ES2294162T3

ES2294162T3 - Metodo y aparato para usar turbinas de viento para generar y suministrar energia ininterrumpida a lugares remotos a la red electrica.

Info

Publication number: ES2294162T3
Application number: ES02766321T
Authority: ES
Inventors: Ben Enis; Paul Lieberman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2008-04-01
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: US20050225091A1; TW567281B; CN1615402A; CA2462852C; JP2010133422A; CN100339593C; PT1451466E; US6927503B2; DE60222694T2; CA2462852A1; MXPA04003095A; AU2002330063B8; US7250691B2; EP1451466A1; JP2005530074A; DK1451466T3; AU2002330063B2; JP4731812B2; US20030105556A1; CY1107840T1

Abstract

Un sistema de generación y almacenamiento de energía eólica, que comprende una pluralidad de estaciones de molino de viento localizadas en un área predeterminada, en que dicha pluralidad de estaciones de molino de viento está dividida en al menos dos clases: un número predeterminado de primeras estaciones de molino de viento que tienen una turbina de viento y un generador eléctrico adaptados para convertir energía eólica en energía eléctrica para uso inmediato; y un número predeterminado de segundas estaciones de molino de viento que tienen una turbina de viento adaptada para almacenar la energía producida por el viento en al menos un tanque de almacenaje, en que está previsto al menos un compresor para comprimir aire en dicho tanque, y está previsto al menos un expansor para liberar el aire comprimido desde dicho tanque; y está previsto un segundo generador para convertir la energía del aire comprimido en energía eléctrica.

Description

Método y aparato para usar turbinas de viento para generar y suministrar energía ininterrumpida a lugares remotos a la red eléctrica.

Solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica prioridad de las solicitudes provisionales de EE. UU números 60/327.012, presentada el 5 de octubre de 2001, y 60/498.876, presentada el 9 de septiembre de 2002.

Antecedentes de la invención

La generación de la energía de fuentes naturales, tal como el sol y el viento, ha sido un objetivo importante en este país durante las pasadas décadas. Las tentativas para reducir la dependencia del petróleo, tal como de fuentes extranjeras, han llegado a ser un asunto nacional importante. Los expertos en energía temen que algunos de estos recursos, incluyendo el petróleo, gas y el carbón, algún día puedan acabarse. Como consecuencia de ello, muchos proyectos se han iniciado en un intento para aprovechar la energía derivada de las llamadas fuentes "alternativas" naturales.

Si bien la energía solar puede ser la fuente natural más conocida, también existe la posibilidad de aprovechar la tremenda energía del viento. Parques eólicos, por ejemplo, se han construido en muchas áreas del país donde el viento sopla naturalmente. En muchas de estas aplicaciones, se construye un gran número de molinos de viento que son "apuntados" hacia el viento. A medida que el viento sopla contra los molinos, se genera una energía giratoria que entonces es usada para impulsar generadores, que a su vez, pueden generar electricidad. Esta energía a menudo se usa para suplementar la energía producida por centrales eléctricas.

Un inconveniente al usar el viento como una fuente de energía, sin embargo, es que el viento no siempre sopla, y aunque lo haga, no siempre sopla a la misma velocidad, en otras palabras, no es siempre seguro. El viento tampoco sopla constantemente en las distintas horas del día, la semana, el mes y las estaciones del año, en otras palabras, no es siempre previsible. A pesar que en el pasado se han realizado intentos tendentes a almacenar la energía producida por el viento para que se pudiera usar durante períodos de demanda pico, y cuando el viento sea muy leve o en ausencia del mismo, estos sistemas pasados han dejado de aplicarse de una manera segura y confiable. Las tentativas del pasado no han sido capaces de reducir las ineficacias y las dificultades inherentes al uso del viento como fuente de energía de una manera continua e ininterrumpida.

La mayoría de las áreas pobladas del país tienen sistemas de generación de energía eléctrica y de apoyo adecuados, tal como los proporcionados por compañías locales de servicios públicos, y distribuidos por grandes redes eléctricas. Con excepción de esos pocos casos en que pudiera producirse un apagón, en otras palabras, debido a una interrupción de la línea o al fallo mecánico del equipo, etc., la mayoría de la gente en este país espera que la energía eléctrica siempre estará disponible.

En algunas áreas remotas del país, sin embargo, la energía eléctrica no siempre está prontamente disponible, y se deben hacer esfuerzos para obtener la energía necesaria. La gente que vive en lo alto de las montañas, o en áreas alejadas de la red eléctrica más próxima, por ejemplo, a menudo tiene dificultades para obtener energía. El costo de tender cables aéreos o subterráneos desde la red eléctrica más próxima para atender a estos tipos de lugares remotos puede ser prohibitivamente alto, y, para empeorar las cosas, estos costos a menudo deben ser afrontados por los usuarios, en otras palabras, donde la tierra es privada, y las compañías de servicios públicos no tienen obligación de atender a esos lugares. Además, aunque se conecten líneas eléctricas a estos lugares distantes, la energía que corre por las mismas puede disminuir para cuando alcanza su destino.

A pesar de estos problemas, dado que el viento es un recurso natural significativo que nunca se acabará, y a menudo abunda en estos lugares remotos, se desea tratar de desarrollar un sistema que no sólo pueda aprovechar el poder generado por el viento para proporcionar energía eléctrica, sino que sea capaz de hacerlo de manera coordinada, permitiendo que la energía del viento sea suministrada a lugares remotos de un modo continuo e ininterrumpido, en otras palabras, como una fuente primaria de energía, usando medios para almacenar la energía del viento de una manera efectiva para que pueda ser empleada durante períodos de demanda pico, y cuando los vientos sean muy leves o en ausencia de los mismos.

El documento US 4.229.661 describe una central eléctrica para un vehículo. La central eléctrica incluye una turbina de viento montada en el vehículo para capturar el efecto de la corriente de aire originada cuando el vehículo está en movimiento. La energía del aire es almacenada en forma de aire comprimido en un tanque de contención y/o en forma de corriente continua en una serie de baterías. La energía eólica es almacenada siempre antes de ser usada. La energía eólica no se convierte directamente en electricidad para su uso inmediato.

El documento US 5.512.787 describe un sistema para generar energía eléctrica a partir de fuentes renovables no contaminantes, tales como el viento, el sol y el oleaje. El objetivo principal es generar energía que pueda ser almacenada y utilizada para dar servicio a un vehículo de aire limpio tal como híbridos, tipos de baja emisión y de emisiones cero y embarcaciones marinas. Es decir, la energía es almacenada antes de ser utilizada.

Sumario de la invención

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La presente invención se refiere a sistemas de generación y almacenamiento de energía eólica capaces de ser adaptados para el uso continuo e ininterrumpido, en otras palabras, como una fuente primaria de energía eléctrica, tal como en lugares alejados de la red eléctrica. La invención comprende en general un sistema diseñado para hacer posible que una porción de la energía eólica sea destinada al uso inmediato, y otra al almacenamiento, mediante el uso de un sistema de energía por aire comprimido diseñado eficientemente.

Según se ha descrito, dado que el viento es generalmente inconstante y a veces imprevisible, es conveniente almacenar parte de la energía del viento para que se pueda usar durante períodos de demanda pico, y/o cuando los vientos sean leves o en ausencia de los mismos. La presente invención supera las ineficacias del uso de energía eólica en el pasado y los sistemas de almacenamiento proporcionando un sistema que se puede coordinar de manera que funcione eficientemente y continuamente, con una pequeña o ninguna dependencia de las fuentes convencionales de energía, y por lo tanto, capaz de ser usado como una fuente primaria de energía en lugares alejados de la red eléctrica.

En una realización, el sistema comprende preferiblemente un gran número de estaciones de molino de viento, en que una porción de las estaciones está dedicada a generar energía para uso inmediato (en adelante "estaciones de uso inmediato"), y una porción de las estaciones está dedicada a almacenar energía usando un sistema de energía por aire comprimido (en adelante "estaciones de almacenamiento de energía"). El sistema se diseña preferiblemente con un número y proporción predeterminados de cada tipo de estación de molino de viento para hacer que el sistema sea económico y energéticamente eficaz. Esta realización se usa preferiblemente en aldeas o comunidades pequeñas donde puede haber necesidad de un gran número de estaciones de molino de viento, en otras palabras, un parque eólico.

En esta realización, cada estación de uso inmediato tiene preferiblemente una turbina de viento horizontalmente orientada y un generador eléctrico localizados en la base del molino de viento, de manera que el movimiento giratorio causado por el viento sea convertido directamente en energía eléctrica a través de un generador. Esto se puede hacer, por ejemplo, conectando directamente el generador eléctrico al eje giratorio de la turbina de viento para que la potencia mecánica derivada del viento pueda impulsar directamente el generador. Localizando el generador aguas abajo de la caja de engranajes en el eje del molino de viento, y usando la fuerza mecánica del molino de viento directamente, las pérdidas de energía típicamente atribuidas a otros tipos de sistemas se pueden evitar.

La energía derivada del viento puede ser convertida en energía eléctrica más eficientemente cuando la conversión es directa, por ejemplo, la eficiencia de los sistemas de energía eólica puede ser mejorada aprovechando directamente el movimiento giratorio mecánico causado por el viento a medida que sopla sobre las aspas del molino de viento para generar directamente electricidad, sin tener que almacenar la energía primero.

Igualmente, en esta realización, cada estación de almacenamiento de energía está conectada preferiblemente a un compresor en una manera que convierte la fuerza del viento directamente en energía por aire comprimido. A este respecto, la turbina de viento horizontalmente orientada tiene preferiblemente un eje horizontal conectado a una primera caja de engranajes, que está conectada a un eje vertical que se extiende hacia abajo por la torre del molino de viento, que a su vez, está conectada a una segunda caja de engranajes conectada a otro eje horizontal localizado en el suelo. El eje horizontal más bajo entonces es conectado al compresor, de manera que la potencia mecánica derivada del viento puede ser convertida directamente en energía por aire comprimido y almacenada en tanques de almacenamiento a alta presión.

El aire comprimido de cada estación de almacenamiento de energía se canaliza preferiblemente en uno o más tanques de almacenamiento a alta presión donde el aire comprimido se puede almacenar. El almacenamiento de aire comprimido permite que la energía derivada del viento sea almacenada durante un período prolongado de tiempo. Almacenando la energía de este modo, el aire comprimido se puede liberar y expandir, por ejemplo mediante turboexpansores, en el momento adecuado, tal como cuando los vientos son leves o en ausencia de ellos, y/o durante períodos de demanda pico. El aire liberado y expandido entonces puede impulsar un generador eléctrico, de manera que la energía derivada del viento se pueda usar para generar la potencia eléctrica en la medida de lo necesario, en otras palabras, cuando verdaderamente se necesite la energía, lo cual puede o no coincidir con el momento durante el cual el viento está soplando.

La presente invención contempla también la incorporación de propiedades mejoradoras de la eficacia a los tanques de almacenamiento. Por ejemplo, la presente invención preferiblemente incorpora uno o más dispositivos de calentamiento que se pueden colocar en la parte superior y dentro de los tanques de almacenamiento. Estos pueden ayudar a generar calor y presión adicional, a absorber el calor para el uso posterior, y a proporcionar medios a través de los cuales puede evitarse que el aire en expansión no se congele. La presente invención contempla usar una combinación de calor solar, calor residual del compresor, y la potencia de combustibles fósiles de bajo nivel, para proporcionar el calor necesario a fin de aumentar la temperatura y la presión del aire comprimido en el tanque de almacenaje.

El calor de la energía térmica solar, la energía del calor residual y la energía de los combustibles fósiles preferiblemente se distribuye a los tanques de almacenamiento a través de un fluido que corre por la tubería delgada que se extiende por dichos tanques de almacenamiento. También se contemplan otros medios convencionales de suministro de calor, como el uso de combustores, etc. El presente sistema contempla que el aire frío creado por la expansión del aire comprimido que sale del turboexpansor se puede usar también para propósitos adicionales de refrigeración, en otras palabras, tal como durante el verano cuando los servicios de aire acondicionado puedan ser muy demandados.

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En otra realización, el presente sistema comprende preferiblemente una sola estación de molino de viento grande, como para un hogar o granja pequeña, donde la potencia del viento se puede dividir o dedicar simultáneamente al uso inmediato y al almacenamiento de energía (en adelante "estación híbrida"). En tal caso, la presente invención convierte preferiblemente la potencia mecánica directamente del eje del molino de viento para generar la energía eléctrica para el uso inmediato, y, al mismo tiempo, puede manejar un compresor que suministra la energía por aire comprimido a uno o más tanques de almacenamiento. La proporción entre la cantidad de la energía que se dedica al uso inmediato y la dedicada al almacenamiento puede ser cambiada realizando ciertos ajustes, por ejemplo, usando embragues y engranajes localizados en la estación, para que la cantidad apropiada de energía de cada clase pueda ser suministrada.

Por ejemplo, en cualquier momento dado, los engranajes se pueden fijar para que se genere menos energía destinada al uso inmediato que para almacenamiento, lo cual puede ser ventajoso cuando la demanda de energía sea baja y la disponibilidad de viento es alta. Por otro lado, la estación híbrida se puede ajustar también para que la proporción sea la contraria, en otras palabras, más energía para el uso inmediato que para el almacenamiento, lo cual puede ser ventajoso en situaciones en que la demanda de energía sea alta y la disponibilidad de viento sea moderada. Esto permite personalizar la estación híbrida a una aplicación dada, para permitir que el sistema proporcione la cantidad apropiada de energía destinada a uso inmediato y a almacenamiento, dependiendo de la disponibilidad de viento y de la demanda de energía.

En otra realización, la estación híbrida se puede usar en unión de las estaciones de uso inmediato y almacenamiento de energía descritas anteriormente al efecto de poder diseñar grandes parques eólicos de una manera más flexible y personalizada, por ejemplo, de modo que todo el sistema pueda ser personalizado a una aplicación dada con necesidades y características particulares. Eso es, usar una combinación de los tres tipos de estaciones de molino de viento puede permitir que un sistema esté más adaptado específicamente a las necesidades y variaciones en la disponibilidad de viento y demanda de energía para un área dada.

Los patrones del viento en cualquier área dada del país pueden cambiar de vez en cuando, en otras palabras, de una estación a otra, de un mes a otro, o aún día a día, u hora a hora. Al mismo tiempo, los modelos de demanda de la energía para un lugar dado pueden permanecer relativamente constantes en el tiempo, o pueden cambiar, pero no, en la mayoría de los casos, de una manera coincidente con los cambios de la disponibilidad de viento. Es decir, es mucho más probable que en muchos momentos durante un año haya una completa discordancia entre la disponibilidad de energía eólica y la demanda de energía, en otras palabras, cuando la demanda es alta y el suministro es bajo, y cuando el suministro es alto y la demanda es baja. A este respecto, la presente invención contempla que estos temas sean tenidos en cuenta al diseñar el sistema aplicable de parque eólico, de modo que un número apropiado de cada tipo de la estación de molino de viento se pueda instalar para que la energía que ha de ser suministrada y convertida en energía eléctrica se pueda proporcionar de manera continua e ininterrumpida, a pesar de cualquier desigualdad entre la oferta y demanda.

La presente invención contempla que la selección de un número apropiado de estaciones de molino de viento de cada tipo implicará un estudio de modelos de disponibilidad de viento a través del año, en un parque eólico dado, así como también patrones de demanda de energía y ciclos presentes en el sitio. Se contempla que deberán considerarse los peores escenarios, por ejemplo, las temporadas o meses peores cuando la oferta y demanda sufren la mayor discordancia, al escoger el diseño para el sistema, ya que para que el sistema trabaje apropiadamente, debe, por lo menos, estar diseñado para proporcionar un suministro continuo de energía durante los períodos de mayor discordancia.

Usar las estaciones híbridas en combinación con las estaciones de uso inmediato y de almacenamiento de energía posibilita que una porción de las estaciones cambie de un tipo al otro, en otras palabras, de uso inmediato a almacenamiento de energía, y viceversa, y variar la proporción entre ellas. Esto puede ser útil en situaciones donde el peor escenario sólo ocurre unos pocos meses al año, mientras que durante el resto del año, la disponibilidad de viento y los períodos de demanda de energía pueden seguir un modelo mucho menos discordante. En tal caso, el sistema completo puede quedar diseñado, por lo demás, de manera que resulte significativamente excesivo para el resto del año.

La presente invención contempla que el sistema se puede configurar para llevar al máximo la cantidad de la energía que se puede derivar de la energía eólica, teniendo en cuenta cuándo y cuánto viento está disponible en un momento dado, y cuándo y cuánta energía es solicitada en un momento dado, de modo que el sistema se pueda coordinar y pueda ser operado para proporcionar segura y eficientemente la energía continua e ininterrumpida a lugares alejados de la red eléctrica. Si bien a menudo es difícil predecir cuándo y cuánto viento soplará, y la extensión de los períodos de demanda, la presente invención procura usar datos seguros como medio para calcular ciertos promedios, en otras palabras, referidos al suministro de viento y la demanda de energía, y usar esos promedios como medio para utilizar un proceso iterativo destinado a crear un sistema óptimo que pueda ser aplicado a virtualmente cualquier aplicación durante el año entero.

Algunos de los factores de eficiencia que preferentemente son tenidos en cuenta se refieren al costo total de la construcción del sistema, donde es deseable usar los promedios de la oferta y demanda para proponer el número óptimo de las estaciones de molino de viento que se tienen que instalar para satisfacer las demandas de energía sobre el sistema en un momento dado del año. Esto implicaría determinar cuántas estaciones deben ser dedicadas al uso inmediato y al almacenamiento de energía, y cuántas estaciones híbridas se necesitan, para asegurar que el sistema pueda funcionar eficiente y efectivamente a través del año.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 ilustra un diagrama de flujo de un sistema a turbina de viento de eje horizontal destinado a la generación de energía para uso inmediato;

La Figura 2 ilustra un diagrama de flujo de un sistema a turbina de viento de eje horizontal modificado destinado a almacenar energía en un sistema de energía por aire comprimido;

La Figura 3 ilustra un diagrama esquemático de los componentes del tanque de almacenaje y calentador del sistema mostrado en la Figura 2;

La Figura 4 ilustra un diagrama de flujo de un sistema a turbina de viento de eje horizontal híbrido para generar electricidad destinada simultáneamente a uso inmediato y a almacenamiento de energía;

La Figura 5 ilustra un histograma de vientos para un lugar hipotético durante la estación ventosa;

La Figura 6 ilustra un histograma de viento para un lugar hipotético durante la estación menos ventosa;

La Figura 7 ilustra un gráfico de historia de viento para el mismo lugar hipotético correspondiente a un día promedio durante la estación ventosa;

La Figura 8 ilustra un gráfico de historia de viento para el mismo lugar hipotético correspondiente a un día promedio durante la estación menos ventosa;

La Figura 9 ilustra un gráfico de la historia de demanda de energía para el mismo lugar hipotético que muestra la demanda de energía correspondiente a los días de mucho viento y menos ventosos.

La Figura 10 ilustra un gráfico que compara la curva de demanda de energía y la curva de disponibilidad de energía eólica para el mismo lugar hipotético durante la temporada ventosa;

La Figura 11 ilustra un gráfico que compara la curva de demanda de energía y la curva de disponibilidad de energía eólica para el mismo lugar hipotético durante la temporada menos ventosa;

La Figura 12 ilustra un gráfico que indica la cantidad de energía de reserva que queda en un tanque de almacenaje hipotético para un día típico durante la temporada de mucho viento usando el presente sistema con el factor de discordancia en perfil de onda de aproximadamente 3,0;

La Figura 13 ilustra un gráfico que indica la cantidad de energía de reserva que queda en un tanque de almacenaje hipotético para el mismo día durante la temporada de mucho viento usando el presente sistema con el factor de discordancia en perfil de onda de aproximadamente 3,3;

La Figura 14 ilustra un gráfico que indica la cantidad de energía de reserva que queda en un tanque de almacenaje hipotético para el mismo día durante la temporada de mucho viento usando el presente sistema con el factor de discordancia en perfil de onda de aproximadamente 3,6;

La Figura 15 ilustra un gráfico que indica la cantidad de energía de reserva que queda en un tanque de almacenaje hipotético para el mismo día durante la temporada de mucho viento usando el presente sistema con el factor de discordancia en perfil de onda de aproximadamente 3,9;

La Figura 16 ilustra un gráfico que indica la cantidad de energía de reserva que queda en un tanque de almacenaje hipotético para el mismo día durante la temporada ventosa de acuerdo a la Figura 13 donde el presente sistema posee dispositivos de calentamiento solares y de quemador auxiliar; y

La Figura 17 ilustra un gráfico que indica la cantidad de energía de reserva que queda en un tanque de almacenaje hipotético para el mismo día durante la temporada ventosa de acuerdo a la Figura 16 donde el sistema carece de dispositivo de calentamiento solar, pero posee un dispositivo quemador auxiliar.

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Descripción detallada de la invención

La presente invención se refiere a mejoras para generar y almacenar energía eólica. La invención comprende varios métodos y aparatos mejorados que se diseñan para aumentar las eficiencia y la capacidad de adaptación de los sistemas de uso y almacenamiento de la energía generada por el viento, al efecto de proporcionar un suministro continuo e ininterrumpido de energía eléctrica a un lugar alejado de una red eléctrica. El presente sistema se diseña preferiblemente para permitir que los usuarios que no tienen acceso a una red eléctrica existente confíen casi exclusivamente en la energía eólica para suministrar electricidad de manera continua e ininterrumpida, a pesar de las condiciones inconstantes y generalmente imprevisibles del viento.

La porción del aparato de la presente invención comprende preferiblemente tres tipos diferentes de estaciones de molino de viento, que incluyen un primer tipo que tiene una turbina de viento de eje horizontal que convierte la fuerza mecánica giratorio en energía eléctrica usando un generador eléctrico y provee energía para uso inmediato (en adelante, "estaciones de uso inmediato"), un segundo tipo que tiene una turbina de viento de eje horizontal que convierte la fuerza giratoria mecánica en energía por aire comprimido que se almacena (en adelante, "estaciones de almacenamiento de energía"), y un tercer tipo que combina las características de los dos primeros en una sola estación de molino de viento que tiene la capacidad de convertir la fuerza giratoria mecánica en energía eléctrica para uso inmediato y/o almacenamiento (en adelante, "estaciones híbridas"). El presente sistema está diseñado para usar y coordinar uno o más de los tres tipos de estaciones de molino de viento descritas anteriormente de modo que una porción de la energía eólica pueda dedicarse al uso inmediato y otra porción al almacenamiento de energía. La presente invención contempla además el uso de una fuente de alimentación pequeña de emergencia, suplementaria e independiente para garantizar un suministro ininterrumpido de electricidad.

La siguiente exposición describe cada uno de los tres tipos de estaciones de molino de viento anteriormente delineadas, y está seguida por una descripción que indica cómo coordinar mejor las estaciones de molino de viento para cualquier aplicación dada.

A. Estaciones de Uso Inmediato

La Figura 1 ilustra un diagrama de flujo esquemático de una estación de uso inmediato. El esquema muestra cómo la fuerza giratoria mecánica generado por un molino de viento es convertido en energía eléctrica que es suministrada para uso inmediato.

Como los molinos de viento convencionales usados para crear energía eléctrica, la presente invención contempla que cada estación de uso inmediato comprenderá una torre de molino de viento con una turbina de viento de eje horizontal localizada en él. La torre se erige preferiblemente para posicionar la turbina de viento a una altura predeterminada, y cada turbina de viento es "apuntada" o dirigida preferiblemente hacia el viento para llevar al máximo el área de intersección, así como también la eficiencia de conversión de la energía eólica de la estación. Una turbina de viento, como las fabricadas por varios fabricantes estándares, puede ser instalada a la cabeza de la torre, con las aspas del molino de viento o ventiladores posicionados alrededor de un eje giratorio horizontalmente orientado.

En esta realización, una caja de engranajes y un generador eléctrico se localizan preferiblemente en la base del molino de viento de modo que la fuerza giratoria mecánica del eje pueda accionar directamente el generador para producir la energía eléctrica. Localizando el generador eléctrico directamente en el eje a través de una caja de engranajes, la fuerza mecánica puede ser convertido más eficientemente en energía eléctrica. La energía eléctrica entonces se puede transmitir desde la torre a través de una línea de conducción eléctrica, que puede ser conectada a otras líneas o cables que suministren la energía desde la estación de uso inmediato al usuario.

La presente invención contempla que las estaciones de uso inmediato sean usadas en relación con otras estaciones de molino de viento que sean capaces de almacenar la energía del viento para su uso posterior tal como se describe con más detalle en adelante. Esto es porque, según se ha expuesto, el viento es generalmente inconstante e imprevisible, y por lo tanto, el hecho de tener sólo estaciones de uso inmediato para suministrar energía para uso inmediato no permitirá que el sistema pueda ser usado de una manera continua e ininterrumpida por ejemplo cuando los vientos sean leves o en ausencia de los mismos. Por consiguiente, la presente invención contempla que en aplicaciones de parques eólicos donde se instalan múltiples estaciones de molino de viento, se tendrían que instalar también y tendrían que ser usadas estaciones adicionales de almacenamiento de energía.

B. Estaciones de Almacenamiento de Energía

La Figura 2 ilustra un diagrama de flujo esquemático de una estación de molino de viento de almacenamiento de energía. Esta estación también comprende preferiblemente una torre convencional de molino de viento y una turbina de viento de eje horizontal conforme se ha expuesto en relación con las estaciones de uso inmediato. Igualmente, la turbina de viento se localiza preferiblemente en la cabeza de la torre del molino de viento y es capaz de ser dirigida hacia el viento como en el diseño previo. Un eje giratorio se extiende también desde la turbina de viento para transmitir la potencia.

A diferencia del diseño previo, sin embargo, en esta realización, la energía derivada del viento es extraída preferiblemente en la base de la torre del molino de viento para fines de almacenamiento. Tal como lo ilustra la Figura 2, una primera caja de engranajes se localiza preferiblemente adyacente a la turbina de viento en la base del molino de viento, que puede transferir el movimiento giratorio del eje de accionamiento horizontal a un eje vertical que extiende en dirección descendente por la torre del molino de viento. En la base de la torre, hay preferiblemente una segunda caja de engranajes diseñada para transferir el movimiento giratorio del eje vertical a otro eje horizontal localizado en el suelo, que entonces está conectado a un compresor. La fuerza giratoria mecánica de la turbina de viento en la cabeza de la torre puede, por lo tanto, ser transferido hacia debajo de la torre, y puede ser convertido directamente en energía por aire comprimido, a través del compresor localizado en la base de la torre. Un motor mecánico en el compresor introduce a la fuerza la energía por aire comprimido en uno o más tanques de almacenamiento a alta presión localizados en el suelo cercano.

Con esta disposición, cada estación de almacenamiento de energía es capaz de convertir la fuerza mecánica del viento directamente en energía por aire comprimido, que se puede almacenar para uso posterior, tal como durante períodos de demanda pico, y/o cuando los vientos sean leves o en ausencia de los mismos. Dado que las estaciones de almacenamiento de energía sólo proporcionan energía para almacenamiento, el presente sistema contiene preferiblemente una o más estaciones de uso inmediato, que son generalmente más eficientes para convertir energía mecánica en energía eléctrica, según se ha expuesto, junto con una o más estaciones de almacenamiento de energía.

La porción de almacenamiento de energía del presente sistema comprende preferiblemente medios para almacenar y utilizar la energía por aire comprimido en el tanque de almacenaje. A este respecto, los tanques de almacenamiento a alta presión se diseñan preferiblemente para resistir las presiones probables que han de ser aplicadas por los compresores, y se encuentran aislados para mantener las temperaturas existentes en el tanque. Los tanques también se localizan preferiblemente en la proximidad a las estaciones de almacenamiento de energía (a los que ellos están conectados) de modo que el aire comprimido puede ser transmitido a los tanques sin pérdidas significativas de presión.

Aunque la presente invención contempla que se pueden usar tanques de varios tamaños, el presente sistema contempla preferiblemente que el tamaño de los tanques se base en cálculos que relacionen varios factores. Por ejemplo, según se expondrá, el tamaño de los tanques de almacenamiento puede depender del número y proporción de estaciones de uso inmediato y de almacenamiento instaladas, así como también de otros factores, tal como el tamaño y capacidad de las turbinas de viento seleccionadas, la capacidad de los compresores escogidos, la disponibilidad de viento, la extensión de la demanda de la energía, etc. El tamaño preferido de tanque usado en los ejemplos de la presente exposición se basa en una capacidad preferida de 4,14 MPa (600 psig). Los tanques de almacenamiento preferiblemente se fabrican en unidades de 3 m (10 pies) de diámetro y 18 m (60 pies) de longitud para adaptarse al transporte por carretera o ferrocarril.

La presente invención contempla que se puede usar cualquiera de los muchos medios convencionales para convertir el aire comprimido en energía eléctrica. En la realización preferida, uno o más turboexpansores se usan para liberar el aire comprimido de los tanques de almacenamiento a fin de crear una corriente de aire de alta velocidad que se puede usar para accionar un generador de energía eléctrica. Esta electricidad entonces se puede usar para suplementar la energía suministrada por las estaciones de uso inmediato. Cada vez que se necesita la energía eólica almacenada, el sistema está diseñado para permitir que el aire que hay en los tanques de almacenamiento sea liberado a través de los turboexpansores. Tal como lo ilustra la Figura 2, los turboexpansores preferiblemente suministran energía a un alternador, que está conectado a un conversor CA/CC, seguido por un inversor CC/CA y luego por un acondicionador para adaptar las impedancias a los circuitos de los usuarios.

La Figura 3 ilustra detalles de los componentes del tanque de almacenaje al cual se conectan las estaciones de almacenamiento de energía. En la realización preferida, preferiblemente se proporciona uno o más medios para generar y proveer calor al aire comprimido almacenado en los tanques. La presente invención contempla usar por lo menos tres tipos diferentes de sistemas de calentamiento como medios para proporcionar calor al aire comprimido dentro de los tanques a alta presión, que incluyen 1) colectores térmicos solares para utilizar la energía del sol, 2) colectores de residual para hacer circular el calor residual generado por el compresor a los tanques de almacenamiento, y 3) una unidad de calentamiento separada, tal como un quemador de combustible fósil, para introducir calor en los tanques de almacenamiento. La invención contempla también usar otros métodos estándares de proporcionar calor al aire comprimido.

Los medios, a través de los cuales el calor procedente de los diversos colectores es distribuido al aire comprimido en los tanques, comprenden generalmente un área de superficie grande de tubería de pared delgada que se extiende por los tanques. La tubería comprende preferiblemente aproximadamente el 1% del área total dentro de los tanques, y comprende preferiblemente cobre o material de acero al carbono. Ellos también contienen preferiblemente un fluido anticongelante que puede ser calentado por los colectores y distribuido por la tubería a través del interior del tanque de almacenaje. La tubería de pared delgada actúa como un intercambiador del calor, que forma parte del sistema de inercia térmico. Los tanques de almacenamiento están forrados preferiblemente por un aislamiento para impedir la pérdida de calor desde el interior.

La temperatura aumentada dentro del tanque de almacenaje proporciona varias ventajas. Primero, se ha descubierto que ese calor contribuye magníficamente a la eficiencia del trabajo completo realizado por los turboexpansores, y por lo tanto, aumentando la temperatura del aire comprimido en los tanques de almacenamiento, se puede generar una cantidad más grande de energía desde los tanques de almacenamiento del mismo tamaño. Segundo, aumentando la temperatura del aire en el tanque de almacenaje, se puede aumentar la presión dentro del tanque, con lo cual puede ser generada una velocidad mayor a través de los turboexpansores. Tercero, calentando el aire que hay en el tanque se ayuda a evitar el congelamiento que de otro modo puede ser causado por la expansión del aire en el tanque. Sin un elemento de calentamiento, la temperatura del aire liberado desde el tanque puede alcanzar casi niveles prácticamente criogénicos, con lo cual el vapor de agua y el dióxido de carbono dentro del tanque pueden congelarse y reducir la eficiencia del sistema. La presente invención es preferiblemente capaz de mantener la temperatura del aire en expansión en un nivel aceptable, para ayudar a mantener la eficiencia operativa del sistema. Si se desea, también es posible incorporar tipos adicionales de unidades de calentamiento, tales como combustores, etc.

Además, la presente invención preferiblemente aprovecha el aire frío generado por el turboexpansor. Por ejemplo, el aire frío puede ser redireccionado por tubos al compresor para mantener el compresor frío. Además, el aire residual enfriado del turboexpansor se puede usar para propósitos de refrigeración y aire acondicionado, por ejemplo durante un tiempo cálido o caluroso.

El sistema también comprende preferiblemente un sistema de control para controlar el funcionamiento del tanque de almacenaje, el compresor, el turboexpansor, las unidades de calentamiento, los componentes de la refrigeración, etc. El sistema de control preferiblemente está diseñado para ser capaz de mantener el nivel de energía por aire comprimido en el tanque en un nivel apropiado, regulando el flujo de aire comprimido hacia y fuera del tanque de almacenaje. Los controles se usan también para controlar y hacer funcionar los intercambiadores de calor que son empleados a fin de ayudar a controlar la temperatura del aire en el tanque. Los controles determinan qué intercambiador de calor deberá ser usado en cualquier momento dado, y cuánto calor ellos deben proporcionar al aire comprimido en los tanques de almacenamiento. El sistema de control tiene preferiblemente un microprocesador que es preprogramado para que el sistema sea capaz de funcionar automáticamente. Dado que se prevé un generador separado de energía eléctrica a fin de generar energía durante esos períodos en los cuales se produce un lapso excesivamente prolongado en que imperan vientos leves o no hay viento, el sistema de control habilita preferiblemente al usuario para determinar cuándo se usa la energía por aire comprimido y cuándo se usa el generador de energía eléctrica.

La presente invención contempla que puede desarrollarse e instalarse un sistema general que comprende estaciones de uso inmediato y de almacenamiento de energía. En tal caso, dependiendo de las demandas impuestas al sistema por el área del uso previsto, preferentemente se provee un número predeterminado de estaciones de uso inmediato y un número predeterminado de estaciones de almacenamiento de energía. Esto permite que el presente sistema sea personalizado y usado en relación con aplicaciones de varios tamaños. En aplicaciones grandes, por ejemplo, se puede instalar y coordinar un número múltiple de estaciones de molino de viento, que pueden ser repartidas entre el uso inmediato y el almacenamiento de energía, para obtener los resultados deseados.

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C. Estaciones Híbridas

La Figura 4 ilustra una estación híbrida. La estación híbrida es esencialmente una estación de molino de viento simple que comprende ciertos elementos de las estaciones de uso inmediato y de almacenamiento de energía, con un mecanismo divisor de la potencia mecánica que posibilita repartir la energía eólica entre energía para uso inmediato y energía para almacenamiento de acuerdo con las necesidades del sistema.

Como con las dos estaciones arriba descritas, preferiblemente se erige una torre convencional de molino de viento con una turbina de viento de eje horizontal convencional localizada en la misma. La turbina de viento comprende preferiblemente un eje giratorio horizontal que tiene la capacidad de transmitir la fuerza mecánica directamente a los convertidores.

Como con la estación de almacenamiento de energía, la estación híbrida está adaptada para que la energía eólica pueda ser extraída en la base de la torre de molino de viento. Conforme se ilustra esquemáticamente en la Figura 4, la turbina de viento tiene un eje giratorio de accionamiento conectado a una primera caja de engranajes localizada en la base del molino de viento, donde el movimiento giratorio horizontal del eje puede ser transferido a un eje vertical que extiende en sentido descendente por la torre. En la base de la torre, hay preferiblemente una segunda caja de engranajes diseñada para transferir el movimiento giratorio del eje vertical a otro eje horizontal localizado en la base.

En este punto, conforme lo ilustra la Figura 4, está previsto preferentemente un divisor de potencia mecánica. El divisor, que se describirá con más detalle en adelante, está diseñado para dividir la fuerza giratoria mecánica del eje horizontal inferior, de modo que una cantidad apropiada de energía eólica pueda ser transmitida al convertidor de aguas abajo deseado, en otras palabras, se puede ajustar para mandar la potencia a un generador eléctrico para uso inmediato, y/o a un compresor para almacenamiento de energía.

Por debajo del divisor mecánico, la estación híbrida tiene preferiblemente, por un lado, una conexión mecánica a un generador eléctrico, y, por otro lado, una conexión mecánica a un compresor. Cuando el divisor mecánico está conectado completamente al generador eléctrico, la fuerza giratoria mecánica del eje horizontal inferior es transmitida directamente al generador a través de un eje dentado. Esto hace posible que el generador convierta directamente y eficientemente la fuerza mecánica en energía eléctrica que luego es transmitida al usuario para su uso inmediato.

Por otro lado, cuando el divisor mecánico está conectado completamente al compresor, la fuerza giratoria mecánica del eje horizontal inferior es transmitida directamente a un compresor, permitiendo el almacenamiento de energía eólica por aire comprimido en un tanque de almacenaje a alta presión. Esta porción de la estación híbrida es preferiblemente substancialmente semejante a los componentes de la estación de almacenamiento de energía, en la medida en que la fuerza mecánica generada por la estación híbrida tiene por objeto ser convertida directamente en energía por aire comprimido, y almacenada en tanques a alta presión, desde donde la energía se puede liberar en el momento apropiado, a través de uno o más turboexpansores. Como con la realización previa, un tanque de almacenaje a alta presión se localiza preferiblemente en la proximidad inmediata a la estación de molino de viento de manera que la energía por aire comprimido pueda ser eficientemente almacenada en el tanque para su posterior uso.

En una versión de la estación híbrida, sólo una sola estación de molino de viento se usa para un área dada. Este sería el caso cuando la energía se suministrara a una sola casa o granja pequeña. En tal caso, un solo tanque de almacenaje a alta presión está conectado preferiblemente al compresor y es usado para almacenar la energía en el modo de almacenamiento de energía.

Por otro lado, conforme se expondrá, las estaciones híbridas pueden también incorporarse a un parque eólico grande, e instalarse junto con las otras estaciones para uso inmediato y también para almacenamiento de energía. En tal caso, el compresor en cada estación híbrida puede ser conectado a tanques de almacenamiento centralmente localizados, de modo que una pluralidad de estaciones puedan alimentar aire comprimido a un solo tanque. De hecho, el sistema se puede diseñar para que las estaciones híbridas y las estaciones de almacenamiento de energía puedan alimentar la energía por aire comprimido a un tanque de almacenaje, o a varios tanques, según el caso.

Los detalles de los componentes de los tanques de almacenaje mostrados en la Figura 3 preferiblemente se incorporan a la estación híbrida. Por ejemplo, uno o más de los tres tipos de sistemas de calentamiento descritos anteriormente pueden ser usados para calentar el aire en el tanque de almacenaje, obteniendo las ventajas de calentamiento correspondientes. El tanque de almacenaje se puede adaptar también con intercambiadores de calor para distribuir el calor dentro del mismo, en otras palabras, mediante una tubería de pared delgada que corre por el interior del tanque. También se puede prever un quemador adicional de propano.

El divisor de fuerza mecánica, adaptado para dividir la potencia mecánica entre potencia para uso inmediato y potencia destinada a almacenamiento de energía, preferentemente comprende múltiples engranajes y embragues de modo que la energía mecánica pueda ser transmitida directamente a los convertidores y dividirla ya sea completamente, o de modo que ambos operen simultáneamente.

En la realización preferida, el divisor mecánico comprende un engranaje grande conectado al eje de accionamiento horizontal inferior que se extiende desde la base de la estación, en combinación con engranajes adicionales de impulsión capaces de embragar y engranar con el engranaje grande. Un primer embrague controla preferiblemente los engranajes de impulsión y hace posible que se muevan desde una primer posición en la que embragan y engranan con el engranaje grande, y una segunda posición en la cual el engranaje de impulsión no embraga ni engrana con el engranaje grande. De esta manera, mediante el accionamiento del primer embrague, un número apropiado de engranajes de impulsión puede embragar y engranar con el engranaje grande, dependiendo de la distribución deseada de la fuerza mecánica del eje de impulsión inferior a los dos tipos de convertidores.

Por ejemplo, en una realización, puede haber un engranaje grande y cinco engranajes adicionales de impulsión, y el sistema puede contemplar que el primer embrague se pueda usar para permitir que el engranaje grande embrague y engrane, en cualquier momento, con uno, dos, tres, cuatro o cinco de los engranajes de impulsión. De esta manera, el primer embrague puede controlar cuántos de los engranajes de impulsión deberán ser activados y por lo tanto impulsados por el eje horizontal inferior, para determinar la proporción de fuerza mecánica transmitida al componente conversor de energía apropiado del sistema. Es decir, si los cinco engranajes de impulsión engranan con el engranaje grande, cada uno de ellos será capaz de transmitir un quinto o el 20% de la fuerza mecánica a los convertidores de energía. Al mismo tiempo, si solamente tres de los engranajes adicionales de impulsión engranan con el engranaje grande, entonces un tercio o el 33,33% de la fuerza mecánica generada por el molino de viento será transmitido a los convertidores de energía. Si dos engranajes de impulsión engranan con el engranaje grande, cada uno transmitirá la mitad de la potencia transmitida.

El divisor mecánico de la presente invención contempla también que un segundo embrague esté dispuesto para hacer posible que cada uno de los engranajes adicionales de impulsión a ser conectados al generador eléctrico (que genera la energía para uso inmediato) o al compresor de aire (que genera la energía por aire comprimido para almacenamiento de energía). Ajustando el segundo embrague, por lo tanto, la fuerza mecánica transmitida del engranaje grande a cualquiera de los engranajes adicionales de impulsión puede ser dirigido al generador eléctrico o al compresor.

Esto permite que la potencia mecánica suministrada por la estación de molino de viento sea distribuida y repartida entre uso inmediato y almacenamiento de energía de un modo ajustable. Es decir, la cantidad de potencia distribuida a cada tipo de convertidor de energía puede depender de la cantidad de engranajes adicionales de impulsión que se apliquen al engranaje grande, y a qué convertidor de energía cada engranaje de impulsión esté conectado, por ejemplo, los conectados al generador eléctrico generarán energía para uso inmediato, y los conectados al compresor generarán energía para el almacenamiento.

Basándose en lo precedente, se puede ver que ajustando los embragues y los engranajes del mecanismo divisor de potencia mecánica, la medida en que la energía es dedicada para uso inmediato y almacenamiento puede ser ajustada y repartida. Por ejemplo, si se desea que el 40% de la fuerza mecánica sea distribuida a energía para uso inmediato, y el 60% de la fuerza mecánica sea distribuido a energía para almacenamiento, el primer embrague se puede usar para hacer que los cinco engranajes adicionales de impulsión se aplique al engranaje grande, mientras que al mismo tiempo, el segundo embrague se puede usar para hacer que dos de los cinco engranajes de impulsión (cada uno de los cuales provee el 20% de la potencia o 40% en total) se conecten al generador eléctrico, y tres de los cinco (cada uno de los cuales proporciona 20% o 60% de la potencia en total) se conecten al compresor. De este modo, el divisor mecánico puede dividir y distribuir la potencia mecánica entre uso inmediato y almacenamiento a una proporción predeterminada de 40/60, respectivamente.

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En otro ejemplo, usando el mismo sistema, si se desea que la fuerza mecánica sea distribuida un tercio a uso inmediato y dos tercios a almacenamiento de energía, el primer embrague se puede usar para hacer que sólo tres de los engranajes adicionales de impulsión se apliquen al engranaje grande, y el segundo embrague se puede usar para hacer uno de los engranajes de impulsión aplicado se conecte al generador eléctrico, mientras que los otros dos engranajes de impulsión se conectarán al compresor. De esta manera, la potencia mecánica de la turbina de viento se puede distribuir a una proporción de un tercio a dos tercios, en otras palabras, entre energía para uso inmediato y para almacenamiento, respectivamente.

El presente sistema contempla que cualquier número de engranajes adicionales de impulsión se puede proporcionar para variar la medida en que se puede dividir la potencia mecánica. Se contempla, sin embargo, que con cinco engranajes adicionales de impulsión se proporcionaría suficiente flexibilidad para permitir que la estación híbrida sea práctica en la mayoría de las situaciones. Con cinco engranajes adicionales de impulsión, las siguientes relaciones se pueden proporcionar: 50/50, 33,33/66.66, 66,66/33,33, 20/80, 40/60, 60/40, 80/20, 100/0, y 0/100.

Usando los embragues en el divisor de potencia mecánica, la estación híbrida se puede ajustar en diferentes momentos del año para suministrar una relación diferente de potencia entre uso inmediato y almacenamiento de energía. Según se expondrá, dependiendo de la demanda de fuerza e historias de disponibilidad de viento, se contempla que pueden ser necesarias diferentes relaciones para proporcionar una cantidad adecuada de fuerza al usuario, particularmente en las situaciones en que requisitos de demanda de energía permanecen constantes de manera continua e ininterrumpida, a pesar de patrones inconstantes e imprevisibles de viento.

Además, cuando las estaciones híbridas se usan en unión de un parque eólico grande, el divisor mecánico puede ser usado para alternar completamente la potencia mecánica entre uso inmediato y almacenamiento de energía, en otras palabras, se puede proporcionar el 100% de energía para el uso inmediato, o el 100% de energía para el almacenamiento, dependiendo de las necesidades del sistema. Esto puede ser hecho teniendo sólo uno de los engranajes adicionales de impulsión aplicado y engranado con el engranaje grande, usando el primer embrague, y con el engranaje de impulsión conectado al convertidor apropiado, mediante el empleo del segundo embrague. Según se expondrá, esto permite diseñar e instalar el presente sistema de una manera eficaz desde los puntos de vista de costos y energía.

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D. Coordinación de los Tres Tipos de Estaciones

La siguiente exposición se relaciona con los pasos que se toman preferiblemente a fin de determinar cómo coordinar mejor los tipos de estaciones de molino de viento descritos para una aplicación particular, incluyendo la determinación de si cierta ubicación es aún adecuada para que se instale y funcione el presente sistema. Tal determinación comprende generalmente un análisis de costo versus beneficio, y un estudio de eficiencia de energía, que se tome en consideración la disponibilidad de viento en cualquier momento y ubicación, por ejemplo, durante el transcurso de un año, y las demandas que probablemente se le exijan al sistema en esa ubicación.

Las Figuras 5 y 6 muestran lo que comúnmente se denomina histograma de viento para una ubicación hipotética. Estos gráficos representan ejemplos hipotéticos de las historias posibles de viento que podrían suceder en un lugar real, como medio para mostrar cómo el sistema se puede coordinar y puede ser aplicado a circunstancias variadas. En este ejemplo particular, aunque hay normalmente cuatro estaciones a considerar, sólo dos gráficos (para dos de las cuatro estaciones) son proporcionados con propósitos de demostración. Estas dos temporadas, en este ejemplo, representan los dos casos extremos por el año hipotético en cuestión. En un estudio real, se tendrían en cuenta normalmente los gráficos para las cuatro estaciones, o para todos los períodos del año.

En general, estos gráficos muestran el número de veces promedio que el viento alcanza cierta velocidad (medida a intervalos de tres minutos) durante algún día dado, en el transcurso de un período de tres meses, en otras palabras, en una estación completa. Las historias del viento se diseñan para permitir la ejecución de un estudio acerca de la cantidad media de viento que quizás esté disponible en algún lugar dado, durante cualquier día dado, desde una estación del año a otra.

Por ejemplo, la Figura 5 tiene por objeto representar el número medio de ocurrencias de velocidad del viento durante la estación "ventosa", y la Figura 6 tiene por objeto representar el número medio de ocurrencias de velocidad del viento en el mismo lugar durante la estación "menos ventosa". En cualquier caso, deben realizarse múltiples gráficos para un estudio de un lugar dado, en otras palabras, a diario para cada temporada o período de estudio, con el fin de ayudar a indicar el número promedio de ocurrencias de la velocidad del viento que quizás se produzcan durante cualquier día dado, durante varios momentos del año. Esta información puede ser útil, según se expondrá, para ayudar a formular una solución para un año entero, que puede estar basada en los mejores y peores escenarios presentados por los estudios.

La Figura 5 ilustra que durante la estación ventosa el número máximo de ocurrencias para cualquier medición de velocidad del viento particular durante un período de 24 horas fue de aproximadamente 52, que se produjeron cuando la velocidad del viento alcanzó aproximadamente 9 m (30 pies) por segundo. Expresado de una manera diferente, durante un día medio de la temporada de mucho viento, el viento sopló aproximadamente a 9 m (30 pies) por segundo más a menudo que a cualquiera otra velocidad, en otras palabras, para un tiempo estimado de aproximadamente dos horas y media (52 ocurrencias multiplicadas por intervalos de 3 minutos son igual a 156 minutos). Otra manera de mirar esto es que el viento soplaba a un promedio de aproximadamente 9 m (30 pies) por segundo durante un promedio de aproximadamente 52 de las 480 mediciones tomadas durante el día.

El gráfico en la Figura 5 también demuestra que la velocidad del viento era inferior a 3 m (10 pies) por segundo en aproximadamente 23 ocurrencias en promedio durante la temporada de mucho viento, lo cual significa que estaba por debajo de esa velocidad durante aproximadamente una hora y diez minutos (en otras palabras, 23 ocurrencias multiplicadas por intervalos de 3 minutos igual a 69 minutos). Igualmente, el gráfico muestra que la velocidad del viento fue superior a 23 m (75 pies) por segundo para un promedio de aproximadamente 8 ocurrencias, lo cual significa que superó esa velocidad durante aproximadamente 24 minutos (en otras palabras, 8 ocurrencias multiplicadas por intervalos de 3 minutos igual a 24 minutos).

Esto significa que dependiendo de qué clase de turbinas de viento se seleccionen, los gráficos pueden predecir la cantidad de tiempo que las turbinas de viento estarían operativas y funcionando en promedio un día para producir la energía. Por ejemplo, si se asume que las turbinas de viento que se escogen están diseñadas para funcionar sólo cuando la velocidad del viento esté entre 3 m (10 pies) por segundo y 23 m (75 pies) por segundo, debido a razones de eficiencia y seguridad, se puede predecir que durante algún día dado de la temporada de mucho viento esas turbinas no estarán operativas durante un promedio de aproximadamente una hora y media (en otras palabras, 69 minutos más 24 minutos igual a 93 minutos), y operativas durante un promedio de aproximadamente veintidós horas y media.

La capacidad operativa de las turbinas de viento para producir energía durante el período mencionado de veintidós horas y media entonces dependerá de la velocidad del viento en cualquier momento dado durante el día. En general, se supone que la energía eólica obtenida por una turbina de viento sigue la ecuación:

P = C_{1} * 0.5 * Rho * A * U^{3}

donde

C1 = Constante (que es obtenida ajustando la potencia calculada con las dimensiones del área de la turbina de viento y el comportamiento de la velocidad del viento)

Rho = Densidad del aire

A = Area barrida por los rotores de la turbina de viento

U = Velocidad del Viento

Esto significa que la cantidad de potencia generada por el viento es proporcional al cubo de la velocidad del viento. Por consiguiente, en una situación en que las turbinas de viento estén completamente operativas dentro del margen de velocidades de entre 3 m (10 pies) por segundo y 23 m (75 pies) por segundo, la cantidad total de fuerza de viento que se puede generar durante el día será una función directa de la velocidad total del viento entre esos márgenes.

Por otro lado, varias turbinas de viento se diseñan para que la salida de potencia permanezca constante a través de ciertos márgenes de alta velocidad del viento. Esto puede ser el resultado del funcionamiento de las aspas de los molinos a velocidades superiores a cierto máximo. Por ejemplo, ciertas turbinas de viento pueden funcionar de manera que dentro de cierto margen de velocidades, por ejemplo, entre 15 m y 23 m (50 y 75 pies) por segundo, la energía eólica generada permanezca constante a pesar de cambios en la velocidad del viento. En tal caso, la energía eólica producida por el molino de viento permanecerá igual a la energía eólica generada a la velocidad más baja dentro de ese margen, en otras palabras, a 15 m (50 pies) por segundo. Por consiguiente, en el ejemplo anterior, durante un período en el cual la velocidad del viento oscile entre 15 m y 23 m (50 y 75 pies) por segundo, la cantidad de energía eólica generada por la turbina de viento será igual a la energía generada cuando la velocidad del viento sea de 15 m (50 pies) por segundo. Además, muchas turbinas de viento se diseñan para que cuando la velocidad del viento exceda un límite máximo, tal como 23 m (75 pies) por segundo, se paren completamente a fin de prevenir daños debidos a las velocidades excesivas del viento. Por consiguiente, la cantidad total de energía que puede ser generada por cierto molino de viento debe tomar estos factores en consideración.

Las Figura 6 ilustra que durante la temporada menos ventosa el número máximo de ocurrencias para cualquier medición de velocidad del viento específica durante un período de 24 horas fue de aproximadamente 40, lo cual ocurrió cuando la velocidad del viento alcanzó cerca de 7,9 m (26 pies) por segundo. Expresado diferentemente, durante la temporada menos ventosa, el viento sopló aproximadamente a 7,9 m (26 pies) por segundo más a menudo que a cualquiera otra velocidad, en otras palabras, para una cantidad total de tiempo estimada de aproximadamente dos horas (40 ocurrencias multiplicadas por intervalos de 3 minutos igual a 120 minutos). Otra manera de mirar esto es que el viento sopló aproximadamente a 7,9 m (26 pies) por segundo durante un promedio de aproximadamente 40 de las 480 mediciones tomadas durante el día.

El gráfico en la Figura 6 también demuestra que la velocidad del viento era inferior a 3 m (10 pies) por segundo sólo en aproximadamente 5 ocurrencias en un día promedio, lo cual significa que era inferior a esa velocidad para un promedio estimado en aproximadamente 15 minutos (en otras palabras, 5 ocurrencias multiplicadas por intervalos de 3 minutos igual a 15 minutos). Igualmente, el gráfico muestra que la velocidad del viento nunca fue superior a 23 m (75 pies) por segundo (en otras palabras, 0 ocurrencias multiplicadas por intervalos de 3 minutos igual a 0 minutos).

En este caso, usando las mismas turbinas de viento descritas arriba, se puede predecir que, durante cualquier día dado de la temporada menos ventosa, las turbinas de viento no funcionarían durante un promedio de aproximadamente 15 minutos por día, y funcionarían durante un promedio de veintitrés horas y 45 minutos todos los días. Según se ha expuesto, los gráficos pueden predecir la cantidad de tiempo que las turbinas de viento serían capaces de estar funcionando y operativas para producir energía durante un día promedio, así como también cuánta energía pueden generar.

Uno puede ver generalmente a partir de los gráficos que la curva en la Figura 6 es más pendiente y más estrecha pero más baja en general que la de la Figura 5. Esto indica que las velocidades del viento durante la estación menos ventosa no son tan altas, sino más previsibles y constantes que durante la temporada de mucho viento para este sitio particular. Además, dado que estos gráficos ilustran los promedios durante un período de tiempo, es necesario considerar que las ocurrencias reales durante el período de tiempo expresado pueden variar considerablemente. A este respecto, se debe hacer notar que los histogramas de viento para las velocidades de viento típicamente son descritos estadísticamente a través de la distribución de Weibull. Los fabricantes de turbinas de viento han usado la asociación de la Distribución de Weibull con el "parámetro de anchura" de k=2,0, aunque hay sitios en donde el parámetro de anchura ha alcanzado un valor de k=2,52. Así estos dos valores se han escogido para esta evaluación técnica hipotética recomportamiento funcional. También, las Distribuciones de Viento de Weibull de las Figuras 5 y 6 se caracterizan por un Factor de Forma de 2,00 y 2,52, respectivamente, una Velocidad Típica de 12 m/segundo y 7,6 m/segundo (40 y 25 pies/segundo), respectivamente, y una Velocidad Mínima de 0,6 m/segundo y 1,8 m/segundo (2 y 6 pies/segundo), respectivamente.

No obstante es deseable saber cuántas veces, en promedio, se dan ciertas velocidades del viento durante el año, es también importante saber cuándo se dan las distintas velocidades de viento durante algún día dado, en otras palabras, en promedio, de manera que puedan ser comparadas con los períodos de la demanda pico que se producen también durante algún día dado. A este respecto, las Figuras 7 y 8 ilustran las distribuciones diarias del viento que se producen en promedio durante horas particulares del día, para las temporadas particulares que siguen, en otras palabras, la Figura 7 ilustra el promedio de una compilación de mediciones tomadas durante una estación ventosa hipotética, mientras que la Figura 8 ilustra el promedio de una compilación de mediciones tomadas durante una estación menos ventosa hipotética. En un análisis verdadero, según se expondrá, será más apropiado tomar mediciones diarias, y producir un gráfico separado para cada día de cada temporada o período, y entonces usar esa información para desarrollar un sistema para el año entero.

La Figura 7 ilustra que durante los meses de mucho viento la velocidad máxima del viento ocurrió en promedio alrededor de las 6:30 de la mañana, mientras que la velocidad mínima del viento ocurrió típicamente en promedio aproximadamente al mediodía. Tal como se observa en el perfil de velocidad del viento, la velocidad del viento comenzó típicamente a generarse durante las horas de la mañana, alcanzando un pico cerca de las 6:30 A.M, a lo cual siguió una caída casi constante hasta una velocidad mínima del viento alrededor del mediodía. La velocidad del viento entonces subió típicamente a un nivel promedio aproximado "estable" de aproximadamente 12 m (40 pies) por segundo, con algunas fluctuaciones breves (turbulencia) que oscilaron entre aproximadamente 7,6 m y 15 m (25 y 50 pies) por segundo. Esta condición persistió en promedio durante aproximadamente 7 horas, en otras palabras, entre aproximadamente las 2:00 y 9:00 PM, a lo cual siguió una caída a aproximadamente 3 m (10 pies) por segundo alrededor de la medianoche. Aunque esta curva ilustra un promedio para la temporada de mucho viento, un gráfico típico para un solo día durante la temporada mostrará una curva semejante.

La Figura 8, por otro lado, ilustra que durante los meses menos ventosos la velocidad máxima del viento tuvo lugar en promedio aproximadamente al mediodía, y que la velocidad mínima del viento se produjo en promedio alrededor de la medianoche. En este caso, las horas de la mañana aparecieron típicamente con velocidades extremadamente turbulentas con variaciones significativas de la velocidad del viento que aparecían cada tres minutos. Al mismo tiempo, este perfil de velocidades del viento muestra un modelo claro de una ascensión constante en la velocidad del viento hasta cerca del mediodía, momento en que la velocidad del viento alcanzó un pico de aproximadamente 15 m (50 pies) por segundo. Por otro lado, la velocidad media del viento durante la tarde y las horas nocturnas pareció declinar de una manera relativamente constante y firme, con pocas variaciones durante el resto del día. Una característica significativa que se puede notar acerca de esta historia de la velocidad del viento es la cantidad significativa de turbulencia durante las horas tempranas de la mañana, y la falta de turbulencia durante el resto del día. Nuevamente, mientras esta curva muestra un promedio para la temporada menos ventosa, un gráfico típico para un solo día mostrará una curva semejante.

Estos gráficos muestran que hay diferencias en la disponibilidad de viento durante cualquier momento dado de un día medio, y diferencias entre temporadas. En un análisis real, los datos de todas las estaciones o períodos sobre una base diaria necesitarán ser considerados.

Otro factor a considerar es la demanda de energía en el lugar dado que hay que atender a través del presente sistema de generación y almacenamiento de energía eólica. Esto puede lograrse midiendo la cantidad de energía usada por unidad de tiempo en el área que ha de ser atendida, y trazando las mediciones como un promedio para cualquier día dado. Esto es lo que se representa en la Figura 9, que muestra la curva de demanda de energía en el lugar hipotético.

Para fines de este ejemplo, y atendiendo a una mayor simplicidad, se supondrá que la curva de demanda será la misma en las estaciones ventosa y menos ventosa, aunque en la práctica, las curvas podrán ser distintas de un período al siguiente. En este ejemplo, el período de máxima demanda de energía es durante el mediodía cuando los acondicionadores de aire durante el verano y las estufas durante el invierno seguramente están encendidos.

Las Figuras 10 y 11 muestran cuán diferentes o cuán semejantes pueden ser las curvas de disponibilidad de viento y de demanda de energía para cualquier ubicación dada durante cualquier período dado.

La Figura 10 representa la temporada de mucho viento e incorpora una curva de la historia de la energía eólica basada en la curva de la historia de la velocidad del viento de la Figura 7 (multiplicando la velocidad del viento por la anterior fórmula de energía eólica) y la curva de demanda de energía de la Figura 9. La curva de energía eólica, a este respecto, es semejante en perfil a la curva de la velocidad del viento porque la energía eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento. En este caso, se supuso una constante hipotética y el tamaño de área de la turbina de viento, etc., y se superpusieron esencialmente las dos curvas de manera aleatoria para indicar las diferencias entre las dos. En este ejemplo, tanto el período de máxima demanda como el período de menor disponibilidad de viento ocurren durante el mediodía, en otras palabras, aproximadamente al mediodía. Esto demuestra que durante el mediodía hay una diferencia tremenda entre el suministro de energía y la demanda de energía que debe ser tenida en cuenta al diseñar un sistema de uso y almacenamiento de energía eólica viable. Verdaderamente, durante el mediodía, cuando la demanda es mayor, la velocidad del viento se ubica constantemente por debajo de 3 m (10 pies) por segundo, con lo cual no se podría disponer de energía para uso inmediato ni para almacenamiento.

La Figura 11 representa la temporada menos ventosa e incorpora una curva de historia de energía eólica basada en la curva de la historia de velocidad del viento de la Figura 8 (multiplicando la velocidad del viento por la fórmula anterior de energía eólica) y la curva de la demanda de energía de la Figura 9. Nuevamente, la curva de la energía eólica, a este respecto, es semejante en la forma a la curva de la velocidad del viento porque la energía eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento. En este caso, se asumieron una constante hipotética y el tamaño de área de la turbina de viento, etc., y se superpusieron esencialmente las dos curvas de manera aleatoria para indicar las diferencias entre las dos. En este ejemplo, sin embargo, a diferencia del anterior, las formas de las dos curvas son mucho más similares. El período de demanda pico, que ocurre durante el mediodía, coincide substancialmente con el período de máxima disponibilidad de viento, que ocurre también en el mediodía. Esto muestra probablemente que se produce un equilibrio entre la oferta y demanda durante este período del año. Por otro lado, se puede ver que la curva completa es también más pequeña durante esta temporada, indicando que la disponibilidad total de viento es significativamente menor durante este período.

Las curvas ilustradas en las Figuras 10 y 11 ayudan a mostrar las diferencias que pueden existir entre las curvas de la oferta y la demanda, que pueden diferir también significativamente de una temporada a otra. Según se expondrá, será necesario comparar los datos de las diversas temporadas o períodos para tener en cuenta los peores escenarios con el fin de desarrollar un sistema que trabaje eficientemente durante todo el año. Dado que no es práctico instalar y quitar los molinos de viento con cada cambio de estación, la presente invención contempla la selección de una solución que será rentable y eficiente desde el punto de vista de la energía, basada en los peores escenarios que quizás existan en cualquier lugar dado, coordinándose y modificándose la solución en la medida de lo necesario durante el año.

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E. Procedimiento para Desarrollar un Sistema Personalizado

Los pasos que se dan preferiblemente para diseñar un sistema personalizado son los siguientes.

Primero, preferentemente se obtiene información diaria relativa a las cuatro estaciones del año. La recogida de información puede ser dividida por temporadas, o por cualquier otro período, tal como cada mes, cada dos meses, cada seis meses, etc., dependiendo de cuán variadas puedan ser las historias. Cuando las historias no sufren grandes variaciones, puede ser posible seguir períodos más largos y menos frecuentes, tal como de seis meses. Cuando las historias son mucho más variadas, sin embargo, puede ser más deseable seguir períodos más cortos más frecuentemente, por ejemplo cada mes.

Al comienzo, es deseable reunir información cada día de cada estación o período para el lugar en cuestión. Por ejemplo, si el año se divide en cuatro temporadas, o en cuatro períodos de 90 días, sería deseable reunir información del lugar deseado con respecto a cada día de esa temporada, de manera que los cálculos relacionados con el lugar se pueden repetir 90 veces para obtener los datos necesarios correspondientes a esa temporada.

Inicialmente, es importante reunir las historias diarias de viento en el lugar para cada una de las temporadas o períodos escogidos. El método implica preferiblemente trazar una curva diaria de suministro, en que la curva muestre preferiblemente el promedio de las velocidades más bajas del viento que se produzcan a intervalos de 0.05 horas (tres minutos) durante el día. Para cada día, habrá preferiblemente un gráfico de 24 horas de las historias de las velocidades mínimas medias del viento. Preferentemente luego se aplica una distribución estadística de la función de Weibull a fin de equilibrar las ocurrencias de la velocidad del viento, según se ha expuesto. Esto aumenta la velocidad mínima del viento en cualquier momento dado del día para satisfacer la función de Weibull, y dará como resultado la historia del viento promediada disponible "estándar" para el período elegido. La información preferentemente se traza en un histograma diario de viento semejante a los mostrados en las Figuras 7 y 8. La información obtenida de las historias del viento luego se convierte en energía eólica multiplicando los datos de la velocidad del viento con la fórmula aplicable a energía eólica, con lo cual la energía eólica entonces se puede trazar en una curva durante un período de 24 horas para cada día.

A continuación, preferentemente se trazan las historias de demanda diaria de energía de los usuarios para el lugar a servir. El trazado de las historias de la demanda preferentemente considera la información necesaria para trazar una curva de demanda diaria, que preferentemente muestra la demanda pico media de energía a intervalos de 0,05 horas (tres minutos) para cada día. Para cada temporada o período, se crea la curva de historia de demanda diaria media que preferentemente sigue la cantidad de energía en kilovatios que necesitaría el área de servicio durante ese día. El ejemplo de la Figura 9 ilustra que durante el mediodía del día medio, hay una demanda pico de aproximadamente 2.640 kilovatios de energía. La cantidad total de energía necesaria durante el día entonces se puede determinar usando la curva de la historia de la demanda de energía extendida durante un período de 24 horas, por ejemplo, la integral de la historia de energía durante el período completo de 24 horas es, en este ejemplo, de aproximadamente 33.000 kW-Hora.

A continuación, preferentemente se estima el volumen del tanque de almacenaje, antes de realizar una determinación final posterior, a fin de tener una base para hacer ciertos supuestos. Un método que ha resultado de utilidad para estimar el tamaño del tanque es suponer que el volumen necesario corresponde a aproximadamente el 10 por ciento de la demanda de energía diaria total para el lugar. Esto se puede determinar para la temporada o el período de mayor demanda o para la temporada de mayor discordancia basándose en las curvas anteriormente establecidas. En el ejemplo anterior, si la demanda de energía diaria total durante la temporada o período de mayor demanda es de 33.000 kW-Hora para un día dado, el volumen esperado del tanque de almacenaje necesario se basaría en el 10% de esa cantidad, lo cual es igual a aproximadamente 3.300 kW Hora. Usando esta cantidad, y una presión preferida en el tanque de 4,14 MPa (600 psig), se puede estimar para fines del diseño inicial, el tanque debe tener más de aproximadamente 2.547 metros cúbicos (90.000 pies cúbicos) de espacio, lo cual, en el ejemplo, puede ser provisto a través de múltiples tanques de 3 m (10 pies) de diámetro.

También, el método procura preferiblemente escoger la turbina de viento más eficiente que se debe usar. Esto preferiblemente se logra tomando en consideración las especificaciones del fabricante con respecto a velocidades del viento, de encendido, constantes, y de corte, según se ha expuesto, así como también la capacidad de salida de energía total de la turbina de viento, y compararlas con las historias de disponibilidad del viento. A este respecto, un factor que preferentemente se considera es cuán cercana está la turbina de cumplir con las historias de disponibilidad de viento para el lugar en cuestión, es decir, la manera en que concuerdan las velocidades medias del viento con los márgenes de velocidad funcional de la turbina en cuestión.

Por ejemplo, si la velocidad media del viento es constantemente por encima de 11 m (35 pies) por segundo, no sería eficiente escoger una turbina de viento que funcione más eficientemente a una velocidad del viento inferior a 11 m (35 pies) por segundo, y que poseyera una salida de potencia constante que oscilara entre 11 m y 23 m por segundo (35 y 75 pies por segundo). Tal turbina no produciría un aumento proporcional de la energía cuando la velocidad del viento excediera de 11 m (35 pies) por segundo. Igualmente, si la velocidad del viento es constantemente inferior a 6,1 m (20 pies) por segundo, no sería inteligente pagar más dinero por instalar una turbina de viento capaz de generar energía con mayor eficacia a velocidades de viento que excedieran de 15 m (50 pies) por segundo.

Para escoger la turbina de viento correcta, el método contempla que se deben comparar los tipos diferentes de turbinas de viento y sus especificaciones de rendimiento, y luego debe hacerse una determinación basándose en las historias de viento a estudiar para ese lugar particular. Si bien el presente método no excluye la posibilidad de instalar tipos diferentes de turbinas de viento en una sola aplicación para temporadas diferentes (de manera que un tipo de turbina de viento se pueda hacer funcionar durante una temporada y otro tipo pueda ser operado durante otra temporada), con el objeto de mostrar cómo se coordina e instala preferentemente el sistema, se supondrá que sólo un tipo de turbina de viento se instalará para todo el sistema.

Luego, el método contempla que se comparen las historias de demanda de energía y de disponibilidad de potencia de viento diarias para cada estación o período y que se analice para determinar la cantidad de energía necesaria y cuántos molinos de viento de cada tipo se tendrían que instalar para satisfacer los peores escenarios durante cualquier momento dado. Como punto de partida, es importante hacer notar que en el ejemplo anterior la peor desigualdad entre la oferta y la demanda de energía se produce durante la temporada de mucho viento, y no durante la temporada menos ventosa. Por otro lado, el mejor escenario desde el punto de vista de una desigualdad es la temporada menos ventosa, en otras palabras, los perfiles de onda de las curvas de oferta y demanda son más concordantes. Por consiguiente, al desarrollar el sistema, la mayor atención puede ponerse en la estación más discordante, dado que el peor escenario probablemente controle el diseño del sistema completo. Aunque deben considerarse otras estaciones o períodos, el análisis preferentemente se concentra inicialmente en la estación o período más desfavorable, antes de analizar las otras estaciones o períodos.

La tarea inicial consiste en determinar el área de intersección de todos los molinos de viento a instalar, basándose en la disponibilidad de energía eólica y las curvas de demanda de energía, de modo que puede determinarse el número total de molinos de viento quesea necesario instalar. Luego, se puede determinar también cuántas estaciones de uso inmediato y cuántas estaciones de almacenamiento de energía se deben instalar, en otras palabras, una proporción, basada en los mismos criterios.

El área de intersección total que se puede usar para determinar cuántos molinos de viento tienen que instalarse, es decir, basándose en el área de superficie de las aspas de los molinos de viento, puede ser estimada generalmente en base a la fórmula siguiente: Area = X * P/(C*0,5* Rho* U^{3}), donde X es un factor que tiene en cuenta las discordancias de los perfiles de onda en un día dado y ayuda a determinar el número óptimo de molinos de viento a instalar, P es la demanda de potencia pico para el período en cuestión, C es 0,5 (para una turbina de viento de 600 kW), "Rho" es 1218 kg/m^{3} (0,076 lbs-mass/pies cúbicos), y U es 15 m/segundo (50 pies/segundo). La fórmula asume también que 1 pie cuadrado = 144 pulgadas cuadradas, 1 hp = 550 pies-lbs/segundo, 1 kW = 0,746 hp, y 1 hora = 3.600 segundos.

En el ejemplo anterior referido a un día durante la temporada de mucho viento, el valor inicial para el factor X se estimará inicialmente en 3,0. La selección del factor X inicial es al principio subjetiva, dado que una estimación inicial debe hacerse basándose en lo concordantes o discordantes que parecen ser las curvas de oferta y demanda, así como de cuánto viento podría disponerse en ese lugar, antes de poder hacer mayores precisiones del área de intersección real usando un proceso iterativo. Esta estimación se puede basar en lo siguiente:

Si hay una concordancia casi perfecta entre las curvas de oferta y demanda del peor escenario, el factor X inicial debe oscilar aproximadamente entre 1,0 y 2,0. El hecho que el factor esté más cerca de 1,0 o más cerca de 2,0 puede depender del hecho de que las curvas concuerden perfectamente, o casi perfectamente. Puede depender también del viento que se encuentre verdaderamente disponible en ese lugar. Es decir, aunque las curvas concuerden bien, si las velocidades del viento son continuamente bajas, el número de molinos de viento a instalar quizás se tenga que aumentar para generar suficiente energía eólica para satisfacer la demanda, con lo cual es probable que deba usarse un factor X más alto, es decir, más cerca de 2,0, para calcular el área de intersección. La elección de un factor más cerca de 1,0 esencialmente significa que se cree que, basándose en las curvas de oferta y demanda, el diseño puede ser seleccionado usando unas pocas estaciones de almacenamiento, si las hubiera, dado que la mayor parte, si no toda, la potencia necesaria podría ser generada por las estaciones de uso inmediato. Dado que las estaciones de uso inmediato son menos costosas de instalar y más eficientes energéticamente que las estaciones de almacenamiento de energía, sería muy rentable hacer esto. No obstante, un análisis tendría que tener en cuenta todavía todos los días de cada temporada o período, y los peores escenarios diarios y promedios para esas temporadas o períodos, antes de poder desarrollar una solución final.

Si la desigualdad entre las curvas de oferta y demanda del peor escenario es moderada, el factor X inicial debe ser de entre aproximadamente 2,0 y 3,0. Otra vez, el hecho que la cantidad esté más cerca de 2,0 o 3,0 puede depender de varios factores, incluyendo cuánto viento está verdaderamente disponible. Por otro lado, si la desigualdad es severa, el factor X inicial debe ser de aproximadamente 4,0. Si la desigualdad es aún más severa, el factor X inicial podría ascender a aproximadamente 6,0, aunque en este punto, es probable que el factor X sea demasiado alto para un sistema diseñado de una manera eficiente y rentable. Por consiguiente, se recomienda que el factor X inicial no supere aproximadamente 4,0, aunque la desigualdad sea severa, de manera que puedan emplearse medios más exactos de diseño del sistema para realizar los ajustes necesarios.

Un factor adicional que debe ser tenido en cuenta en este punto es la contribución de energía que puede hacer la energía solar, así como también las otras fuentes de calor. Según se ha mencionado, uno de los sistemas de calentamiento usados para aumentar la cantidad de energía suministrada desde el almacenamiento implica la recogida de energía solar, en otras palabras, calentar el aire comprimido que hay en los tanques de almacenamiento. Por consiguiente, basándose en un estudio separado de la disponibilidad de energía solar durante un día medio en esa temporada o período, otro factor que puede ser tenido en cuenta es la contribución que puede hacer la energía solar al rendimiento y disponibilidad completa de la energía procedente de almacenamiento.

Por ejemplo, si el gráfico de historia solar que sigue la disponibilidad de sol indica que durante la temporada de mucho viento hay energía solar suficiente y fácilmente disponible durante el mediodía para reforzar la salida de energía desde el tanque de almacenaje, puede reducirse apropiadamente el factor X que ha de ser aplicado. Es decir, aunque las curvas de oferta y demanda de energía no estén bien correlacionadas durante ese tiempo, si hay energía solar suficiente disponible durante el mismo período, en otras palabras, cuando el viento puede estar menos disponible, o por lo menos cuando la diferencia entre la oferta y la demanda pueda alcanzar niveles máximos, la comparación debe tener en cuenta esto.

Basándose en estos factores adicionales, la selección de 3,0 como el factor X inicial tiene en cuenta la existencia de energía solar suficiente durante el mediodía para compensar la mayor desigualdad que ocurre en ese momento. Es decir, considerando que el peor escenario en este ejemplo es la estación ventosa, y las curvas de disponibilidad de viento y demanda de energía muestran la mayor desigualdad durante el mediodía, quizás se piense al principio que el factor X inicial debe ser más cercano a 4.0, pero dado que el suministro de energía solar máximo probablemente también se logre en horas del mediodía, puede efectuarse una determinación subjetiva de manea que se reduzca el factor X a aproximadamente 3,0. Es decir, basándose en las razones anteriores, es probable que el factor de 4,0 para un lugar poco correlacionado pueda reducirse aproximadamente a 3,0, ya que durante el peor escenario de disponibilidad de viento, probablemente se alcance la mejor situación posible en cuanto a la disponibilidad de energía solar.

Basándose en la fórmula anterior, y en un factor X inicial de 3,0, con la demanda de energía pico (P) durante el período en cuestión de 2.640 kW, el área total de intersección necesaria para el sistema (área) se puede estimar inicialmente en alrededor de 4.754,7 metros cuadrados (52.830 pies cuadrados). Usando este número, y las especificaciones de fabricación para las turbinas de viento que hayan de ser instaladas, se pueden estimar cuántos molinos de viento en total se pueden necesitar para suministrar energía continua e ininterrumpidamente, incluso durante los días y temporadas más desfavorables. Es decir, una vez que se determina el área total de intersección para indicar la potencia energía eólica total que es necesario generar para satisfacer la demanda, la cantidad total puede ser dividida por la capacidad por unidad de cada turbina de viento seleccionada a fin de establecer el número aproximado de turbinas de viento que se debe instalar para todo el sistema. Por ejemplo, si se supone que cada turbina de viento posee un poco más de 45 metros cuadrados (500 pies cuadrados) de área de intersección, el diseño del sistema podría comenzar con el supuesto de que aproximadamente un total de 100 turbinas de viento será necesario para suministrar la energía eólica necesaria para el sistema entero.

Una vez que se estima el número total de estaciones de molino de viento que ha de instalarse, el próximo paso es determinar cuántas deben ser estaciones de uso inmediato y cuántas estaciones de almacenamiento de energía. A este respecto, el método tiene en cuenta preferiblemente que la energía extraída del almacenamiento de energía típicamente es 40% menos eficiente que la energía generada para uso inmediato. Por consiguiente, la determinación de cualquier proporción entre la energía para uso inmediato y la energía para almacenamiento debe tener en cuenta el hecho de que la energía derivada del almacenamiento es mucho menos eficiente cuando se la compara con la energía generada para uso inmediato.

A este respecto, la presente invención hace preferiblemente otro supuesto basado en el hecho de que las estaciones de almacenamiento de energía están siendo menos eficientes que las estaciones de uso inmediato en cuanto a la generación de electricidad. Es decir, la presente invención contempla que en la mayoría de los casos es deseable tener más estaciones de uso inmediato que de almacenamiento de energía, de modo que haya una mayor dependencia de las estaciones de uso inmediato que de las estaciones de almacenamiento de energía. En el ejemplo anterior, la relación que ha de utilizarse es que el 65% de las estaciones disponible debe estar dedicado a la energía para uso inmediato, y que alrededor del 35% debe estar destinado a energía para almacenamiento. El hecho de reducir proporcionalmente el número de estaciones de almacenamiento de energía permite que la conversión de la fuerza del viento sea más eficiente. No obstante, la presente invención contempla también que puedan usarse porcentajes distintos del 65% para uso inmediato y del 35% para almacenamiento de energía, dependiendo de las historias de demanda y necesidades del sistema.

En el ejemplo anterior, basándose en una relación del 65% para uso inmediato y 35% para almacenamiento de energía, y una necesidad estimada de 100 estaciones de molino de viento en total, la estimación inicial para el número de estaciones de molino de viento de cada tipo sería 65 estaciones para uso inmediato y 35 estaciones para almacenamiento de energía.

Dado que el factor X es sólo estimado inicialmente, sin embargo, esto sólo inicia el proceso iterativo. El proceso iterativo tiene en cuenta preferiblemente los datos de todos los días de cada temporada o período, y, si fuera necesario, utilizaría esos datos para hacer ajustes del factor X, así como también de otros factores. Los ajustes se basan preferiblemente en la estimación inicial del número total de molinos de viento a instalar y si eso en realidad satisface o no las demandas de energía para el lugar durante los días, las temporadas o los períodos más desfavorables. Si la estimación satisface verdaderamente los peores escenarios, es probable que el factor X no deba ser ajustado y que el número total de molinos de viento a instalar permanezca igual. Si, por otro lado, los cálculos muestran que la determinación inicial del número total de molinos de viento no satisface las necesidades de los días, las temporadas y los períodos más desfavorables, puede ajustarse el factor X, hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de varios factores de eficiencia, según se expone a continuación.

Para hacer los ajustes apropiados al factor X, y para determinar el número óptimo de estaciones de molino de viento a instalar, de modo que el sistema opere eficientemente durante toda la temporada, preferentemente se consideran los factores siguientes:

Además de una estimación inicial del número total de estaciones de molino de viento a instalar, debe calcularse un punto de partida inicial para determinar la relación óptima entre el número de estaciones de uso inmediato a instalar y el número de estaciones de almacenamiento de energía a instalar. A este respecto, la relación inicial sobre la cual el proceso iterativo debe comenzar, en la realización preferida, es del 65% de estaciones de uso inmediato y del 35% de estaciones de almacenamiento de energía, lo cual, según se ha expuesto, significa que de la determinación inicial en el sentido que se necesitarán 100 molinos de viento en total, 65 serán estaciones de uso inmediato y 35 estaciones de almacenamiento de energía.

Basándose en las estimaciones iniciales acerca del número total de molinos de viento para cada tipo, entonces será necesario continuar el proceso iterativo usando esos números a fin de estimar el suministro total de energía que puede ser generado por tal sistema, y comparar esa cantidad con las historias de demanda de energía para cada día. Es decir, basándose en el hecho de tener aproximadamente 65 estaciones de uso inmediato y 35 estaciones de almacenamiento de energía, y sabiendo cuánta energía puede ser suministrada por cada molino de viento, puede estimarse entonces la cantidad total de energía eólico que puede estar disponible en cualquier momento dado, basándose en las condiciones actuales de disponibilidad de viento. Es decir, es posible generar curvas semejantes a las ilustradas en las Figuras 7 y 8, que siguen las historias de disponibilidad de viento para cualquier día dado, a fin de mostrar cuánto viento estaría disponible procedente de tal sistema en cualquier momento del día. A su vez, esta información se puede usar para determinar cuánta energía eléctrica puede ser generada por tal sistema, incluso cuánta puede ser generada por las estaciones de uso inmediato, y cuánta puede ser generada por las estaciones de almacenamiento de energía, en cualquier momento dado. Entonces pueden prepararse curvas que muestren cuánta energía eléctrica está disponible en cualquier momento dado, en cualquier día dado.

A continuación, las curvas que muestran cuánta energía eléctrica real puede ser generada por el diseño inicial del sistema en cualquier momento dado entonces pueden ser comparadas y analizadas con las historias de demanda para los mismos días. Hacer esto, en conexión con el conocimiento de la relación entre estaciones de uso inmediato y de almacenamiento de energía, puede ayudar a determinar cuánta de la energía total será dedicada a uso inmediato y cuánta será dedicada a almacenamiento, así como cuánta energía en almacenamiento tendrá que ser usada para compensar cualquier deficiencia en el suministro de uso inmediato. Es decir, para cualquier intervalo de tiempo dado, que en la realización preferida es cada tres minutos, se puede determinar si y en qué medida la fuerza eléctrica generada por las estaciones de uso inmediato es suficiente para satisfacer las demandas de energía sobre el sistema, y de no ser así, cuánta energía procedente de almacenamiento sería necesario suministrar para compensar la deficiencia de energía de las estaciones de uso inmediato. Esto puede ayudar a determinar y trazar una curva que muestre el valor delta de cuánta energía se agrega a almacenamiento en cualquier momento dado, menos cuánta energía se resta por el uso, sobre y más allá de la suministrada por las estaciones de uso inmediato.

Tal curva hipotética, que muestra efectivamente la cantidad de energía de reserva almacenada en el tanque de almacenaje, se muestra en la Figura 12. Esta curva particular representa la cantidad de energía disponible en almacenamiento en cualquier momento dado del día, basándose en un factor X inicial de aproximadamente 3,0. En este caso particular, se puede ver que el diseño parece ser relativamente cercano a lo que un diseño óptimo podría abarcar, pero está algo defectuosamente diseñado, dado que la curva cae por debajo de cero aproximadamente a las 1500 horas. Es decir, se puede ver que durante este día particular, la curva permanece positiva hasta aproximadamente las 1500 horas, cuando se agota el suministro de aire comprimido en el tanque hipotético. Aunque la cantidad se recupera rápidamente, en otras palabras, aproximadamente a las 1800 horas, habrá un período de cerca de tres horas en que la energía no estará disponible.

La Figura 13, por otro lado, muestra cómo la curva de la Figura 12 se puede ajustar hacia arriba en aproximadamente el 10 por ciento, en otras palabras, multiplicando el factor X por 1,1, para un factor X total de aproximadamente 3,3. Se puede ver en esta figura que la curva nunca desciende por debajo de cero, indicando que la cantidad de la energía en almacenamiento no se acaba. Muestra también que la curva cayó cerca de cero, indicando que el sistema fue eficiente dado que prácticamente todo el aire comprimido que hay en el tanque fue usado en un intervalo de tiempo corto. También, otros ajustes, tal como aumentar el tamaño de los tanques de almacenaje, y otros a describir, pueden prevenir que la curva del gráfico se torne negativa durante ese período.

Otro factor que hace a esta curva relativamente próxima a lo que se desearía es el hecho que la cantidad de energía en almacenamiento al principio y al final de este período de 24 horas es substancialmente la misma. Es decir, a las 0 horas, la cantidad total de la energía en almacenamiento es de aproximadamente 2.200 kW Hora, y a las 2400 horas, que es el final del mismo día, después que se agrega y resta energía de almacenamiento, la cantidad total de energía en almacenamiento es cercana a los 2.200 kW Hora. Esto significa que si curvas de oferta y demanda diarias iguales o semejantes se dieran repetidamente durante la estación o período, podría esperarse que el valor delta entre la energía de entrada y la energía de salida pudiera ser sustancialmente el mismo durante la mayor parte de dicha estación o período.

La información anterior muestra que un buen diseño para la temporada de mucho viento podría basarse en un factor X de aproximadamente 3,3 o en un 10 por ciento más de área de intersección que la originalmente estimada, tal como lo ilustra la Figura 13. Por consiguiente, dado que el número total estimado de molinos de viento a instalar era de 100, con 65 estaciones de uso inmediato y 35 estaciones de almacenamiento de energía, se puede ver que un mejor diseño para esta aplicación, basado en los ajustes ya mencionados, podría ser un total de 110 molinos de viento, incluyendo 71 estaciones de uso inmediato y 39 estaciones de almacenamiento de energía.

Las Figuras 14 y 15 muestran la curva a medida que el factor X se ajusta aún más alto. La Figura 14 muestra el factor X aumentado en un 20% hasta aproximadamente 3,6, y la Figura 15 muestra que el factor X aumentó un 30% hasta aproximadamente 3,9. Estos ejemplos muestran que un aumento en el factor X, que significa un aumento en el área de intersección, y por lo tanto, un aumento en el número total de molinos de viento instalados, haría subir la curva hasta el punto en que la cantidad total de la energía en el tanque de almacenaje fuera cada vez mayor con el paso del día. Puede verse a partir de este día particular que el valor delta de la energía excede la salida energía, y que por lo tanto, estos diseños serían ineficaces para ese período, ya que si se mantuvieran las mismas condiciones en el tiempo, la cantidad de energía en el tanque aumentaría constantemente y por lo tanto se la tendría que dar salida al exterior.

Otros medios de ajuste del sistema para impedir que la curva se torne negativa también caen dentro del alcance de la presente invención. Por ejemplo, puede aumentarse la capacidad del quemador de propano que suministra energía de bajo nivel suplementaria durante todo el período de 24 horas para poder suministrar mayores cantidades de energía suplementaria en cualquier momento dado.

Las otras fuentes del calor se pueden hacer también más potentes o eficientes para permitir refuerzos adicionales de potencia en forma de más energía calórica adicional almacenada en el tanque. A este respecto, otra consideración que debe ser tenida en cuenta se relaciona con las contribuciones relativas que pueden ser hechas por los sistemas de calentamiento que está previsto utilizar. Es decir, no sólo debe considerarse el colector solar, sino también el impacto de los otros mecanismos de calentamiento, inclusive el uso del calor residual del compresor, y la energía proporcionada por un calentador separado, tal como el quemador de combustible fósil.

En las Figuras 16 y 17, que se aplican a la temporada de mucho viento, se ilustran ejemplos hipotéticos de cantidad de energía que quizás esté disponible en reserva dentro del tanque de almacenaje. Se compara un sistema que tiene calentadores solares versus otro sistema que no los posee (ambos tienen calentadores auxiliares).

En la Figura 16, por ejemplo, la curva muestra la disponibilidad de energía en el tanque de almacenaje cuando se usa un tanque apropiadamente dimensionado, junto con un calentador solar y un quemador auxiliar de combustible de fósil. La curva muestra en general que el suministro de energía en el tanque nunca se agota en el transcurso de un día medio. También muestra específicamente lo siguiente: desde la medianoche hasta aproximadamente las 2:00 de la mañana, la energía se gasta lentamente (tal como lo muestra la curva descendente); desde aproximadamente las 2:00 de la mañana hasta aproximadamente las 7:30 de la mañana, se suministra energía al tanque (conforme lo muestra la curva ascendente); desde aproximadamente las 4:00 de la mañana hasta aproximadamente las 12:00 de la mañana, la energía generada para almacenamiento excede la capacidad máxima del tanque (tal como lo ilustra la curva recta), en que deberá darse salida al exterior el exceso de energía; desde aproximadamente las 12:00 de la mañana hasta aproximadamente las 4:00 de la tarde, la energía usada excede sustancialmente el suministro (tal como lo ilustra la curva descendente pronunciada); desde aproximadamente las 4:00 de la tarde hasta aproximadamente las 6:00 de la tarde, el nivel almacenado de energía fluctúa entre la energía que se está gastando y la que se está suministrando; desde aproximadamente las 6:00 de la tarde hasta las 9:00 de la noche, la energía es devuelta al tanque (tal como lo ilustra la curva ascendente pronunciada); y desde aproximadamente las 9:00 de la noche hasta la medianoche, la energía se gasta lentamente.

En comparación con la Figura 16, la Figura 17 ilustra la disponibilidad de energía en el tanque de almacenaje cuando no se emplea un calentador solar, pero se utiliza un calentador de combustible fósil auxiliar. La curva muestra que hay un agotamiento significativo de la energía en el tanque de almacenaje hacia el final de la tarde y horas nocturnas que haría que el sistema fallase, es decir, que no pudiera proveer energía en forma continua. Es decir, la energía almacenada en el tanque se acabaría, en otras palabras, la demanda de energía excedería la energía disponible procedente de las estaciones de uso inmediato y del tanque de almacenaje. En particular, la curva muestra que tendría que usarse una cantidad significativa de energía suplementaria provista por una fuente de energía separada, tal como un calentador de propano, para compensar la pérdida de energía almacenada. También podría utilizarse el sistema generador eléctrico auxiliar. Esto indica la necesidad de contar con una combinación de calentador solar y quemador auxiliar de combustible fósil para proporcionar el calor necesario al tanque a fin de permitir que el sistema funcione de manera continua, y/o la necesidad de contar con un sistema generador eléctrico auxiliar.

Por tanto, este análisis ha tenido en cuenta un solo día que podría ser considerado uno de los días más desfavorables, es decir durante la estación más desfavorable. El proceso iterativo, sin embargo, no está completo hasta que el mismo análisis anteriormente expuesto se repita para cada día de cada temporada o el período. Es decir, dado que las historias de disponibilidad de viento y de demanda de energía tenderán a ser diferentes en momentos diferentes del año, así como también de un día a otro día, será necesario repetir el método precedente a fin de lograr una aproximación a un diseño en que la curva de suministro de energía para el tanque de almacenaje nunca descienda por debajo de cero en cualquier día en el transcurso de un año entero. Es decir, aunque los cálculos son inicialmente efectuados en los días más desfavorables, es generalmente necesario efectuar el mismo análisis cada día del año, para que el efecto colectivo de las curvas de oferta y demanda que se repiten día tras día pueda ser observado y tomado en consideración.

A este respecto, se puede ver que en cualquier análisis, el grado de variación de las curvas de oferta y demanda puede depender de la cantidad de energía que se agregue y extraiga del almacenamiento con el tiempo. Es decir, según se ha expuesto, dado que las curvas de oferta y demanda en realidad muestran eventos que se extienden a lo largo de un continuo que nunca acaba, es necesario considerar el efecto acumulativo de las curvas diarias de oferta y demanda, añadiéndose y substrayéndose energía que se agrega en el transcurso de todo el año, a fin de determinar si deben realizarse ajustes adicionales para garantizar que la energía en almacenamiento nunca se acabe. Esto puede incluir, por ejemplo, hacer los ajustes adicionales al factor X y al área de intersección del viento (el número total de molinos de viento a instalar), el tamaño del tanque de almacenaje, el tamaño de los colectores solares, la relación entre estaciones de uso inmediato y estaciones de almacenamiento de energía, el tamaño del quemador de propano, el tamaño del calentador de combustible fósil, la capacidad y las especificaciones de las turbinas de viento, etc.

Los ajustes que se tienen que hacer deben tener en cuenta también los cambios que pueden ser necesarios desde el punto de vista del aumento y la disminución de la cantidad de energía que se está suministrando para almacenamiento por el sistema. Es decir, habiendo probabilidad de fluctuaciones en las curvas de oferta y demanda entre un día y otro, durante momentos distintos del año, es posible que se necesite almacenar más energía durante un período, mientras que en otro período será posible generar mucha energía en almacenamiento, lo cual implicaría una reducción en la cantidad de energía que se está suministrando para almacenamiento. La presente invención preferentemente tiene en cuenta los ajustes para cualquier condición.

Esta información puede ser también útil a fin de hacer ajustes adicionales al sistema para justificar las ineficacias que puedan resultar del diseño de un sistema para el peor escenario. Es decir, diseñando para el peor escenario, el sistema puede acabar por estar significativamente sobre-diseñado durante el resto del año, que incluye las estaciones o períodos más favorables, los cuales pueden producirse durante períodos de tiempo proporcionalmente mayores del año que las estaciones o períodos más desfavorables. Si, durante las otras temporadas o períodos más concordantes, se usa el mismo sistema que se ha diseñado para el peor escenario, probablemente quede energía producida sin usar, y en consecuencia se la deberá dar salida al exterior o almacenar en baterías.

Por ejemplo, cuando el suministro de energía procedente de uso inmediato exceda la demanda de energía, la energía será desperdiciada. Esto puede hacer ventajoso en algunas situaciones instalar baterías, o permitir que un número apropiado de estaciones de molino de viento sea desactivado durante esos períodos. Igualmente, cuando la energía generada por las estaciones de almacenamiento de energía exceda la capacidad máxima de almacenamiento del tanque, se tendrían que usar medios de descarga para liberar el exceso de aire del tanque. Alternativamente, un número apropiado de estaciones de almacenamiento de energía podría ser desactivado durante esos momentos.

A causa de estas ineficacias, la presente invención preferentemente se diseña para incorporar un cierto número de estaciones híbridas que se pueden usar para ajustar además la relación entre estaciones de uso inmediato y estaciones de almacenamiento de energía, según se expone a continuación.

F. Coordinación del Uso de Estaciones Híbridas

La presente invención contempla usar un número predeterminado de estaciones híbridas al efecto de posibilitar un diseño y uso más eficaz del sistema. Según se ha expuesto, las estaciones híbridas son capaces de alternar entre energía generada para uso inmediato y energía generada para almacenamiento, y repartirlas en forma simultánea. Las estaciones híbridas son útiles porque pueden ser usadas para compensar las condiciones extremas, en otras palabras, las condiciones más desfavorables que pueden ocurrir sólo durante unos pocos meses del año, sobre las cuales el sistema completo debe ser pensado. Durante el resto del año, las curvas de disponibilidad del viento y de demanda de energía pueden seguir un patrón mucho más correlacionado, en cuyo caso es posible que todo el sistema tenga que ser ajustado a tales momentos, al efecto de operar de una manera más rentable y eficaz desde el punto de vista energético durante todo el año.

En el ejemplo anterior, basado en las curvas de suministro de viento y de demanda de energía durante la estación ventosa, se determinó que era apropiado instalar 71 estaciones de uso inmediato y 39 estaciones de almacenamiento de energía. Por otro lado, durante la temporada menos ventosa, en que las curvas están bien correlacionadas, los cálculos siguientes se pueden haber hecho: Basándose en las curvas de oferta y demanda bien correlacionadas, el método precedente puede haber determinado que el factor X inicial podría haber sido de aproximadamente 2,2. Por consiguiente, si se supone que la demanda de energía es la misma durante la temporada menos ventosa, siendo la demanda de energía pico de alrededor de 2.640 kW, el número estimado total de molinos de viento que necesitarían estar disponibles durante la temporada menos ventosa podría ser de un tercio del número necesario durante la temporada ventosa, es decir, un total de aproximadamente 73 molinos de viento, con 48 estaciones de uso inmediato y 25 estaciones de almacenamiento de energía.

Claramente, durante la temporada menos ventosa, no todas las estaciones de molino de viento tendrían que estar operativas para satisfacer las demandas de energía. De hecho, si hay suficientes estaciones de uso inmediato instaladas, puede haber poca o ninguna necesidad de que funcionen cualesquiera estaciones de almacenamiento de energía durante la temporada menos ventosa. Es decir, si el número de estaciones de uso inmediato basado en la temporada más desfavorable es de 71 estaciones de uso inmediato, esas mismas 71 estaciones de uso inmediato pueden proporcionar suficiente energía de manera continua e ininterrumpida durante la temporada menos ventosa con lo cual se necesitaría poca o ninguna energía de almacenamiento. Dado que las estaciones de uso inmediato son más eficientes, esta puede ser la disposición más conveniente durante la temporada menos ventosa.

Además, aunque las 71 estaciones de uso inmediato no sean suficientes para suministrar la energía necesaria al área sin estaciones de almacenamiento de energía, algunas de las estaciones de almacenamiento de energía se podrían instalar inicialmente como estaciones híbridas para que durante la temporada menos ventosa esas estaciones híbridas puedan ser convertidas en estaciones de uso inmediato a fin de proporcionar la energía necesaria. Por ejemplo, si, basándose en cómo están correlacionadas las curvas de oferta y demanda, y en cuánta demanda hay durante la estación menos ventosa, se determina que 77 estaciones de uso inmediato podrían proporcionar la fuerza eléctrico necesaria de una manera continua e ininterrumpida, el sistema se podría diseñar inicialmente con 71 estaciones de uso inmediato, 33 estaciones de almacenamiento de energía, y 6 estaciones híbridas, haciendo un total de 110 estaciones. De este modo, durante la temporada de mucho viento, las estaciones híbridas se pueden hacer funcionar como estaciones de almacenamiento de energía para lograr la relación de 71 estaciones de uso inmediato y 39 estaciones de almacenamiento de energía, según se ha determinado, mientras que durante la temporada menos ventosa, las estaciones híbridas se pueden hacer funcionar como estaciones de uso inmediato para lograr la relación de 77 estaciones de uso inmediato y 33 estaciones de almacenamiento de energía. En tal caso, la mayoría de las estaciones de almacenamiento de energía, si no todas, puede que no tenga que funcionar para nada durante la temporada menos ventosa, en otras palabras, ellas podrían ser apagadas, ya que la mayoría, si no toda la energía, podría ser proporcionada por las estaciones de uso inmediato. Algunas estaciones de almacenamiento de energía, no obstante, deben permanecer operativas para circunstancias donde quizás haya una depresión imprevisible en el suministro de viento o picos de demanda.

A este respecto, otra situación en que las estaciones híbridas se pueden usar se da cuando después de las iteraciones anteriores, se determina que la relación óptima entre estaciones de uso inmediato y de almacenamiento de energía difiere de una temporada a la próxima. Otra vez, dado que las estaciones de uso inmediato son menos costosas de instalar y más eficientes desde el punto de vista de los costos para funcionar, es posible, en situaciones en que las curvas de oferta y demanda estén bien correlacionadas, confiar un porcentaje del suministro de energía total mayor a las estaciones de uso inmediato que a las estaciones de almacenamiento de energía.

Supóngase, por ejemplo, una situación en que se determina que la relación óptima para una temporada es cincuenta-cincuenta entre uso inmediato y almacenamiento de energía, en otras palabras, 50 estaciones de uso inmediato y 50 estaciones de almacenamiento de energía, mientras que durante otra temporada, la relación óptima quizás sea del 30% de uso inmediato y del 70% de almacenamiento de energía, en otras palabras, 30 estaciones de uso inmediato y 70 estaciones de almacenamiento de energía. En tal caso, sin estaciones híbridas, el sistema probablemente deba estar sobre-diseñado basándose en el peor escenario, es decir, el sistema se tendría que diseñar probablemente con 120 estaciones de molino de viento, incluyendo 50 estaciones de uso inmediato (para cubrir la relación cincuenta-cincuenta durante la estación estival), y 70 estaciones de almacenamiento de energía (para cubrir la relación de treinta-setenta durante la estación invernal). Esto significa que para diseñar el sistema para esta aplicación, quizá deban instalarse 120 estaciones de molino de viento, aunque sólo se necesiten 100 estaciones o menos en cualquier momento dado.

Por otro lado, usando varias estaciones híbridas, puede reducirse al mínimo el número total de estaciones que se tendrían que instalar. En el ejemplo anterior, el sistema se puede diseñar con un total de 100 estaciones de molino de viento, y no de 120, en otras palabras, instalando 30 estaciones de uso inmediato, 50 estaciones de almacenamiento de energía, y 20 estaciones híbridas. De esta manera, durante cualquier temporada dada, el número total de estaciones instalado no excederá el número total de estaciones que deban estar operativas en cualquier momento dado.

Por ejemplo, para suministrar energía durante la temporada de verano, las 20 estaciones híbridas pueden ser convertidas en estaciones de uso inmediato, para que efectivamente haya 50 estaciones de uso inmediato, incluyendo 30 estaciones de uso inmediato propiamente dichas y 20 estaciones híbridas (pasadas a uso inmediato), y 50 estaciones de almacenamiento de energía. Igualmente, durante la temporada de invierno, las 20 estaciones híbridas pueden ser convertidas en estaciones de almacenamiento de energía, para que efectivamente haya 70 estaciones de almacenamiento de energía, incluyendo 50 estaciones de almacenamiento de energía propiamente dichas y 20 estaciones híbridas (pasadas a almacenamiento de la energía), y 30 estaciones de uso inmediato. El uso de las estaciones híbridas de esta manera permite que el sistema sea diseñado y usado de un modo más eficiente.

En cualquier caso, la presente invención contempla que el sistema pueda estar configurado para maximizar la cantidad de la energía que puede obtenerse de la energía eólica, teniendo en cuenta cuándo y cuánto viento puede estar disponible en cualquier momento dado, y cuándo y cuánta energía se demande en cualquier momento dado, para que el sistema pueda coordinarse y ser hecho funcionar de una manera eficiente y confiable al efecto de proveer de energía eléctrica en forma continua e ininterrumpida a lugares alejados de la red eléctrica. Si bien a menudo es difícil predecir cuándo y cuánto viento soplará, y la extensión de los períodos de demanda, la presente invención procura usar datos seguros como medio para calcular ciertos promedios, en otras palabras, relacionados con el suministro de viento y la demanda de energía, y usar esos promedios como medio para crear un sistema óptimo.

Claims

1. Un sistema de generación y almacenamiento de energía eólica, que comprende una pluralidad de estaciones de molino de viento localizadas en un área predeterminada, en que dicha pluralidad de estaciones de molino de viento está dividida en al menos dos clases:

: un número predeterminado de primeras estaciones de molino de viento que tienen una turbina de viento y un generador eléctrico adaptados para convertir energía eólica en energía eléctrica para uso inmediato; y

: un número predeterminado de segundas estaciones de molino de viento que tienen una turbina de viento adaptada para almacenar la energía producida por el viento en al menos un tanque de almacenaje, en que está previsto al menos un compresor para comprimir aire en dicho tanque, y está previsto al menos un expansor para liberar el aire comprimido desde dicho tanque; y está previsto un segundo generador para convertir la energía del aire comprimido en energía eléctrica.

2. El sistema de la reivindicación 1, en el que el sistema comprende al menos un rasgo característico tomado del grupo que consta de:

a.: un dispositivo de calentamiento que deriva el calor de la energía solar;

b.: un dispositivo de calentamiento que deriva el calor desde dicho al menos un compresor;

c.: un dispositivo de calentamiento que usa su propia fuente de energía;

d.: un intercambiador de calor que tiene tubos que se extienden a través de dicho tanque, en que un fluido calentado puede ser hecho pasar a través de dichos tubos para aumentar la temperatura del aire contenido en dicho tanque;

e.: al menos un dispositivo de calentamiento para calentar el aire comprimido que es liberado y expandido; y

f.: un dispositivo de refrigeración para hacer posible que las temperaturas frías generadas por dicho aire comprimido sean liberadas y expandidas para ser usadas para fines de refrigeración.

3. El sistema de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el número predeterminado de dichas primeras estaciones de molino de viento y el número predeterminado de dichas segundas estaciones de molino de viento se basan en las características del viento del área predeterminada en la que las estaciones están situadas y las características de uso del área en que se emplea la energía procedente del sistema.

4. El sistema de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que dichas segundas estaciones de molino de viento comprende un número predeterminado de estaciones de molino de viento híbridas que tienen una turbina de viento que puede ser alternada simultáneamente entre proporcionar energía para uso inmediato y proporcionar energía para almacenamiento.

5. El sistema de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que dichas segundas estaciones de molino de viento están adaptadas para proporcionar energía para almacenamiento, y dicho sistema comprende además un número predeterminado de estaciones híbridas que tienen una turbina de viento que puede ser conmutada simultáneamente entre proporcionar energía para uso inmediato y proporcionar energía para almacenamiento.

6. El sistema de las reivindicaciones 4 ó 5, en el que dichas estaciones de molino de viento híbridas están adaptadas para convertir energía eólica en energía eléctrica para uso inmediato, y almacenar energía producida por el viento, en que cada una de dichas estaciones de molino de viento híbridas comprende un divisor capaz de repartir y ajustar simultáneamente la cantidad de energía mecánica generada por dicha turbina de viento entre un primer convertidor para generar electricidad para uso inmediato, y un segundo convertidor para generar y almacenar energía de aire comprimido.

7. Un método de generación y almacenamiento de energía, que comprende:

: proporcionar un número de predeterminado de primeras estaciones de molino de viento que tienen una turbina de viento y un generador eléctrico adaptados para convertir energía eólica en energía eléctrica para uso inmediato; proporcionar un número predeterminado de segundas estaciones de molino de viento que tienen una segunda turbina de viento adaptadas para almacenar la energía producida por el viento en al menos un tanque de almacenaje, en que está previsto por lo menos un compresor para comprimir el aire en dicho tanque, está previsto por lo menos un expansor para liberar el aire comprimido procedente de dicho tanque, y está previsto un segundo generador para convertir la energía del aire comprimido en energía eléctrica; y

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: proporcionar un número predeterminado de estaciones de molino de viento que tienen una tercera turbina de viento adaptada para convertir la energía eólica en energía eléctrica para uso inmediato, y almacenar la energía producida por el viento, en que dichas estaciones de molino de viento híbridas pueden ser alternadas entre proporcionar energía para uso inmediato y proporcionar energía para almacenamiento.

8. El método de la reivindicación 7, en el que se tiene en cuenta al menos una de las siguientes consideraciones de diseño:

a): el tamaño de dicho al menos un tanque;

b): la capacidad del compresor;

c): la capacidad del expansor;

d): el número total de estaciones de molino de viento a instalar;

e): la disponibilidad de un quemador auxiliar como fuente de energía de apoyo; y

f): la disponibilidad de uno o más dispositivos de calentamiento para calentar el aire comprimido que ha de ser liberado y expandido.

9. El método de las reivindicaciones 7 u 8, en el que el método comprende determinar los números predeterminados de dichas estaciones de molino de viento primeras, segundas e híbridas basándose en al menos una de las siguientes consideraciones:

a): los historias de vientos del área en que hayan de situarse las estaciones;

b): las características de demanda del área en que haya de emplearse la energía procedente de las estaciones;

c): la relación de aproximadamente el 65 por ciento de estaciones de molino de viento para uso inmediato y el 35 por ciento de estaciones de molino de viento para almacenamiento de energía;

d): los historias diarias de vientos y demanda de energía que se obtienen para períodos predeterminados del año;

e): los historias diarias de vientos y demanda de energía para un lugar dado, que se obtienen para períodos predeterminados del año;

f): una estimación basada en los historias diarias de viento y demanda de energía durante los períodos menos concordantes del año; y

g): un proceso iterativo para determinar un sistema óptimo que puede proporcionar energía sobre una base ininterrumpida y continua.