ES2285898B1 - Generador electrico accionado por turbinas. - Google Patents

Abstract

Especialmente concebido para la obtención de energía eléctrica a partir de corrientes marinas o fluviales, parte de la utilización de una turbina preferentemente de centro abierto, con un aro exterior y fijo (3) en cuyo seno giran los álabes (2) de la turbina. La invención consiste en fijar a dichos álabes (2) un anillo (4) al que son solidarios una pluralidad de imanes (5), que quedan enfrentados a una pluralidad de bobinas (6) a su vez fijas y solidarizadas al anillo exterior y fijo (3) de la turbina, de manera que en el desplazamiento relativo del rotor con respecto al estator se produce una variación alternativa en el flujo que atraviesa estos elementos, que genera una fuerza electromotriz en las bobinas, determinante de una tensión alterna, que puede ser directamente consumida o transportada hacia cualquier lugar de consumo.

Description

Generador eléctrico accionado por turbinas.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un método para transformar la energía cinética de un fluido en movimiento en energía eléctrica, utilizando para ello un nuevo diseño de generador que integra una turbina de centro abierto.

El objeto de la invención es conseguir un generador que, por sus especiales características estructurales, permite generar directamente corriente alterna.

Es también objeto de la invención que el generador eléctrico no necesite estar sellado de forma estanca para quedar protegido frente a los efectos corrosivos de su ambiente de trabajo.

Es también objeto de la invención conseguir dicha transformación de la energía cinética del agua en corriente eléctrica de una forma limpia, sin impacto nocivo medioambiental alguno, es decir, sin dañar en absoluto a la fauna y 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.

Antecedentes de la invención

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 sistemas 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 con el generador eléctrico accionado por turbinas que constituye el objeto de la patente de invención P200500894, de la que es titular la propia solicitante.

Esta es otra forma alternativa de resolver el mismo problema y obtener energía eléctrica, utilizando una disposición diferente de imanes y bobinas, estando en este caso los imanes en el rotor y las bobinas en el estator, y que permite obtener una geometría más compacta y que requiere menos mantenimiento.

Descripción de la invención

El generador que la invención propone resuelve de manera plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, suministrando directamente una corriente alterna, que puede enviarse a tierra o incluso ser usada "in situ", como por ejemplo para la obtención de hidrógeno por electrolisis.

Complementariamente se consigue un generador más compacto, poco expuesto a averías, con un mantenimiento muy sencillo y poco costoso, que puede hacerse eventualmente desde la superficie, sin necesidad de buzos ni de personal desplazado permanentemente en la zona.

Para ello y de forma más concreta el generador que se preconiza parte de la utilización de una turbina de centro abierto, sobre cuya parte móvil se establece un rotor constituido por un conjunto de imanes unidos concretamente a la parte exterior del rodete giratorio de álabes de la turbina, formando un anillo.

Por su parte el estator está formado por un conjunto de bobinas con núcleos de un material magnetizable sin magnetismo remanente y con gran permeabilidad (por ejemplo un gran número de láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas), bobinas que a su vez van unidas solidariamente a un anillo de material sin magnetismo remanente y con gran permeabilidad, que a su vez irá unido a un aro más exterior y fijo de la turbina.

Las bobinas no están montadas sobre los imanes, como en la patente anterior, sino que quedan enfrentadas radialmente a estos últimos, de manera que al girar el rotor en las bobinas se produce una variación de flujo magnético que da lugar a una f.e.m. inducida, tanto mayor cuanto lo sea la variación de flujo magnético por unidad de tiempo, y en consecuencia cuanto lo sea la velocidad de rotación del rotor.

Cada imán, en forma de herradura o anillo abierto o similar, enfrenta alternativamente sus polos positivo y negativo a cada bobina, de manera que el flujo varía entre un valor 0 y un valor máximo, a partir de éste valor máximo se invierte y vuelve a hacerse 0, con lo que en las bobinas se genera la corriente alterna perseguida.

Las contribuciones eléctricas de las diferentes bobinas pueden ser unidas adecuadamente para extraer toda la energía generada por el conjunto de bobinas del sistema mediante un único par de cables para su transporte al lugar de utilización o a la red eléctrica para su distribución, obviamente después de haber elevado el voltaje a un valor adecuado, con la colaboración del correspondiente transformador.

A partir de esta estructuración básica es factible que los imanes constitutivos del rotor estén fijados a un anillo fijado a la parte exterior móvil del rodete de álabes de la turbina, o a un anillo fijado a la parte interior de dicho rodete de álabes y, dependiendo del caso, el anillo soporte de las bobinas deberá estar fijado a la carcasa de la turbina, o a un aro interior y fijo de la turbina fijado mediante tirantes radiales debidamente rigidizados a un aro exterior fijado a la carcasa de la turbina.

También existe la posibilidad de establecer juegos de imanes con sus correspondientes bobinas, tanto interior como exteriormente con respecto a los álabes de la turbina.

Descripción de los dibujos

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 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:

Las figuras 1 y 2.- Muestran sendas representaciones esquemáticas y en perspectiva de un ejemplo de turbina, utilizable en el generador eléctrico accionado por turbinas que constituye el objeto de la presente invención.

La figura 3.- Muestra una representación esquemática en vista axial de dicho generador eléctrico en su conjunto, de acuerdo con una primera variante de realización en la que los imanes y bobinas se sitúan por fuera de los álabes giratorios de la turbina.

La figura 4.- Muestra una representación similar a la figura 3, pero correspondiente a una segunda variante de realización en la que los citados elementos, imanes y bobinas, se sitúan en el interior de la turbina, es decir por dentro de sus álabes móviles.

La figura 5.- Muestra, según una representación similar a las figuras 3 y 4, una tercera variante de realización en la que los citados elementos se sitúan tanto por el exterior como por el interior de los álabes móviles de la turbina.

Las figuras 6, 7 y 8.- Muestran respectivos detalles ampliados de cualquiera de las figuras 3 a 5, donde además de los imanes y las bobinas se han representado los cambios que sufre el flujo magnético a medida que se produce el desplazamiento relativo entre rotor y estator.

Ejemplo de realización de la invención

Tal como anteriormente se ha dicho, en las figuras 1 y 2 se representa un ejemplo de turbina de centro abierto utilizable en el generador de la invención, estructurada a base de un anillo interior y móvil (1), al que son solidarios una pluralidad de álabes (2), que giran conjuntamente con el anillo (1) en el interior de una carcasa fija (3) en forma de seudoanillo.

Pues bien, tal y como se ha representado en la figura 3, entre el borde exterior (4) de los álabes (2) de la turbina y el anillo fijo de la carcasa (3) de la misma se establecen una pluralidad de imanes (5), preferentemente en forma de herradura, aunque pueden adoptar cualquier otra configuración, unidos solidariamente a los álabes (2) de la turbina, de manera que conjuntamente con estos últimos forman el rotor, presentando dichos imanes (5) sus polos operativamente enfrentados a una pluralidad de bobinas (6) que se mantienen fijas por cuanto que son solidarias a un anillo exterior estático fijado a la carcasa (3) de la turbina, constituyendo a su vez bobinas (6) y anillo fijado a la carcasa (3) el estator del generador.

Al girar el rotor (2-5), en las bobinas (6) se produce una variación de flujo magnético, lo cual da lugar a una fuerza electromotriz inducida. Cuando mayor sea la velocidad de rotación del rotor, mayor será la variación por unidad de tiempo del flujo magnético, y por tanto mayor la fuerza electromotriz inducida, como anteriormente se ha dicho.

En las figuras 6 a 8 se muestra un detalle que representa la variación del flujo magnético por efecto del giro del rotor. Concretamente en la figura 6 se ha representado el momento en el que los imanes (5) adquieren una posición tal con respecto a las bobinas (6) del inducido que el flujo que las atraviesa es máximo. Al girar la turbina, el rotor gira un cierto ángulo, con lo que un instante después la posición de los imanes con respecto a las bobinas pasa a ser la mostrada en la figura 7, en la que se ve que el flujo ha disminuido. Al continuar el giro llegan a una posición en que el flujo a través de las bobinas será nulo para, a partir de ahí, empezar a circular dicho flujo en sentido contrario, tal como muestra la figura 8, hasta alcanzar una posición similar a la de la figura 6 pero con los polos N en la posición que anteriormente tenían los polos S y viceversa, con lo que el flujo será máximo en sentido contrario, para luego volver a disminuir y volver a hacerse 0.

De esta manera, en cada una de las bobinas (6) se genera una corriente alterna. El número de imanes (5) que rodea a la turbina (2), puede ser variado en cada caso, así como su geometría específica y sus características y modo de instalación.

Tal como anteriormente se ha dicho, la salida de tensión de cada una de las bobinas (6) puede unirse adecuadamente con las restantes, para extraer toda la energía generada por el conjunto de bobinas del sistema mediante un único par de cables para su transporte, después de haber elevado convenientemente la tensión.

Cabe señalar que para un correcto funcionamiento del generador habrá que fijar fuertemente los imanes (5) utilizados, que conviene que sean anchos y cortos, y unirlos mediante un aro de material fuerte que los mantenga en posición. Dichos imanes (5) también podrían ir introducidos en el interior de un anillo macizo, de material resistente no magnetizable, como por ejemplo un material plástico muy resistente, que además de mantenerlos en sus posiciones tendría la ventaja de hacer el sistema más compacto y evitar que puedan introducirse sustancias extrañas entre los imanes.

El estator podría ir introducido igualmente en un material de similares características, obteniéndose variaciones de flujo magnético y f.e.m. inducida de igual manera que en el caso anterior, con lo que la geometría del generador sería mucho más compacta y resistente.

A partir de esta estructuración básica es factible que los imanes (5) se sitúen en la periferia de los álabes giratorios (2) de la turbina, como en el caso de la figura 3, o que se fijen al anillo interno (1) de dicha turbina, como en el caso de la figura 4, existiendo también la posibilidad de duplicar el sistema, de acuerdo con la representación de la figura 5, existiendo imanes tanto sobre la parte interior móvil (1) del rodete de álabes, como sobre la zona exterior y también móvil (4) del rodete de álabes de la turbina.

Tanto en el caso de la figura 4 como en el de la figura 5, dado que las bobinas (6) pertenecen al estator del generador, dichas bobinas (6) estarán solidarizadas a un anillo (7), situado en el seno de la turbina y convenientemente rigidizado al anillo externo y fijo (3) de dicha turbina mediante tirantes radiales (8).

Para minimizar el rozamiento entre la parte móvil de la turbina y la carcasa fija, pueden usarse medios magnéticos, por ejemplo imanes de la misma polaridad enfrentados entre sí.

Las 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}). Se dispone en el mercado de materiales adecuados entre los que, sólo a titulo de ejemplo, podemos mencionar varias clases de Alnico y de Cunife, y diversas aleaciones de Aluminio con carbono, samario cobalto sinterizado, neodimio, etc.

Tanto el rotor como el estator con las bobinas del inducido deberán ir protegidos por otro tipo material (plástico, por ejemplo) que evite la corrosión, la formación de pequeñas turbulencias, e impida que se introduzcan substancias extrañas. Una posible forma de hacerlo sería recubriendo todo el sistema de un material no magnetizable, que no presente obstáculo al flujo magnético (por ejemplo un fluoroplástico), de forma que la geometría fuera la de un aro macizo sin irregularidades, con los imanes incrustados en el interior del aro macizo de material en el caso del rotor, y las bobinas con su núcleo incrustadas en el interior de otro aro macizo de material similar en el caso del estator. Esta geometría tan compacta, además de evitar turbulencias, introducción de substancias extrañas, etc., también evita averías.

La turbina debe estar construida de un material resistente, resistente a la corrosión y a las condiciones desfavorables del medio marino y preferentemente ligero. El tipo de material elegido sería conveniente que llevara mezclado o en su composición algún tipo de material que facilitase su flotabilidad.

Todos los elementos del sistema deberían ir recubiertos de un fluoroplástico u otro material de similares características, que se elegirá específicamente en base a sus propiedades antiadherentes (para evitar que se adhieran substancias y organismos que dificulten el giro y que sería necesario retirar cada cierto tiempo) y para protección frente a la corrosión. Esto, además, disminuye el posible rozamiento de las partes en movimiento.

Estos equipos deberán ir sumergidos en el seno de la masa de agua en movimiento y para ello pueden ir, por ejemplo, anclados directamente y provistos de un sistema de flotación adecuado, o colgados de un puente o una plataforma debidamente anclada (lo que además tienen la ventaja de facilitar su izado para su mantenimiento), etc. Además la conexión, desconexión, frenado, etc., pueden hacerse por medios magnéticos, pudiendo manejarse todo el del sistema por control remoto, incluso desde tierra firme, y el mantenimiento puede hacerse desde la superficie, reflotando los elementos, sin necesidad de buzos.

Podrían fabricarse también equipos de pequeño tamaño para instalar en barcos y otros vehículos marinos y fluviales.

Si se quiere obtener mayor cantidad de energía a partir de un tamaño dado de generador, y especialmente en lugares en que la velocidad de las corrientes marinas sea pequeña, convendría instalarlos en el interior de una tobera preferentemente convergente-divergente. Si ello no fuera económicamente rentable debido a las dimensiones de cada unidad turbina-generador, convendría al menos ubicarlas en estrechamientos naturales donde el agua adquiere mayor velocidad por efecto Venturi de forma natural. Todo ello sin perjuicio de que se puedan instalar de cualquier otra forma y en cualquier lugar.

Si se quiere construir una "central hidroeléctrica oceánica submarina", habría que instalar un gran número de ellas agrupadas en una zona determinada. Todo el conjunto podría controlarse desde tierra firme. Al instalarlas de esta forma hay que dejar suficiente separación entre las distintas turbinas para evitar que las estelas de unas interaccionen con las de las otras.

Este tipo de sistemas puede usarse no sólo con corrientes marinas y fluviales, sino también en cualquier caso en que se produzca un movimiento relativo del sistema con respecto a cualquier fluido que haga girar la turbina con el generador instalado en forma de anillo propuesto.

Como ya se ha mencionado, la energía eléctrica obtenida en cada bobina puede obtenerse directamente de forma independiente, pero conectando adecuadamente entre si los extremos de los devanados de las distintas bobinas, toda la energía obtenida puede extraerse del sistema mediante un único par de cables.

Uno de los posibles usos directos in situ que se proponen es, como se ha dicho antes, para obtener hidrógeno a partir del agua. Para ello se usaría la corriente eléctrica obtenida para provocar la electrolisis del agua, con lo que obtendríamos hidrógeno y oxígeno. Ambos podrían almacenarse para uso futuro y el hidrógeno podría utilizarse como combustible. El hidrógeno obtenido podría utilizarse directamente, enviarse a tierra mediante gasoductos, o almacenarse en el lugar de su obtención.. Si instalamos unidades de pequeño tamaño que puedan ubicarse en el seno de la corriente desde el casco de los barcos, submarinos, batiscafos (para los que podría ser muy útil por ejemplo el oxígeno generado a partir de electrolisis del agua) o cualquier vehículo marino, podremos utilizarlo como una fuente de energía auxiliar, e incluso utilizar el H_{2} obtenido mediante electrolisis como combustible. Para ello el vehículo tendría que tener un sistema adecuado para ubicarlo en la posición y dirección adecuada y en el seno de la corriente marina, de la cual podría obtenerse energía. El equipo podría ir ubicado en un compartimento en la parte inferior del barco (o cualquier otra cerca del casco en el caso de vehículos submarinos), que se abriría cuando se quisiera utilizar para sacarlo al exterior y ubicarlo en el seno de la corriente. Debería llevar un sistema de posicionamiento dinámico que permitiera cambiar su orientación y fijarla en un ángulo y a una distancia determinada.

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 (9)

1. Generador eléctrico accionado por turbinas, que teniendo como finalidad absorber la energía cinética de las aguas, tanto marítimas como fluviales, y utilizando como elemento captador de dicha energía cinética una turbina preferentemente de centro abierto, es decir una turbina dotada de un aro exterior y fijo con respecto al cual giran los álabes de la misma asociados a su vez a un aro o tubo interior que determina el citado centro abierto, se caracteriza porque incorpora un anillo unido solidariamente a la parte giratoria (2) de la turbina constituyendo el rotor del generador, anillo al que son solidarios una pluralidad de imanes (5) instalados longitudinalmente y formando una alineación circunferencial concéntrica con la turbina y que quedan enfrentados a una pluralidad de bobinas (6), estáticas, a su vez solidarizadas al anillo exterior y fijo (3) de la turbina, adoptando dichos imanes una configuración tal que sus polos quedan enfrentados a las citadas bobinas y de manera que en el giro del rotor (2-5) se produce una variación creciente/decreciente en el flujo magnético que atraviesa éstos elementos, que genera en las citadas bobinas (6) una fuerza electromotriz inducida en forma de tensión alterna, confluyendo la f.e.m. de todas las bobinas en una pareja de cables de salida para la corriente generada.

2. Generador eléctrico accionado por turbinas, según reivindicación 1ª, caracterizado porque tanto los imanes como las bobinas se distribuyen uniformemente alrededor del rotor y el estator de la turbina.

3. Generador eléctrico accionado por turbinas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los imanes (5) se fijan al aro exterior y móvil (4) de la turbina, mientras que las complementarias bobinas (6) se fijan a su vez al aro exterior y fijo (3) de dicha turbina.

4. Generador eléctrico accionado por turbinas, según reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque los imanes (5) se fijan al anillo interno y móvil (1) de la turbina, mientras que las complementarias bobinas (6) son solidarias a un anillo (7) establecido en el interior de la turbina y unido rígidamente al anillo exterior y fijo (3) de la misma mediante una pluralidad de tirantes preferentemente radiales (8).

5. Generador eléctrico accionado por turbinas, según reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque existe un juego de imanes (5) solidarizados al anillo exterior y móvil (4) de la turbina y un segundo juego de imanes solidarizado al anillo interior y móvil (1) de dicha turbina, quedando los primeros enfrentados a las respectivas bobinas (6) directamente solidarizadas a un anillo exterior y fijo (3) de la turbina, mientras que el otro juego de bobinas (6) se solidariza a un anillo complementario (7), alojado en el seno de la turbina y rigidizado con el anillo exterior y fijo (3) de la misma mediante tirantes preferentemente radiales (8).

6. Generador eléctrico accionado por turbinas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque tanto el rotor como el estator, incluidas las bobinas (6), están recubiertas de un material aislante, preferentemente fluoroplástico para su protección contra la corrosión.

7. Generador eléctrico accionado por turbinas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque tanto los imanes (5) como las bobinas (6), están opcionalmente incrustados en anillos hechos de un material no magnetizable que rellene los espacios definidos entre dichos imanes o dichas bobinas.

8. Generador eléctrico accionado por turbinas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, dependiendo del tamaño de la turbina, lleva uno o más anillos rotor-estator instalados circunferencialmente en torno al rodete de álabes de la misma, en planos perpendiculares al eje de giro, y situados a distancia adecuada unos de otros y en la dirección axial.

9. Generador eléctrico accionado por turbinas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los conjuntos turbina-generador se instalan independientemente o en una tobera (preferentemente convergente-divergente, opcionalmente dividida en secciones), y anclándolos al fondo marino directamente o colgados desde otros elementos, yendo provistos preferentemente de medios que faciliten su flotabilidad, y de un sistema de control remoto que permita la conexión, desconexión, frenado, etc., preferentemente por medios magnéticos.