ES2285895A1 - Generador electrico acondicionado por turbina. - Google Patents
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Abstract
Especialmente concebido para obtener energía eléctrica a partir de corrientes marinas o fluviales, parte de la utilización de una turbina (1) de centro abierto, con una carcasa exterior fija (9) en cuyo seno giran los álabes (10). La invención consiste en fijar a dichos álabes (10) un anillo (3) a base de una pluralidad de secciones alternadas de material de alta permeabilidad magnética (4) y de material de baja permeabilidad magnética (preferentemente diamagnético) (5), que giran conjuntamente con los álabes (10) de la turbina y que pasan a través de otro anillo (8) fijo, al que se fijan una serie de imanes, preferentemente en forma de herradura o similar, dotados de respectivas bobinas, de manera que el paso alternativo de las secciones de alta y baja permeabilidad magnética del anillo (3) genera en las bobinas una fuerza electromotriz que, debidamente transformada y transportada, puede ser consumida.
Description
Generador eléctrico accionado por turbina.
La presente invención se refiere a un sistema
para transformar la energía cinética de un fluido en movimiento en
energía eléctrica, mediante la combinación de una turbina de centro
abierto y un generador de reluctancia variable.
La invención es aplicable a cualquier tipo de
fluido en movimiento, pero resulta especialmente idónea para
transformar la energía de las corrientes marinas y fluviales en
energía eléctrica, utilizando para ello la citada turbina de centro
abierto, encargada de accionar un generador magnetoeléctrico, no
estanco, de reluctancia variable y en forma de anillo que será
descrito más adelante.
El sistema irá anclado, provisto de un sistema
de flotación adecuado y sumergido en el seno de la masa de agua en
movimiento.
Su especial aplicación al ámbito de las
corrientes marinas es debido a que en ellas existe una gran
cantidad de energía cinética, que puede ser transformada fácilmente
en energía eléctrica.
Así pues el objeto fundamental de la invención
es obtener energía eléctrica de una forma limpia, sin impacto
nocivo medioambiental alguno, es decir, sin dañar en absoluto la
fauna ni la flora de la zona, sin estropear el paisaje, sin generar
residuos ni producir contaminación.
La invención se sitúa pues en el ámbito de los
sistemas renovables y ecológicos de producción de energía.
Para obtener energía de las corrientes oceánicas
es suficiente con sumergir en ellas una turbina hidráulica,
convenientemente orientada, que accione un generador eléctrico.
Estudios recientes han demostrado que uno de los tipos de turbina
más conveniente a nivel de costes y rendimiento para utilizar con
las corrientes oceánicas, son las turbinas de centro abierto, es
decir aquellas en la que se ha eliminado tanto el eje central con
el sistema de cojinetes, como la parte central más interior de los
álabes, es decir la más cercana al centro y unida al eje, ya que la
que produce mayor rendimiento es la zona extrema más exterior de los
mismos.
Se ha comprobado también que en las turbinas de
centro abierto se puede aumentar considerablemente la cantidad de
álabes de los extremos, al no necesitar la parte central ni ir
unidos al eje, aumentar de escala hasta tamaños prohibitivos
imposibles de usar con la eficiencia adecuada en los tipos de
turbinas Kaplan o Francis convencionales usadas habitualmente en
las centrales hidroeléctricas, eliminando el problema de las
turbulencias que se producen cerca del centro y que disminuyen
considerablemente el rendimiento, absorbiendo a los peces a su
interior y provocando modificaciones medioambientales que afectan a
la fauna en sus cercanías.
Además se abaratan mucho los costos, con lo que
se hace competitiva con los medios de obtención de energía
eléctrica a partir de combustibles fósiles, ya que además no
requiere gasto de combustible alguno para su funcionamiento, al
moverse de forma natural por las corrientes marinas. Tampoco se
necesitan embalses, diques, presas o similares de desviación de
fluido.
El problema técnico que plantean los sistemas
turbina-generador eléctrico cuando se van a
utilizar sumergidos en el seno del fluido, reside en la dificultad
de obtener el aislamiento conveniente del sistema eléctrico, ya que
la estanqueidad de los aparatos, en especial la del eje del rotor
del generador, es imperfecta, y por muy bien que se diseñe acaba
fallando, lo que puede dar lugar a que el agua inutilice algún
elemento delicado del dispositivo.
Esta problemática se resuelve mediante el empleo
de un generador magnetoeléctrico que no necesite estar sellado
herméticamente de forma estanca, con inducido fijo e inductor
móvil. De este modo el sistema eléctrico, tanto de las bobinas del
inducido como de 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 consigue
utilizando generadores de reluctancia variable, con una disposición
en forma de anillo para adaptarse a la geometría del tipo de
turbina propuesto.
De forma más concreta dicho generador está
constituido mediante un anillo unido solidariamente a la parte
giratoria de la turbina y constituido a base de secciones de
material alternativamente de alta permeabilidad magnética (no
imantado) y de baja permeabilidad magnética, anillo que obviamente
girará al mismo tiempo que la turbina formando el rotor del
generador.
Las porciones de baja permeabilidad magnética
del anillo citado serán preferentemente de elevado diamagnetismo,
aunque el anillo podría estar formado simplemente por dientes de
material de alta permeabilidad magnética y huecos.
El anillo repetidamente citado puede ir unido
indistintamente a la parte móvil más exterior de la turbina o a la
parte más interior de la misma.
El citado anillo se complementa con un sistema
fijo de imanes (o de piezas de un material de alta permeabilidad
magnética con uno o más imanes en su interior) que semiabrazan a
dicho anillo giratorio, de tal modo que entre los polos de los
imanes (o de las piezas citadas) pasen sucesivamente, al girar, la
porciones de de material de alta y de baja permeabilidad magnética
en rotación.
De esta manera cada imán con el material que
tenga en cada momento en el entrehierro, formará un circuito
magnético cuya reluctancia irá variando al ritmo de giro de la
turbina, lo que dará origen a una variación de flujo en el circuito
magnético.
Sobre los imanes se arrolla un bobinado en el
que se genera una fuerza electromotriz inducida que se puede
extraer, obteniéndose de este modo una conversión de parte de la
energía de rotación de la turbina en energía eléctrica.
Aunque la f.e.m. inducida en cada uno de los
devanados de los imanes es pequeña, conectándolos de forma adecuada
las contribuciones energéticas se suman obteniéndose una cantidad
apreciable de energía eléctrica.
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:
La figura 1.- Muestra una representación
esquemática en vista axial de un generador eléctrico de reluctancia
variable realizado de acuerdo con el objeto de la presente
invención.
Las figuras 2 y 3.- Muestran sendas
representaciones en perspectiva de un ejemplo de turbina de centro
abierto que puede formar parte del generador de la figura
anterior.
Las figuras 4 y 5.- Representan esquemáticamente
el giro del anillo de materiales de alta y baja permeabilidad
magnética y su interacción con los imanes.
La figura 6.- Muestra un detalle de uno de los
imanes con una porción de material de alta permeabilidad magnética
en el entrehierro.
La figura 7.- Muestra, según una representación
similar a la de la figura 1, una variante de realización del
generador en la que el anillo se une interiormente a la
turbina.
La figura 8.- Muestra un detalle similar a los
de las figuras 4 y 5, pero correspondiente al generador de la
figura 7.
La figura 9.- Muestra, finalmente, un detalle
ampliado de la figura anterior.
En el ejemplo de realización práctica
representado en las figuras 1 a 6, donde la turbina de centro
abierto ha sido referenciado con (1), a la periferia exterior (2)
de dicha turbina, es decir a la zona de mayor diámetro de la misma,
se une solidariamente un anillo (3) que forma el rotor y que está
constituido a base de una pluralidad de secciones (4) de material
de alta permeabilidad magnética, dispuestas alternadamente con
secciones (5) de material de baja permeabilidad magnética. Las
porciones de baja permeabilidad magnética (5) del anillo serán
preferentemente diamagnéticas, aunque tales porciones podrían no
existir, dejando huecos vacíos (5'), tal como se ha representado en
las figuras 4 y 5, de manera que dicho anillo (3) adopte una
configuración dentada. Las porciones de alta permeabilidad
magnética (4) estarán preferentemente integradas por un gran número
de láminas delgadas del material, superpuestas una sobre la otra y
aisladas entre sí mediante un baño de goma laca o barniz o similar y
fuertemente comprimidas, para minimizar las comentes de
Foucault.
La estructura descrita se complementa con un
sistema de imanes o de piezas de alta permeabilidad magnética con
uno o más imanes en su interior (6), preferentemente en forma de
herradura o anillo abierto o similar (conviene que sean anchos y
cortos), para que rodeen semiabrazando al anillo giratorio (3) del
rotor, de tal modo que entre los polos N y S de los imanes pase al
girar el citado anillo de porciones de materiales de alta
permeabilidad magnética (no imantado) (4) y de baja permeabilidad
magnética (preferentemente de elevado diamagnetismo) (5) en
rotación.
De esta manera cada imán, con el material que
tenga en cada momento en el entrehierro, formará un circuito
magnético cuya reluctancia irá variando al ritmo de giro de la
turbina. Según pase entre sus polos un trozo de material de alta
permeabilidad magnética o uno de material de baja permeabilidad
magnética, el valor de la reluctancia varía, lo que da origen a una
variación de flujo en el circuito magnético.
Sobre los imanes (6) se arrolla un bobinado (7),
en el que se genera una f.e.m. inducida que se puede extraer,
obteniéndose de esta manera una conversión de parte de la energía
de rotación de la turbina en energía eléctrica.
Estos imanes (6) quedan integrados en un anillo
(8) que a su vez irá rígidamente unido a un aro exterior (9) fijado
a la carcasa de la turbina, en cuyo seno giran los álabes (10) de
la misma.
Lógicamente de cada bobinado (7) salen dos
cables (11), uniéndose los de todas las bobinas de forma adecuada
para obtener finalmente un solo par de cables que transportan la
energía generada hasta el lugar de utilización de la misma o a la
red eléctrica para su distribución.
Este anillo de imanes (8) puede ir fijado al aro
fijo exterior (9) que va fijado a la carcasa, y rodea semiabrazando
a las secciones de materiales de alta y de baja permeabilidad
magnética que van fijadas a la parte exterior y de mayor radio de
los álabes (10).
La interacción del anillo (3) de materiales de
alta permeabilidad magnética y de baja permeabilidad magnética con
los imanes (6) se aprecia con claridad en las figuras 4 y 5. En la
primera de ellas los dientes (4) de material de alta permeabilidad
magnética no se encuentran en los entrehierros de los imanes, con
lo cual, al tener éstos entre sus polos un espacio vacío o un diente
de material de baja permeabilidad magnética, la reluctancia es
máxima. Sin embargo y como muestra la figura 5, al haber girado ya
el anillo con los álabes (10), parte de las porciones de alta
permeabilidad magnética (4) se encuentran en el seno de los
entrehierros, con lo que la reluctancia de los circuitos magnéticos
ha disminuido.
La colocación de porciones de material de baja
permeabilidad magnética entre las de alta permeabilidad magnética
del anillo del rotor, hace que la variación del flujo sea mayor,
especialmente si el material utilizado es un material de alto
diamagnetismo, además de evitar que se produzcan pequeñas
turbulencias.
La invención comprende también la posibilidad de
montaje mostrada en las figuras 7 a 9, en la que el anillo (3') de
materiales de alta y baja permeabilidad magnética va unido a la
parte móvil más interna y de menor radio de la turbina (1). En este
caso los imanes (6) o las piezas de alta permeabilidad magnética con
uno o más imanes en su interior, preferentemente con la misma
configuración en herradura o anillo abierto o similar que en el
caso anterior, aunque puede ser otra, irán unidos solidariamente
entre sí por medio de trozos (12) rígidos, de un material no
magnetizable y resistente, y también a un aro (13) que se unirá a su
vez rígidamente al aro más exterior y fijo (9) fijado a la carcasa
de la turbina, en cuyo interior giran los álabes (10), a cuyo
efecto se ha previsto que entre ambos aros o anillos (9) y (13) se
establezcan tirantes radiales (14) rígidamente unidos a los
mismos.
Por lo demás la estructura del generador se
mantiene con los mismos sectores (4) de material de alta
permeabilidad magnética, dispuestos alternadamente con sectores (5)
de material de baja permeabilidad magnética, unidos a un anillo
giratorio (2) de los álabes (10) de la turbina (1), con los mismos
imanes (6) o piezas de alta permeabilidad magnética con uno o más
imanes en su interior, conectados a un aro interior (13) rigidizado
al exterior y fijo (9), y con sus mismos bobinados (7), siendo de
señalar que dichos imanes (6) o piezas de alta permeabilidad
magnética con uno o más imanes en su interior, podrían ir unidos
entre sí con el concurso de un material no magnetizable (15) que
rellene los espacios entre ellos, como se observa especialmente en
la figura 9, lo que supondría además la ventaja de evitar que
pudieran introducirse sustancias extrañas entre ellos, así como que
se formen pequeñas turbulencias.
En cualquiera de las dos realizaciones descritas
el material empleado en los imanes del estator debe ser de elevada
cohercitividad (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 cabe señalar, a título de
ejemplo, diferentes clases de Alnico y de Cunife, diversas
aleaciones de aluminio con carbono, etc.
Dado que se pueden construir turbinas de centro
abierto en principio de cualquier tamaño, la construcción de
generadores de gran diámetro permite obtener una cantidad
considerable de energía a partir de cada uno de ellos. No obstante
es conveniente utilizarlos en grupos de manera que una central
hidroeléctrica oceánica submarina constaría de un gran número de
generadores agrupados en una zona determinada, controlados por
control remoto y preferentemente desde tierra firme. Al instalarlas
hay que dejar suficiente separación entre las distintas turbinas
para evitar que las estelas de unas interaccionen con las de las
otras.
Dado que la rotación de estos generadores será
lenta ya que la velocidad de las corrientes marinas rara vez supera
los 4,5 nudos, no existe peligro alguno para la fauna de la zona ni
produce ningún tipo de contaminación. De hecho los peces pueden
nadar a través de las turbinas, ya que el diámetro de estas últimas
puede ser de varios metros, y no se producen turbulencias que los
atraiga al centro ni que tenga otras consecuencias que los afecte
de forma perjudicial tales como desorientación causada por las
turbulencias, cambios de presión, de proporciones de gases
disueltos en el agua, etc.
Si se quiere aumentar la velocidad de giro de la
turbina, para obtener más energía eléctrica a partir de un mismo
tamaño de generador, puede instalarse en la sección crítica de una
tobera preferentemente convergente-divergente de
tamaño adecuado al de la turbina, la cual puede ir dividida en
secciones para orientar mejor el flujo hacia los álabes. También
conviene ubicarlos en estrechamientos naturales donde el agua
adquiere mayor velocidad de forma natural.
Evidentemente la corriente obtenida puede ser
utilizada "in situ", o puede ser transportada a
cualquier otro lugar para su utilización (previa elevación a la
tensión adecuada mediante el correspondiente transformador,
etc.).
Tanto el rotor como el estator del generador,
así como también las bobinas del inducido, conviene que estén
recubiertos de un material que los proteja de la corrosión, con
propiedades antiadherentes y que disminuya además el rozamiento de
las partes en movimiento, como por ejemplo un fluoroplástico.
La turbina y su carcasa conviene que estén
construidas de un material resistente, preferentemente ligero y
resistente a la corrosión y otras condiciones desfavorables del
medio marino, y con un recubrimiento antifouling, material que
puede llevar mezclado en su composición otro de baja densidad para
facilitar su flotabilidad.
Solo resta señalar por último que estos
generadores pueden ir anclados al fondo marino directamente, o
colgados desde puentes o plataformas ancladas, que tienen la
ventaja de facilitar su izado para su mantenimiento. Además el
control puede hacerse desde tierra firme y el mantenimiento puede
hacerse desde la superficie sin necesidad de buzos. Se ha previsto
también la posibilidad de montar el equipo directamente sobre el
casco de un buque o submarino, de utilizar este generador para la
obtención de hidrógeno, que puede ser usado directamente como
combustible de un navío, mientras que el complementario oxígeno
puede ser de gran utilidad en el caso de los submarinos. También
puede utilizarse para desalinizar agua del mar.
Aunque la invención haya sido descrita con
referencia a una forma y realización preferida, es evidente que no
está en modo alguno limitada, y que pueden aportarse a la misma
todas las modificaciones deseables, en particular de forma,
dimensiones, materiales, posible revestimiento protector y geometría
específica de cada uno de los elementos del sistema, del tipo de
fluido con que se utilice, del modo y lugar de instalación, y de
utilización y distribución de la energía obtenida (sea cual sea la
causa que provoque el giro de la turbina), sin que se salga por
ello ni de su marco ni de esencialidad.
Claims (11)
1. Generador eléctrico accionado por turbina,
que teniendo como finalidad transformar en energía eléctrica la
energía cinética de los mismos, preferentemente aguas, tanto
marítimas como fluviales, y utilizando como elemento captador de
dicha energía cinética una turbina de centro abierto, es decir una
turbina dotada de una carcasa o parte fija con respecto a la cual
giran los álabes de la turbina, y de cuyos álabes se ha eliminado
la parte central normalmente unida a un eje, así como dicho eje y
todo el sistema de cojinetes, se caracteriza porque
incorpora un anillo (2) unido solidariamente a la parte giratoria
(10) de la turbina anillo al que van fijadas una pluralidad de
secciones de material de alta permeabilidad magnética (4)
dispuestas alternadamente con secciones de material de baja
permeabilidad magnética (5) que constituyen el rotor del generador
(3), colaborando con dicho anillo (3) un segundo anillo (8),
solidarizado al aro fijo (9) de la turbina, y que constituye el
soporte para una pluralidad de imanes (6) o de piezas de alta
permeabilidad magnética con imanes en su interior, uniformemente
distribuidos y preferentemente en forma de herradura o anillo
abierto o similar, atravesado secuencialmente por las secciones del
material de alta permeabilidad magnética (4) y de baja
permeabilidad magnética (5), incorporando cada imán o pieza (6) una
bobina (7) en la que se genera una f.e.m. inducida suministrada a
través de una pareja de cables (11) que se unen con los del resto de
las bobinas para configurar una pareja de cables de salida para la
corriente generada, suministrada a un transformador
elevador.
elevador.
2. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicación 1ª, caracterizado porque las secciones
(4) de material de alta permeabilidad magnética, están
preferentemente integradas por un gran número de láminas delgadas
del material, superpuestas una sobre la otra, aisladas entre sí y
fuertemente comprimidas.
3. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicación 1ª y/o 2ª, caracterizado porque las
secciones (5) de material de baja permeabilidad magnética, serán
preferentemente de un material diamagnético.
4. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicación 1ª y/o 2ª, caracterizado porque las
secciones (5) de material no magnético, pueden materializarse en
espacios vacíos en los que el material de baja permeabilidad
magnética es el fluido.
5. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
tanto el rotor como el estator, incluidas las bobinas (7) del
inducido, están recubiertas de un material aislante, con propiedades
antiadherentes y de protección contra la corrosión, preferentemente
un fluoroplástico.
6. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
imanes o piezas mencionadas (6) están directamente unidos a un aro
exterior y fijo (9) fijado a la parte fija de la turbina, situados
por fuera de los álabes (10) de esta última, de manera que rodean
semiabrazando al anillo giratorio (3) de materiales de alta (4) y
baja (5) permeabilidad magnética del rotor del generador, que a su
vez se fija a la zona móvil de mayor radio y exterior (2) de la
turbina (1).
7. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicaciones 1ª a 5ª, caracterizado porque el
anillo a base de secciones (4) de material de alta permeabilidad
magnética y secciones (5) de material de baja permeabilidad
magnética está unido a la parte móvil interna y de menor radio del
rodete de álabes (10) de la turbina, mientras que los imanes (6)
con sus bobinas (7) se fijan a un aro (13) que se une
indirectamente a la zona fija de la turbina (9) con la colaboración
preferentemente de tirantes radiales (14) que lo rigidizan a dicha
zona fija (9).
8. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicaciones 1ª a 5ª caracterizado porque puede
llevar dos anillos a base de secciones (4) de material de alta
permeabilidad magnética y secciones (5) de material de baja
permeabilidad magnética al mismo tiempo, uno instalado según la
reivindicación 6ª y otro según la 7ª.
9. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
imanes (6) están rígidamente unidos entre sí mediante separadores
(12 y/o 15) de un material no magnetizable y resistente, que
opcionalmente rellene (15) los espacios definidos entre ellos
quedando dichos imanes incrustados en el mismo salvo por las zonas
de sus entrehierros, y con el anillo de estator que constituyen
opcionalmente incrustado en la pared de la carcasa.
10. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se
ha previsto que lleve uno o varios anillos
rotor-estator instalados circunferencialmente en
torno al rodete de álabes de la turbina, dependiendo del tamaño de
la misma.
11. Generador eléctrico accionado por turbina,
según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
conjuntos turbina-generador se instalan anclándolos
al fondo marino directamente, o colgados desde otros elementos,
habiéndose previsto también la posibilidad de instalarlos en una
tobera, preferentemente convergente-divergente,
opcionalmente dividida en secciones.
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
| ES200500894A ES2285895B1 (es) | 2005-04-11 | 2005-04-11 | Generador electrico accionado por turbina. |
| ES200500984A ES2285898B1 (es) | 2005-04-11 | 2005-04-18 | Generador electrico accionado por turbinas. |
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| ES200602947A ES2319001B1 (es) | 2005-04-11 | 2006-11-14 | Sistemas de obtencion de energia electrica utilizando generadores en forma de anillo. |
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