. This form, and as we have already mentioned, although the blades of the turbine turn at low speed, we can get big speeds of rotation in the electric generator which will result in obtaining high values of electromotive force.
- Por ejemplo, si la rueda dentada (11) tuviera 100 dientes, y la (12) tuviera 10, el eje (15) giraría a una velocidad 10 veces mayor que el (3). Esto haría que la rueda dentada (13) girase a la misma velocidad que la (12), y si la (13) tuviera asimismo 100 dientes y la (14) tuviese 10, la rueda (14) giraría a velocidad 10 veces mayor que las (12) y (13), y por tanto a una velocidad 100 veces mayor que la (11). Pueden intercalarse el número de ruedas dentadas que se desee, con el número de dientes adecuado para obtener la velocidad de giro del último eje (16) que se desee. Este último eje será el que mueva el rotor (7) del generador que, como ya hemos dicho, estará constituido por una rueda dentada de material magnético no imantado, en la que los huecos entre los dientes pueden estar rellenos de un material no magnético o mejor aún diamagnético. Al aumentarse la velocidad de giro del rotor, aumentará la f.e.m. inducida.For example, yes the cogwheel (11) had 100 teeth, and the (12) had 10, the axis (15) would rotate at a speed 10 times greater than (3). This would cause the sprocket (13) to rotate at the same speed as the (12), and if (13) also had 100 teeth and (14) had 10, the wheel (14) would spin at 10 times the speed of (12) and (13), and therefore at a speed 100 times greater than (11). The desired number of sprockets can be interleaved, with the right number of teeth to obtain the speed of rotation of the last axis (16) desired. This last axis will be the one that moves the rotor (7) of the generator which, as we have already said, will be consisting of a cogwheel of non-magnetic magnetic material, in which the gaps between the teeth can be filled with a non-magnetic or better still diamagnetic material. As the Rotation speed of the rotor will increase the f.e.m. induced.
Los métodos para aumentar la velocidad mencionados pueden utilizarse aisladamente o bien combinándolos, con lo que la velocidad de giro del rotor sería mayor.The methods to increase the speed mentioned can be used in isolation or by combining them, with which the speed of rotation of the rotor would be greater.
El sistema de engranajes multiplicador (17) y el generador (2) pueden estar situados en un recipiente (18) de forma adecuada para facilitar la circulación del agua en torno al mismo, evitando así la formación de remolinos (lo cual disminuiría el rendimiento del sistema). Un posible ejemplo de realización se muestra en la figura 3, en la que además del recipiente (18) que contiene el generador y demás elementos (sistema de engranajes multiplicador, transformador elevador de tensión para facilitar su transporte, etc.) se representa también un sistema de señalización mediante una boya (19) y el anclaje del sistema (20). De todos modos el sistema podría instalarse suspendido de una plataforma o de otros elementos.The gear multiplier system (17) and the generator (2) may be located in a container (18) so suitable to facilitate the circulation of water around it, thus avoiding the formation of eddies (which would decrease the system performance). A possible example of realization is shown in figure 3, in which in addition to the container (18) that contains the generator and other elements (gear system multiplier, voltage booster transformer to facilitate your transport, etc.) a signaling system is also represented by means of a buoy (19) and the anchoring of the system (20). Of all modes the system could be installed suspended from a platform or from other elements.
Aunque se ha puesto como ejemplo de máquina hidráulica la constituida por una simple hélice, puede utilizarse cualquier otro tipo de turbina adecuada, como por ejemplo la rueda de paletas representada en las figuras 6 y 7, la cual va provista de un tambor que dispone de una serie de paletas (21) giratorias alrededor de un eje (22) y que están articuladas mediante pivotes (23) colocados en un punto intermedio, provisto de un sistema de topes (24) situados en las partes de mayor y menor radio.Although it has been used as an example of a machine Hydraulics constituted by a simple propeller, can be used any other suitable type of turbine, such as the wheel of pallets represented in figures 6 and 7, which is provided of a drum that has a series of rotating vanes (21) around an axis (22) and which are articulated by pivots (23) placed at an intermediate point, provided with a system of stops (24) located in the major and minor radius parts.
Las turbinas pueden instalarse por pares, como se muestra en la figura 7 para una rueda de paletas, poniendo en este caso el generador (2) (así como los multiplicadores si los lleva, etc.) en el eje (22) común a ambas.Turbines can be installed in pairs, such as shown in figure 7 for a paddle wheel, putting in this case the generator (2) (as well as the multipliers if the leads, etc.) on the axis (22) common to both.
Tanto el rotor como el estator y por supuesto las bobinas del inducido conviene que vayan recubiertas de un fluoroplástico u otro material con propiedades antiadherentes y que los proteja de la corrosión.Both the rotor and the stator and of course the coils of the armature should be covered with a fluoroplast or other material with non-stick properties and that Protect them from corrosion.
Las paletas y los sistemas de engranajes multiplicadores, si se utilizan, deben estar construidos de un material resistente, que puede también estar revestido por un fluoroplástico o material de similares características.Paddles and gear systems multipliers, if used, must be constructed of a resistant material, which may also be coated by a fluoroplast or material of similar characteristics.
La propiedades magnéticas más importantes que ha de tener el material empleado en los imanes del estator son: elevadas coercitividad (H_{c}) retentividad (B_{r}) y producto de energía (B_{d} H_{d}), para lo que se dispone en el mercado de materiales adecuados entre los que, sólo a titulo de ejemplo, podemos mencionar los siguientes: varias clases de Alnico y de Cunife, y diversas aleaciones de Aluminio con carbono, etc.The most important magnetic properties that the material used in the stator magnets must have are: high coercivity ( H_ {c} ) retentivity ( B_ {r} ) and energy product ( B_ {d} H_ {d} ), for what is available in the market of suitable materials among which, by way of example only, we can mention the following: various classes of Alnico and Cunife, and various aluminum alloys with carbon, etc.
Estos sistemas, como se ha dicho antes, irán suspendidos de una plataforma y/o anclados, y sumergidos total o parcialmente en el seno de la masa de agua en movimiento.These systems, as said before, will go suspended from a platform and / or anchored, and submerged totally or partially within the body of moving water.
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