ES2308945B1 - Procedimiento para regulacion y optimizacion de energias alternativas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para regulación y optimización de
energías alternativas, del tipo empleado en campos de
aerogeneradores tanto de eje vertical como horizontal, generadores
a partir de energía del oleaje, u otros semejantes, constituido por
algún o algunos dispositivos captadores de energía (1 y 2) cuya
finalidad es convertir la acción del viento (3) o de las olas (4) o
similar, en energía eléctrica, mediante uno o más alternadores (5)
o similares, caracterizado esencialmente porque entre el
dispositivo o dispositivos de captación de energía (1 o 2) y el
generador o generadores eléctricos (5) se dispone uno o varios
compresores de fabricación de aire comprimido (6) conectados a uno
o varios calderines (7), dotados de salida de aire (8) con válvula
reguladora de la presión constante (9) a través de la cual llega el
aire comprimido a una turbina o motor de aire comprimido (10)
encargado de mover el generador eléctrico (5).
Description
Procedimiento para regulación y optimización de
energías alternativas.
El objeto de la presente invención, tal como se
expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, hace
referencia a un procedimiento para regulación y optimización de
energías alternativas, del tipo empleado en campos de
aerogeneradores, generadores a partir de energía del oleaje, u
otros semejantes.
En general, se consideran energías alternativas
todas aquéllas que no utilizan las fuentes tradicionales de energía
tales como combustibles fósiles, energía nuclear y otras afines, y
que cada vez con más auge, se les considera las energías
alternativas del futuro, ya que suelen ser más fácilmente
obtenibles, son abundantes o ilimitadas, y contaminan menos.
Existen diversas fuentes de energía alternativa,
tales como la eólica, la solar, la mareomotriz, la energía del
oleaje, etc.
Con el fin de aprovechar algunas de esas
energías, tales como las cinéticas, se han diseñado diferentes
tipos de dispositivos, de entre los cuáles cabe destacar los
aerogeneradores y los generadores a partir de energía del
oleaje.
Un aerogenerador es un dispositivo que,
básicamente, transforma la energía eólica en energía eléctrica, a
partir del movimiento que la energía cinética del viento provoca en
la palas de un rotor-hélice, transmitiéndose dicho
movimiento al eje principal o primario. Este eje mueve una caja
multiplicadora de revoluciones la cual transmite su potencia al
alternador o generador. Estos aerogeneradores pueden ser de eje
vertical u horizontal.
Del mismo modo, un generador a partir de la
energía del oleaje, es un dispositivo que transforma la energía
cinética oscilatoria del oleaje en energía eléctrica; esto se puede
realizar por diferentes métodos, como de tipo fuelle, rotativos, de
péndulo, u otros.
Por otro lado, las redes nacionales de
distribución de energía eléctrica presentan un conjunto de
parámetros, de los cuáles hay concretamente dos que se han de
mantener tan constantes como sea posible: la tensión de red y la
frecuencia de red; ello se consigue a base de mantener prácticamente
constantes las condiciones de funcionamiento de los alternadores o
generadores instalados en todas las centrales eléctricas y, para
ello, es fundamental la regulación de sus velocidades de giro.
Sin embargo, cuando se trata de fuentes de
energía alternativas, esto genera algunos inconvenientes, ya que es
difícil de conseguir una cierta regularidad en el suministro a
partir de fuentes tales como el viento o las olas, ya que estas no
son ni constantes ni continuas.
En el caso concreto de los aerogeneradores,
estos sólo son utilizables dentro de un margen relativamente
estrecho de regímenes de vientos, porque un alternador, para
suministrar a la red eléctrica la tensión y frecuencia adecuadas,
solo puede funcionar dentro de un rango muy limitado de velocidades
de giro.
Así, si la velocidad angular del
rotor-hélice es lenta, la tensión y frecuencia
generadas son más bajas de lo adecuado, y ello obliga a la
instalación de dispositivos multiplicadores de la velocidad de giro
para el alternador, mientras que si dicha velocidad es excesiva, la
tensión y frecuencia son excesivas y hay que frenar el
rotor-hélice; otro inconveniente asociado a una
velocidad angular demasiado elevada, consiste en que los extremos de
las hélices podrían llegar a moverse a velocidades próximas a la
del sonido y esto generaría problemas medioambientales tales como
el ruido y la molestia que ello supone para las aves, incluso
causando algunas muertes; por esta razón, los aerogeneradores van
dotados de frenos y de palas de paso variable, controlados ambos
dispositivos automáticamente.
Algo parecido ocurre con la energía de las olas,
ya que un alternador que aproveche este tipo de energía, para
suministrar a la red eléctrica la tensión y frecuencia adecuadas,
solo puede funcionar dentro de un rango muy limitado de velocidades
de giro.
Así pues para hacer un diseño adecuado de una
instalación o central generadora del tipo aerogenerador, es
imprescindible conocer datos tales como las velocidades medias de
los vientos dominantes en la zona y sus direcciones, con el fin de
dimensionar adecuadamente los alternadores adecuados para dicha
instalación.
Del mismo modo, en el caso de instalaciones
extractoras de energía del oleaje, hay que conocer el régimen de
olas en la zona, así como sus frecuencias y amplitudes para diseñar
correctamente los alternadores adecuados y, en general, toda la
instalación.
Además, para que un alternador pueda presentar
un rendimiento adecuado a una velocidad relativamente baja, ha de
ser siempre de gran tamaño y, por lo tanto, pesado; esto es un
problema si el generador ha de ir instalado dentro de una góndola y
sobre una torre a varias decenas de metros del suelo; por esta
razón, no se usan alternadores de baja velocidad de una góndola y
se suelen usar cajas multiplicadoras para aumentar la velocidad de
giro; así pues, debido a ello, las dimensiones del alternador, en el
mejor de los casos, no pueden pasar de ser medianas.
Por otro lado, en una instalación de estas
características, cada torre tiene su propio generador
eléctrico.
Una solución para paliar el efecto de las
condiciones de funcionamiento fluctuantes del viento o las olas,
sería el almacenaje de la energía eléctrica excedente en los
momentos de viento u oleaje fuerte, para liberarla en los momentos
de viento u oleaje flojo o nulo.
Existen en el mercado diferentes sistemas de
almacenamiento de energía alternativa, tales como acumuladores
eléctricos o baterías para instalaciones relativamente pequeñas o
poco potentes, como las fotovoltaicas; sin embargo, las cantidades
de energía generadas en una gran instalación de energía eólica, de
las olas, u otras semejantes, son lo suficientemente elevadas como
para hacer inadecuado su almacenamiento en acumuladores eléctricos
o similares.
Con el fin de superar estos inconvenientes, se
ha diseñado el novedoso procedimiento para regulación de energías
alternativas objeto de la presente memoria técnica.
En términos generales, la presente invención se
refiere a un novedoso procedimiento que, en lugar de convertir la
energía alternativa (del viento, olas u otra fuente) directamente
en energía eléctrica, mediante un acoplamiento mecánico entre el
eje de giro del rotor-hélice y el eje de giro del
alternador, lo que se hace es utilizar dicha energía para generar
aire comprimido, o incluso licuado, como elemento intermediario
almacenado y regulador de dicha energía.
Este novedoso procedimiento, presenta varias
ventajas con respecto a otros modos más tradicionales de
aprovechamiento de energía alternativa para su conversión en
eléctrica.
La primera ventaja consiste en el hecho de que
no es necesario que cada torre eólica, o cada dispositivo de olas,
tenga su propio alternador de dimensiones pequeñas o medianas y por
lo tanto, de bajo rendimiento, sino que en una central de energía
eólica o de las olas, se puede centralizar toda la producción
eléctrica en un único generador eléctrico de dimensiones adecuadas
y, por lo tanto, de elevado rendimiento a la velocidad de trabajo
adecuada elegida.
La segunda ventaja consiste en que cuando hay
excedente de energía alternativa (que se produce cuando hay mucho
viento o mucho oleaje), esta es acumulable en forma de aire
comprimido, el cuál posteriormente puede ir liberando dicha energía
de modo controlado cuando esta es deficitaria (cuando hay poco o
ningún viento u oleaje); también, en este sentido, el novedoso
procedimiento permite acumular energía durante la noche, que es
cuando hay excedente de energía por bajo consumo de la población,
para liberarlo durante el día, que es cuando se produce déficit por
exceso de demanda.
La tercera ventaja es que la presión de
almacenaje y liberación del aire comprimido hacia un alternador
único (o varios), se hace de forma absolutamente supervisada,
permitiendo así controlar la velocidad angular de dicho alternador
(o alternadores) y, por lo tanto, sus parámetros de tensión y
frecuencia, con la finalidad de que sean constantes y adecuados a la
red de distribución, pudiéndola incorporar a la misma
directamente.
Una cuarta ventaja del novedoso procedimiento
consiste en que el margen de velocidades angulares permitidas para
las palas del rotor-hélice es mucho mayor. Los
compresores pueden girar más o menos rápidos y fabricarán más o
menos aire. Como no se usa directamente no es inconveniente, sin
llegar, por supuesto, a las velocidades de giro que pudieran
producir molestias en el entorno.
Los generadores o alternadores se pueden
instalar en diferente lugar que los captadores de energía.
Una quinta ventaja consiste en el hecho de que,
en el caso de producirse excedentes de aire comprimido (o licuado),
estos pueden ser vendidos como subproductos adicionales de elevado
valor añadido.
Una sexta ventaja consiste en que otro
subproducto de interés puede ser el agua obtenida por condensación
de la humedad del aire que ha sido comprimido, y que puede
reutilizarse en la refrigeración de los propios equipos o ser
vendida también como otro subproducto adicional de cierto valor
añadido.
El nuevo procedimiento está constituido en
esencia por un conjunto de rotor-hélices de aire, o
similares, cuyos ejes, movidos o bien por los vientos reinantes, o
bien por los vientos procedentes de algún dispositivo aprovechador
de la energía del oleaje, o por alguna otra forma de energía
alternativa, actúan cada uno sobre un compresor o conjunto de
compresores de fabricación de aire cuya finalidad es generar aire
comprimido (o licuado) que, a continuación, es almacenado en uno o
varios calderines de grandes dimensiones a media o alta presión
para, posteriormente, ser liberado a más baja presión y de forma
controlada sobre un motor de aire comprimido o una turbina de aire
o similar, acoplada al eje de un alternador (o varios, uno por cada
turbina) de dimensiones adecuadas, con el fin de que este gire a
velocidad constante, independientemente del viento u oleaje
predominante en cada momento, o de si es día o noche.
Opcionalmente, los métodos de captación de
energía de las olas pueden ser de diferentes tipos, tales como los
rotativos, de fuelle, de péndulo, boyas u otros.
El compresor o conjunto de compresores
acoplables al eje de cada rotor-hélice, en el caso
de los aerogeneradores, irían situados, o bien en el interior de la
propia góndola, o bien en la base de la torre, y serían conectables
y desconectables de forma manual y/o automática, en función de la
potencia obtenible en cada momento según las condiciones
meteorológicas imperantes en dicho momento; cuánto más viento haya,
más compresores se conectarían, tanto para aprovechar más energía
como para regular la velocidad de las palas del
rotor-hélice; esto es así porque el hecho de
conectar más compresores sirve también de freno "activo", es
decir, freno aprovechador de energía; su conexión se realiza
preferiblemente mediante embragues eléctricos y/o neumáticos; la
transmisión entre el eje del rotor- hélice y los de los compresores
se realiza preferiblemente mediante coronas dentadas, correas de
transmisión o caja multiplicadora.
El control de velocidad del eje se puede regular
también variando el paso de hélice de las palas.
Todo el aire comprimido generado, se acumula
preferiblemente en uno, dos o más calderines, comunes a toda la
instalación del campo de rotor-hélices, de los que
partirá hacia el generador (o generadores, en caso de instalarse
más de uno) de forma regulada y controlada; de este modo, se puede
tener un funcionamiento alternativo de los calderines, es decir,
cuando uno está suministrando aire comprimido a la turbina (o
turbinas), el otro se va cargando de energía, y viceversa; así, las
turbinas siempre disponen de aire comprimido a alta presión para su
funcionamiento.
El dimensionado y volumen del calderín (o
calderines) se calcula en función del régimen de vientos u olas del
lugar y de la presión a la que se desea almacenar el aire
comprimido; de ese modo, en caso de producirse períodos de
inactividad atmosférica u oceánica, estos calderines se comportan
como fuentes de energía alternativa almacenada y liberable, de forma
paulatina, durante dichos períodos de inactividad.
Con el objeto de ilustrar cuanto hasta ahora
hemos expuesto, se acompaña a la presente memoria descriptiva y
formando parte integrante de la misma, de un conjunto de dibujos en
los que se han representado de manera simplificada y esquemática,
tres ejemplos de realización práctica, únicamente explicativos
aunque no limitativos de las características de la novedosa
invención.
La figura 1 muestra un esquema general del
novedoso procedimiento; en dicho esquema se muestra, por
simplicidad del mismo, un solo compresor por cada
aerogenerador.
La figura 2 muestra, de forma esquemática, un
ejemplo práctico de montaje de una torre aerogeneradora, con los
compresores en el interior de la góndola.
La figura 3 muestra, de forma esquemática, un
ejemplo práctico de montaje de una torre aerogeneradora, con los
compresores en la base de la torre.
La figura 4 muestra, de forma esquemática, un
ejemplo práctico de un dispositivo aprovechador de olas, con
convertidor de dirección de aire forzado, de tipo
"Belfast".
En las figuras que acompañan a la presente
memoria se describen, a modo de ejemplos, un esquema y tres casos
prácticos del procedimiento objeto de la misma.
El novedoso procedimiento para regulación y
optimización de energías alternativas, está basado en el uso de un
dispositivo captador de energía (1 o 2) cuya finalidad es convertir
la acción del viento (3) o de las olas (4), en energía eléctrica,
mediante el uso de un alternador (5); este nuevo procedimiento se
caracterizada porque entre los dispositivos de captación de energía
(1 o 2) y el generador eléctrico (5) se dispone de seis compresores
de aire (6) conectados a dos calderines (7), dotados estos últimos
de salida y conducción (8) con válvula reguladora de la presión
constante (9) con que debe llegar el aire comprimido a una turbina
(10) encargada de mover el generador eléctrico (5), el cuál está a
su vez optimizado para entregar energía a la red eléctrica a una
tensión y frecuencia determinadas.
Si el dispositivo captador de energía es un
rotor-hélice eólico (1) accionado por la energía de
los vientos (3) del lugar (figuras 2 y 3), este se acopla a un eje
principal (11) dotado de una corona dentada (12) que transmite el
movimiento a unas coronas satélites (13), que a su vez mueven
sendos ejes (14) en los que se han habilitado seis embragues (15)
con los que se pueden embragar o desembragar automáticamente uno o
varios de los seis compresores (6).
Si el dispositivo captador de energía de las
olas es también un rotor-hélice (2) accionado por
una corriente de aire (20) generada en el interior de una cámara de
resonancia (19) debido al efecto del oleaje (4) del lugar (figura
4), entonces dicho aire (20) se hace circular por una tubería (21)
hasta mover el rotor-hélice (3), el cuál a su vez
actúa sobre un eje principal (11) dotado de una corona dentada (12)
que transmite el movimiento a unas coronas satélite (13) que a su
vez mueven sendos ejes (14) en los que se pueden embragar o
desembragar automáticamente, uno o varios de los compresores (6); en
este caso práctico se dispone de un dispositivo adicional denominado
"Convertidor Belfast" (22) que hace que el aire forzado (20)
que circula entre las palas del rotor-hélice (2)
lleve siempre la misma dirección, independientemente de si la ola
(4) está subiendo o bajando en un momento dado; de ese modo, el
sentido de giro de las palas del rotor-hélice (2) es
siempre el mismo, independientemente de si el aire forzado (20) de
la canalización (21) va en un sentido u otro; este "Convertidor
Belfast" (22) dispone de un mecanismo (23) de cambio del sentido
de la dirección de la corriente de aire forzado (20) en la
canalización (21) del mismo hacia el rotor-hélice
(2), cuya posición conmuta entre dos posiciones posibles, en
función de que el nivel del agua esté subiendo o bajando con el
oleaje (4), en el interior de la cámara de resonancia (19), en un
momento dado.
Una unidad central de proceso CPU (16) es la
encargada de controlar y coordinar todos los elementos de la
instalación.
El agua condensada durante el proceso de
compresión del aire, proveniente de la humedad de dicho aire, es
conducida a través de unos conductos (17) especialmente destinados
a tal fin, hacia unos depósitos de acumulación (18), para su
posterior reutilización en la propia instalación como refrigerante
o para otros fines.
Serán independientes del objeto de la presente
invención los materiales que se empleen en la fabricación de los
distintos elementos que la componen, así como las formas,
dimensiones y accesorios que pueda presentar, pudiendo ser
reemplazados por otros técnicamente equivalentes, siempre que no
afecten a la esencialidad de la misma ni se aparten del ámbito
definido en el apartado de reivindicaciones.
Establecido el concepto expresado, se redacta a
continuación la nota de reivindicaciones, sintetizando así las
novedades que se desean reivindicar.
Claims (5)
1. Procedimiento para regulación y optimización
de energías alternativas, del tipo empleado en campos de
aerogeneradores tanto de eje vertical como horizontal, generadores
a partir de energía del oleaje, u otros semejantes, constituido por
algún o algunos dispositivos captadores de energía (1 y 2) cuya
finalidad es convertir la acción del viento (3) o de las olas (4) o
similar, en energía eléctrica, mediante uno o más alternadores (5) o
similares, caracterizado esencialmente porque entre el
dispositivo o dispositivos de captación de energía (1 o 2) y el
generador o generadores eléctricos (5) se dispone uno o varios
compresores de fabricación de aire comprimido (6) conectados a uno
o varios calderines (7), dotados de salida de aire (8) con válvula
reguladora de la presión constante (9) a través de la cual llega el
aire comprimido a una turbina o motor de aire comprimido (10)
encargado de mover el generador eléctrico (5).
2. Procedimiento para regulación y optimización
de energías alternativas, según reivindicación primera,
caracterizado porque el dispositivo captador de energía
eólica puede ser un rotor-hélice eólico (1)
accionado por la energía de los vientos (3) del lugar, al cuál se
acopla un eje principal (11) dotado de una corona dentada (12) o
similar que transmite el movimiento a unas coronas satélites (13),
que a su vez mueven unos ejes (14) en los que se han habilitado una
pluralidad de embragues (15) con los que se pueden embragar o
desembragar, manual o automáticamente, un cierto número de
compresores (6) del
tamaño y modelo más conveniente.
tamaño y modelo más conveniente.
3. Procedimiento para regulación y optimización
de energías alternativas, según reivindicación primera,
caracterizado porque el dispositivo captador de energía de
las olas puede ser un rotor-hélice (3) accionado por
una corriente de aire alternativa (20), generada en el interior de
una cámara de resonancia (19), debido al efecto del oleaje (4) del
lugar; dicho aire (20) circula por una tubería (21) hasta mover el
rotor-hélice (3), el cuál a su vez actúa sobre un
eje principal (11) dotado de una corona dentada (12) que transmite
el movimiento a unas coronas satélite (13) que a su vez mueven
sendos ejes (14) en los que se pueden embragar o desembragar, manual
o automáticamente, uno o varios compresores (6); opcionalmente, el
dispositivo captador de energía de las olas puede ser del tipo
fuelle, rotativo, de péndulo, boya u otros.
4. Procedimiento para regulación y optimización
de energías alternativas, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque una unidad central de proceso CPU (16)
es la encargada de controlar y coordinar todos los elementos de la
instalación.
5. Procedimiento para regulación y optimización
de energías alternativas, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque el agua condensada durante el proceso
de compresión del aire, proveniente de la humedad de dicho aire, es
conducida a través de conductos (17) especialmente destinados a tal
fin hacia unos depósitos de acumulación (18) donde es reutilizada
en la refrigeración del sistema o para otros usos.
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