ES2308945B1 - Procedimiento para regulacion y optimizacion de energias alternativas. - Google Patents

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.

Campo técnico

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.

Antecedentes de la invención

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.

Descripción de la invención

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.

Descripción de los dibujos

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".

Descripción de los ejemplos prácticos

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.

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.