ES2309234T3 - Central electrica. - Google Patents

Abstract

Central eléctrica para utilizar la energía de un flujo de agua (3) que circula principalmente en dirección horizontal y que funciona cuando está en marcha por medio de por lo menos un rotor (2; 16) sumergido completa o parcialmente en el flujo de agua (3) y realizado en forma de un árbol (6; 18) que presenta una serie de palas en resalte (7; 19) y dispuesto alrededor de un eje de rotación (1; 15) de manera principalmente en sentido transversal a la dirección de flujo, y una guía de pala (8; 20) que se extiende principalmente en dirección radial para cada pala (7; 19) que sirve para alojar desplazantemente la respectiva pala (7; 19), comprendiendo la central eléctrica: - unos medios para desplazar la pala (7; 19) en su guía de pala (8; 20) de tal modo que su borde exterior periférico describa una cara envolvente (12) durante cada una de las rotaciones del rotor, teniendo dicha cara envolvente una distancia mayor del eje de rotación en las áreas en las que la pala (7; 19) está afectada por la presión del flujo de agua (3) que en las áreas en las que éste no es el caso, y de tal modo que la cara envolvente (12) presente una forma cuando el flujo de agua (3) proceda de un lado del rotor (2; 16) y otra forma cuando el flujo de agua (3) proceda del otro lado del rotor (2; 16).

Description

Central eléctrica.

La presente invención se refiere a una central eléctrica para utilizar la energía de un flujo de agua que circula principalmente en dirección horizontal y que funciona cuando está en marcha por medio de por lo menos un rotor sumergido completamente o de manera parcial en el flujo de agua y realizado en forma de un árbol que presenta una serie de palas en resalte y está dispuesto de manera giratoria alrededor de un eje de rotación principalmente en sentido transversal a la dirección de flujo.

Debido a un consumo de energía globalmente creciente y a una conciencia medioambiental en aumento, el interés en centrales eléctricas que puedan utilizar las nuevas fuentes de energía renovables está aumentando para poder suplementar así la energía suministrada por centrales eléctricas que utilizan los combustibles fósiles contaminantes o la impopular energía nuclear.

La energía hidráulica es una fuente de energía renovable limpia que se ha utilizado en amplio grado tanto ahora como en el pasado. Actualmente, la energía de cascadas, ríos y otras corrientes se utiliza especialmente para generar corriente eléctrica.

En otros tiempos, se han utilizado ruedas hidráulicas que presentan unas palas en resalte para suministrar potencia mecánica a maquinaria en fábricas o, por ejemplo, para moler harina. Estas ruedas hidráulicas se situaban principalmente en corrientes con una extensión principalmente horizontal, por ejemplo ríos o arroyos. Sin embargo, la energía de dichas corrientes es limitada y no cubre la gran demanda de energía de la actualidad.

No obstante, en, por ejemplo, corrientes marítimas hay recursos de energía muy grandes que, sin embargo, se han considerado hasta ahora bastante difíciles de utilizar en la práctica, entre otras cosas debido a que las corrientes cambian frecuentemente de dirección.

Un intento de utilizar flujos de agua horizontales es conocido a partir del documento de patente US nº 4.383.797, que se refiere a una disposición con una rueda hidráulica que funciona completamente sumergida en, por ejemplo, un río o un canal. La rueda hidráulica presenta unas palas radialmente en resalte, que comprenden cada una de ellas una sección interior fija conectada de manera pivotante a una sección exterior que se despliega cuando las palas respectivas son hechas girar en la dirección de flujo, y que se pliega cuando dichas palas son hechas girar en la dirección opuesta de la dirección de flujo. De este modo, la rueda hidráulica es accionada por un par que hará que gire dicha rueda. La disposición conocida tiene un pequeño efecto útil y puede usarse solamente en una dirección de flujo. En flujos de agua de direcciones cambiantes, la disposición es, en conjunto, efectiva únicamente la mitad del tiempo.

A partir de la solicitud de patente europea EP 1 079 104 se conoce un generador que presenta un rotor con palas que son desplazables. Las palas se extienden así en un área en la que están expuestos al flujo del agua. Es posible así construir un rotor que puede girar en ambas direcciones cuando se ve influenciado por un flujo de agua que cambia de dirección. Sin embargo, esta construcción no es óptima y la rotación del rotor se ve impedida por áreas del agua que están en el lado del rotor opuesto al de la dirección del flujo de agua.

El objetivo de la invención es proporcionar una central eléctrica de la clase mencionada en el párrafo inicial que tenga estructura simple y sea capaz de utilizar la energía en un flujo de agua que se extiende principalmente en dirección horizontal de una manera mejor que la conocida hasta ahora.

Un segundo objetivo de la invención es proporcionar una central eléctrica de la clase mencionada en el párrafo inicial que pueda funcionar efectivamente al cambiar las direcciones de flujo.

Un tercer objetivo de la invención es proporcionar una central eléctrica de la clase mencionada en el párrafo inicial que pueda funcionar efectivamente en estado sumergido dentro de un flujo de agua que se extiende horizontalmente.

Las características novedosas y únicas según la invención, con las que se alcanzan, radican en el hecho de que la central eléctrica comprende una guía de pala, para cada pala, que se extiende en dirección principalmente radial y que sirve para alojar la pala respectiva, y unos medios para desplazar la pala de tal modo en la guía de pala que su borde exterior periférico describa una cara envolvente durante cada una de las rotaciones del rotor, presentando una cara envolvente una distancia mínima al eje de rotación en una línea de intersección entre esta superficie y un plano de simetría que se extiende transversalmente a la dirección de flujo.

En un área simétrica alrededor de la distancia mínima de la cara envolvente al eje de rotación, las palas son arrastradas más o menos hacia el interior de las respectivas guías de pala. Por tanto, éstas no se ven afectadas o sólo lo son en una pequeña extensión por el flujo de agua durante el funcionamiento. No obstante, las palas en el área opuesta de la cara envolvente son empujadas más o menos hacia el exterior de sus respectivas guías de pala. Por tanto, estas palas se ven afectadas efectivamente por el flujo de agua, cuyo resultado es que son llevadas en la dirección de flujo y pondrán así al rotor en rotación, cualquiera que sea el lado del rotor del que procede la dirección de flujo. De esta manera, se utiliza efectivamente la energía en el flujo de agua. Por tanto, puede observarse que el rotor puede funcionar efectivamente cuando está sumergido de manera completa en el flujo de agua.

En una primera forma de realización de la central eléctrica según la invención, los medios para desplazar las palas pueden comprender una instalación neumática que presenta unos cilindros neumáticos para proporcionar a las palas el desplazamiento deseado de avance y retroceso en sus guías de pala. La instalación neumática está dispuesta de tal modo que las palas sigan la cara envolvente cualquiera que sea el lado del rotor del que procede el flujo.

Alternativamente, los medios para desplazar las palas pueden comprender una instalación hidráulica con cilindros hidráulicos para proporcionar a las palas el desplazamiento deseado de avance y retroceso en sus guías de pala. La instalación hidráulica está dispuesta también de tal modo que las palas sigan la cara envolvente cualquiera que sea el lado del rotor del que procede el flujo.

Sin embargo, debe observarse que la cara envolvente en este caso puede adoptar una forma cuando el flujo de agua está llegando desde un lado del rotor y otra forma cuando el flujo de agua está llegando por el otro lado. Las dos caras envolventes pueden estar formadas, por ejemplo, simétricamente alrededor del plano de simetría.

En una segunda forma de realización de la central eléctrica según la invención, los medios para desplazar las palas pueden ser de una clase puramente mecánica. En este caso, una guía circunferencial está dispuesta en cada extremo del rotor, siendo dicha guía congruente con una sección transversal a través de la cara envolvente. Además, las palas pueden estar provistas, por ejemplo, de zapatas de corredera o pasadores con rodillos montados de manera giratoria para seguir la trayectoria de la guía circunferencial durante la rotación del rotor. Esta forma de realización es especialmente simple y fiable.

Alternativamente, la guía circunferencial puede seguir a la cara envolvente en sentido transversal y completa o parcialmente en sentido longitudinal, mientras que los bordes exteriores de las palas o los rodillos de estas palas se extienden a lo largo de la guía así formada durante la rotación del rotor.

Las fuerzas del flujo de agua afectan a las palas extendidas con un considerable momento de flexión que debe ser absorbido por las respectivas guías de pala, que están sometidas así a una carga muy pesada, al mismo tiempo que las palas deben ser capaces también de desplazarse en sus guías de pala sin tendencia a biselarse y agarrotarse.

Con vistas a superar este problema, el rotor puede diseñarse con palas pareadas de forma opuesta que pueden interconectarse por medio de barras robustas. Así, ambas guías de pala absorben el momento de flexión simultáneamente y como las dos guías están situadas además a una distancia relativamente grande una de otra, la carga en las guías se reduce considerablemente.

En una forma de realización, el árbol del rotor puede tener un diámetro relativamente grande. En este caso, la guía de pala puede extenderse radialmente hacia el eje de rotación desde la periferia del árbol, que es coincidente además con la cara envolvente en un área de simetría alrededor de la línea de intersección entre el plano de simetría y la cara envolvente, mientras que la sección opuesta de la cara envolvente se extiende a distancia de la periferia del árbol. Durante el funcionamiento, las palas retraídas en dicha área de simetrías no estarán operativas, mientras que las palas extendidas en la sección opuesta de la cara envolvente capturarán el flujo de agua y harán así que gire el
rotor.

En una segunda forma de realización alternativa, el árbol del rotor puede tener un diámetro relativamente pequeño y unas guías de pala que se extienden radialmente fuera desde la periferia del árbol. Un área de simetría alrededor de la línea de intersección entre el plano de simetría y la cara envolvente puede ser cubierta entonces por un escudo para guiar el flujo de agua alrededor del rotor en este área, de modo que serán solamente las palas del área de rotor opuesta las que podrán utilizar activamente la energía del flujo de agua y hacer así que gire el rotor.

El escudo puede ventajosamente entrar en contacto o casi entrar en contacto con la línea de intersección y tener desde esta línea una distancia creciente a la cara envolvente, con la mayor distancia en los bordes longitudinales del escudo.

La disposición de rotor puede ubicarse ventajosamente en el fondo de un área de agua o cerca del mismo, en el que existe una subcorriente adecuadamente fuerte. Si la disposición de rotor está dispuesta de esta forma, no obstruirá el tráfico marítimo y además no habrá riesgo de ser golpeado y dañado por, por ejemplo, maderas a la deriva. El rotor puede estar orientado ventajosamente en dirección horizontal.

Alternativamente, se puede prever una serie de disposiciones de rotor en una línea que se extiende desde una costa o un área apartada de una costa en el que exista una corriente suficientemente fuerte que siga la línea de costa por lo menos en lo principal.

Los rotores pueden estar orientados horizontal o verticalmente. En el primer caso, los escudos pueden mirar ventajosamente hacia arriba. La línea de disposición de los rotores formará una fuente permanente próxima a la costa para energía limpia y al mismo tiempo funcionará ventajosamente como una protección costera efectiva.

Los rotores pueden estar protegidos además por una malla o celosía para impedir que se introduzcan humanos, animales o peces entre las palas.

La invención se describirá con mayor detalle a continuación describiendo únicamente ejemplos de forma de realización ejemplificativos haciendo referencia al dibujo, en el que,

la figura 1 es una vista extrema de una primera forma de realización de una central eléctrica según la inven-
ción,

la figura 2 es una vista en alzado lateral de la central eléctrica en la figura 1,

la figura 3 es una vista en perspectiva de una segunda forma de realización de la central eléctrica, y

la figura 4 es una vista en planta de una central eléctrica que comprende cuatro rotores dispuestos verticalmente situados en una línea que se extiende desde una costa.

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Las figuras 1 y 2 muestran una primera forma de realización de una central eléctrica que presenta un rotor 2 orientado horizontalmente alrededor de un eje de rotación 1 y sumergido en un flujo de agua 3 que se extiende horizontalmente, extendiéndose dicho rotor transversalmente a este flujo de agua. El rotor está apoyado de manera giratoria en una base 4 situada sobre el fondo marino 5.

El rotor está constituido por un árbol 6 que presenta un total de 18 palas en resalte 7. Cada una de estas palas está montada desplazantemente en una guía de pala 8 que se extiende radialmente 8 y que se extiende hacia el eje de rotación 1 desde la periferia 9 del árbol.

La base 4 se extiende en una curva - vista en sección transversal - desde el fondo marino 5 hasta el rotor, desde cada lado de este rotor, y forma así unas superficies de guía 10 para guiar el flujo de agua hacia el rotor.

Unos deflectores 11 en cada extremo del rotor se extienden además oblicuamente hacia el rotor y junto con los deflectores 10 sirven para incrementar el volumen del flujo de agua que acciona el rotor durante el funcionamiento, con lo que se incrementa al mismo tiempo la producción de energía de la central eléctrica.

Durante la rotación, los bordes exteriores periféricos de las palas de rotor 7 describen, como se muestra en la figura 1, una cara envolvente 12 que coincide con la periferia 9 del árbol 6 o la sigue a una corta distancia en un primer área de la base 4, estando las palas en este caso completa o casi completamente retraídas hacia el interior del árbol. En un segundo área en la que las palas son empujadas más o menos hacia el exterior de sus respectivas guías de pala, la cara envolvente se extiende a distancia de la periferia del árbol 6.

La cara envolvente 12 obtendrá así la forma de la figura 1 si el flujo proceda de la izquierda, visto en la figura 1. Si el flujo procede de la derecha, se forma una segunda cara envolvente que es simétrica alrededor de la primera y alrededor de un plano de simetría que se extiende transversalmente al flujo e incluye el árbol 1 del rotor.

En el primer área de la cara envolvente, las palas no se están afectadas por el flujo de agua o por lo menos sólo se están afectadas en una pequeña extensión, mientras que en el segundo área están positivamente afectadas por una fuerza que hará que el rotor gire en la dirección indicada por la flecha.

Las palas pueden desplazarse en sí mismas en sentidos de avance y retroceso en sus respectivas guías de pala de cualquier modo conveniente. Lo importante es que sus bordes exteriores sigan la cara envolvente deseada durante la rotación, es decir, la cara envolvente que asegure que la central eléctrica funcione con una utilización óptima del contenido de energía del flujo de agua.

No obstante, en una forma de realización ventajosa, las palas son desplazadas por medio de una instalación neumática o hidráulica (no mostrada) con un cilindro neumático o hidráulico por cada pala (no mostrada) para desplazar la pala en sentido de avance y retroceso en su respectiva guía de pala.

La energía recuperada a partir del flujo de agua por el rotor durante la operación se convertirá típicamente en corriente eléctrica por medio de un generador (no mostrado) conectado a un engranaje (no mostrado) que está conectado de nuevo al árbol 6 del rotor por medio de un árbol de salida 14.

El engranaje y el generador están protegidos contra los duros entornos reinantes bajo el agua en una carcasa 13 estanca al agua (figura 2), a partir de la cual un cable eléctrico (no mostrado) se extiende desde el generador hasta, por ejemplo, tierra.

En circunstancias normales, el rotor está girando de forma relativamente lenta bajo la influencia del agua circulante, que puede estar fluyendo a una velocidad de, por ejemplo, entre 10 y 100 m/min, con lo que la velocidad rotacional de un rotor que tenga un diámetro activo de 5 m no será de más de 0,5-5 rpm, mientras que un generador típicamente debe girar a, por ejemplo, 1.000-3.000 rpm. Por tanto, se requiere una alta relación de transmisión entre el rotor y el generador. La relación de transmisión puede establecerse, por ejemplo, por medio de un engranaje mecánico o hidráulico convencional.

La figura 3 muestra una segunda forma de realización de una central eléctrica que presenta un rotor 16 orientado horizontalmente alrededor de un eje de rotación 15 sumergido en un flujo de agua horizontal 3 y que se extiende transversalmente a este flujo. El rotor está apoyado giratoriamente en una base 17 situada sobre el fondo marino 5.

El rotor está constituido por un árbol 18 que presenta un total de 10 palas en resalte 19, estando montada cada una de ellas desplazantemente en una guía 20 de pala que se extiende radialmente y se extiende en dirección radial desde el árbol 18.

La base 17 se extiende en una curva - vista en sección transversal - desde el fondo marino 5 hasta el rotor, desde cada lado de este rotor, y forma así unas superficies de guía 10 para guiar el flujo de agua hacia el rotor y un escudo alrededor de la parte inferior del rotor.

Durante el funcionamiento, el flujo de agua afecta a cada una de las palas extendidas con una fuerza que crea un momento considerable, que cargará pesadamente la pala y la guía de pala asociada 20. Por tanto, como se aprecia mejor en la figura 3, dos de cada par de palas diametralmente opuestas 19 están interconectadas por medio de unas barras robustas 23 para distribuir el momento sobre dos guías de pala que están situadas ventajosamente a distancia una de otra, de modo que se obtenga un brazo de momento largo y se reduzcan de forma correspondiente las cargas en la pala en cuestión y su guía de pala.

Los bordes exteriores radiales de las palas 19 describen una cara envolvente 27 que, en este caso, se extiende simétricamente alrededor de un plano de simetría 29 que se extiende transversalmente al flujo de agua e incluye el eje 15 del rotor.

En un área formada simétricamente alrededor de la línea de intersección 28 entre el plano de simetría 29 y la cara envolvente 27, el rotor está cubierto por la base 17, que funciona así como un escudo que guiará el flujo de agua hacia fuera de dicha área de simetría, de modo que las palas en este área estarán por lo menos sustancialmente inactivas.

En el área opuesta del rotor 16 en la que las palas 19 son empujadas más o menos hacia el exterior de sus guías de pala 20, las palas, por el contrario, están activas. Por tanto, durante la influencia de la presión del agua circulante, las palas de esta área harán que el rotor gire en la dirección indicada por la flecha. Por tanto, el rotor está funcionando en este área como un motor que utiliza la energía del flujo de agua como propulsor.

En la forma de realización de la figura 3, las palas 19 son empujadas en sentidos de avance y retroceso en sus respectivas guías de pala por medio de unos rodillos 36 montados de manera giratoria en las palas y que se extienden en una guía circunferencial 37 en cada uno de los extremos de la misma durante la rotación del rotor. Las dos guías 37 son congruentes con la cara envolvente deseada 27, de modo que los bordes exteriores periféricos de las palas seguirán automáticamente esta superficie cuando el rotor está girando. Como las palas 19 están conectadas en pares a las barras 23, únicamente está dispuesto un rodillo para cada par de palas.

La figura 4 muestra una central eléctrica que comprende cuatro rotores 57 situados verticalmente en una hilera que se extiende desde una costa 58 en sentido transversal al flujo de agua 59, que, en la figura, está fluyendo de derecha a izquierda, pero que puede fluir de izquierda a derecha en otros casos. Los cuatro rotores están montados sobre una base de junta 60.

En esta forma de realización, la central eléctrica está funcionando al mismo tiempo como una protección costera efectiva.

La invención se ha descrito anteriormente y mostrado en el dibujo asumiendo que es la parte superior del rotor orientado horizontalmente la que está activa, mientras que la parte inferior está inactiva.

Sin embargo, dentro del alcance de la invención, puede ocurrir justamente también lo contrario, es decir que la parte superior del rotor esté inactiva y la parte inferior esté activa.

Según las condiciones en el área de flujo en cuestión, puede montarse además una celosía de malla más o menos fina (no mostrada) para proteger el rotor impidiendo que sea golpeado, por ejemplo, por madera a la deriva y que sean golpeados peces, animales y humanos por el rotor.

Claims (7)

1. Central eléctrica para utilizar la energía de un flujo de agua (3) que circula principalmente en dirección horizontal y que funciona cuando está en marcha por medio de por lo menos un rotor (2; 16) sumergido completa o parcialmente en el flujo de agua (3) y realizado en forma de un árbol (6; 18) que presenta una serie de palas en resalte (7; 19) y dispuesto alrededor de un eje de rotación (1; 15) de manera principalmente en sentido transversal a la dirección de flujo, y una guía de pala (8; 20) que se extiende principalmente en dirección radial para cada pala (7; 19) que sirve para alojar desplazantemente la respectiva pala (7; 19), comprendiendo la central eléctrica:

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unos medios para desplazar la pala (7; 19) en su guía de pala (8; 20) de tal modo que su borde exterior periférico describa una cara envolvente (12) durante cada una de las rotaciones del rotor, teniendo dicha cara envolvente una distancia mayor del eje de rotación en las áreas en las que la pala (7; 19) está afectada por la presión del flujo de agua (3) que en las áreas en las que éste no es el caso, y de tal modo que la cara envolvente (12) presente una forma cuando el flujo de agua (3) proceda de un lado del rotor (2; 16) y otra forma cuando el flujo de agua (3) proceda del otro lado del rotor (2; 16).

2. Central eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque los medios para desplazar la pala (7; 19) son neumáticos o hidráulicos.

3. Central eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque los medios para desplazar cada pala (7) en su guía de pala (8) comprenden una instalación neumática que presenta unos cilindros neumáticos para los bordes exteriores periféricos de las palas (7) describan dicha cara envolvente (12) durante cada una de las rotaciones del rotor (2).

4. Central eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque los medios para desplazar las palas (19) en las guías de pala (20) comprenden por lo menos una guía circunferencial (37) que es congruente con una sección transversal a través de la cara envolvente (27), y por lo menos un dispositivo de seguimiento (36) en por lo menos la mitad de las palas (7) para seguir la trayectoria de dicha por lo menos una guía circunferencial (37) durante la rotación del rotor (16), y porque cada dispositivo de seguimiento (36) comprende una corredera que se extiende axialmente o un cojinete que presenta un rodillo montado de forma giratoria.

5. Central eléctrica según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque las guías de pala (8) se extienden radialmente hacia el interior desde la periferia (9) del árbol, y porque la cara envolvente (12) es por lo menos principalmente coincidente con la periferia (9) del árbol a lo largo de un área que se extiende simétricamente por ambos lados de la línea de intersección (28), mientras que el resto de la cara envolvente (12) se extiende a distancia de la periferia (9) del árbol.

6. Central eléctrica según la reivindicación 3, caracterizada porque las guías de pala (20) se extienden radialmente hacia el exterior desde la periferia del árbol, porque está dispuesto un escudo que sigue la cara envolvente (27) a una distancia relativamente corta o nula en dirección longitudinal y transversal y está definido por un borde longitudinal (21a, b) a cada lado de la línea de intersección (28), y porque los dos bordes longitudinales (21a, b) están situados principalmente a la misma distancia de la línea de intersección (28).

7. Central eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque las guías de pala (8; 20) están situadas en pares diametralmente opuestos uno a otro, y porque las palas (7; 19) en dos guías de pala opuestas (8; 20) están interconectadas por lo menos por una barra (23).