ES2338851A1 - Planta para la explotacion de energia eolica. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una planta para la exploración de energía eólica con los dispositivos necesarios de captación, almacenamiento y aprovechamiento de dicha energía. Para la captación se utilizan aeroturbinas convencionales o de palas retráctiles, cuyo eje motriz hace girar las bombas que producen aceite hidráulico a presión, el cual se envía por tuberías hasta la superficie terrestre donde se almacena en cilindros, 14, cuyos pistones disponen de grandes pesos en cabeza, los cuales mantienen la presión constante del fluido encerrado. Este fluido puede utilizarse para mover motores con generadores, 15, o facturarse a consumidores, 16, situados en sus proximidades.

Description

Planta para la explotación de energía eólica.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una planta para explotación de energía eólica que comprende un conjunto de sistemas en una planta completa de captación, almacenamiento y aplicación de energía eólica. La planta incluye las aeroturbinas aplicables, los dispositivos necesarios para la conversión en energía oleohidráulica, la forma de almacenamiento y, también, las diferentes maneras de utilización de dicha energía.

La planta tiene un ámbito de aplicación general en el sector energético. Es muy apropiada en aplicaciones de energías renovables y especialmente donde sea posible la utilización directa de energía oleohidráulica a mecanismos de gran consumo energético, tales como grandes motores, prensas, plantas desaladoras, etc. y, desde luego, en el sector de generación eléctrica.

Antecedentes de la invención

El agotamiento progresivo de los llamados combustibles fósiles ha originado la búsqueda de cualquier otro recurso ostensible de producir energía. En nuestra atmósfera se originan naturalmente grandes movimientos de aire, cuya energía cinética puede ser captada por aeroturbinas y transformada en otras formas de energía. Antiguamente la navegación a vela y los persas utilizaron los primeros molinos (600 a.C.), y posteriormente también la fuerza del viento se utilizó en los típicos molinos de grano manchegos o en las bombas de agua holandesas.

Actualmente el uso más frecuente de las aeroturbinas está en los aerogeneradores eléctricos, que se instalan agrupados formando parques eólicos. Sin embargo, no es esta la única aplicación y son muy diversas las formas mediante las cuales hoy se pretende utilizar la fuerza del viento y múltiples las patentes que protegen los conocimientos técnicos alcanzados hasta la fecha.

Se ha procurado transformar la energía de las aeroturbinas en energía de aire a presión, US 2008/0047271 A1, o en aceites a presión, como la aeroturbina de velas US2007024058 que bombea aceite hasta la cimentación estando presurizado por un gas, o en energía potencial como WO20077001154 que utiliza la energía eólica para elevar agua a un depósito y utilizarla en turbinas hidráulicas.

Pero la aplicación de la fuerza del viento, tan variable y sin control posible, a la generación eléctrica, tiene un grave problema de almacenamiento, dada la imposibilidad de adaptar la producción a la demanda y todos estos desarrollos son formas parciales que no han llegado a ser una solución del problema, tal como la presente invención pretende.

Descripción de la invención

La presente invención, describe una planta para utilizar energía eólica en un momento en el cual el abastecimiento de energías ecológicas es fundamental para el desarrollo y la vida futura en nuestro planeta.

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La invención preconizada consigue las siguientes ventajas:

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El uso de energía oleohidráulica posibilita un método de almacenamiento, que, además, permite dotar a los caudales utilizados de una presión constante, lo cual representa una ventaja excepcional para los dispositivos que posteriormente han de aprovechar dicha energía. Esto significa que una energía altamente variable como la del viento se transforma en otra de poder equivalente pero de elevada calidad.

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Con la patente preconizada desaparecen los problemas de los aerogeneradores convencionales originados por las ráfagas, el llamado parpadeo (flicker), fluctuaciones de tensión, etc., e incluso el número de revoluciones de la aeroturbina, pues todas las posibles variaciones son absorbidas y estabilizadas por el propio sistema de almacenamiento.

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Utilización de mecanismos estándares, tales como bombas, motores, tuberías, etc., que reducen el coste de las instalaciones.

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Cuando se utilizan aeroturbinas de palas retráctiles se produce una importante mejora en el transporte y en la instalación. Para los generadores actuales y futuros se requieren grandes potencias, que necesitan palas de longitud considerable, lo cual dificulta el transporte y el montaje en una sola pieza, de aquí que tenga gran interés las palas con varios tramos, servidos desde fábrica ya montados dentro del primero. Igualmente, frente a vientos extremos las palas quedan completamente retraídas, reforzándose estructuralmente entre sí, y ofreciendo la menor resistencia al arrastre, lo que origina un mínimo momento al vuelco en la torre y en consecuencia menor necesidad de cimentación.

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Estas y otras ventajas se irán desprendiendo de la descripción que sigue. La presente invención se refiere a una planta para la explotación de la energía eólica que comprende una serie de sistemas situados en diversas zonas especializadas al fin propuesto de captación, almacenamiento, y aprovechamiento como energía oleohidráulica mediante generación o suministro a usuarios.

La captación de energía eólica puede realizarse con aeroturbinas de cualquier tipo, incluido las de eje vertical.

A continuación del buje de la aeroturbina un eje hueco transmite el par producido a la góndola. El tránsito de flujo y cables entre la zona estática de góndola y la de giro en la aeroturbina se realiza por la parte hueca del eje mediante un racor coaxial. Sucesivamente, sobre dicho eje se dispone un freno de seguridad, normalmente de discos con resorte y desacoplamiento hidráulico, y a continuación un multiplicador con diversos ejes secundarios de salida, dotados de sendos embragues de accionamiento hidráulico que terminan en las bombas principales.

El fluido utilizado en la patente preconizada para el bombeo puede ser cualquier líquido como el agua o un gas como el aire, pero por sus mejores características y por las grandes presiones de trabajo que permiten se eligen los aceites hidráulicos.

Al menos una de las referidas bombas principales será de caudal variable y todas tendrán una presión de funcionamiento constante. El sistema de mando informático determinará, a partir de la velocidad media de giro, del par disponible y de las prestaciones solicitadas, la entrada de la bomba de caudal variable y sucesivamente del resto de las bombas. La carga requerida a la aeroturbina, descontada la debida a la inercia, varía desde cero hasta el máximo establecido por el pleno funcionamiento de todas las bombas. Esto permite una entrada en servicio del aerogenerador oleohidráulíco a muy baja velocidad de viento y recoger toda la energía disponible conforme la velocidad media del viento progresa, hasta que la energía facilitada por la aeroturbina supere a la potencia nominal de bombeo, en cuyo caso entrará en funcionamiento el sistema de retracción de los tramos móviles en las palas retráctiles o el sistema de cambio de paso en las aeroturbinas con palas de un solo tramo.

La orientación de la góndola se produce por motores bidireccionales oleohidráulicos con divisor de flujo, actuando mediante los correspondientes piñones sobre la corona dentada fijada en la torre. Todas las partes metálicas estarán conectadas a una red de tierras sin perjuicio de la protección de pararrayos considerada necesaria.

La parte trasera de la góndola es ocupada por los acumuladores. Un acumulador oleohidráulico auxiliar a alta presión que permitirá el funcionamiento de las funciones auxiliares asignadas a la góndola aún cuando la aeroturbina esté parada. En esta última situación el caudal de retorno se almacenaría en otro acumulador de baja presión.

El flujo principal a alta presión y el de retorno, necesario para el funcionamiento de las bombas, pasan de góndola a torre por otro racor coaxial de flujo y cables.

A la altura de la superficie terrestre, sobre la tubería de alta presión se disponen una o varias derivaciones que conectan con el área de almacenamiento y regulación. Este almacenamiento de energía se realiza en una serie de celdas constituidas por cilindros verticales de suficiente diámetro que contienen el fluido a presión. Cerrando la base superior de cada cilindro se dispone un émbolo de longitud similar a la del cilindro, y los elementos de estanqueidad necesarios. Este émbolo soporta en su extremo superior un gran peso situado en contenedores. Estos contenedores de sección regular están construidos, al menos en su zona inferior, de hormigón armado. El peso se obtiene con materiales inertes como rocas, arena y tierra, cuya fuerza gravitatoria dividida por la superficie de la sección del cilindro que los soporta mostrará la presión de trabajo de todo el sistema a nivel del suelo. Las celdas de almacenamiento se colocan aisladas o en grupos bajo un mismo contenedor gravitatorio, siempre con simetría y equilibrio de cargas que garanticen la igualdad de presión en todos los cilindros. Este tipo de almacenamiento gravitatorio es el único que mantiene la presión constante en la tubería principal, tanto si la aeroturbina produce un caudal superior al demandado, en cuyo caso el émbolo ascenderá almacenando el exceso, como si el consumo supera la energía producida, en cuyo caso ha de cederlo, descendiendo el émbolo. Así se regula la presión para cualquier caudal demandado en el área siguiente de consumo y transformación, incluso cuando el viento esté en calma. La planta de almacenamiento descrito puede utilizarse para el almacenar energía con otros orígenes diferentes al indicado e incluso con otros tipos de fluidos, como aire.

El aprovechamiento de la energía lograda tiene múltiples aplicaciones. Se dispondrá normalmente de un área de generación eléctrica con diversos grupos, cada uno constituido por un motor oleohidráulico con su generador. Como se garantiza la presión para cualquier caudal demandado, el funcionamiento de los grupos será constante y, sincronizando la frecuencia, podrán conectarse directamente a red. Esta planta elimina el temible efecto de las variaciones en las ráfagas del viento, así como los armónicos, y cualquier otra variación ocasional, dando una tensión propia de un funcionamiento constante del generador.

La utilización directa de la energía oleohidráulica a máquinas de gran consumo tiene algunas ventajas y podrá preferirse a la alimentación eléctrica en circunstancias de proximidad de los centros de consumo a los de producción. Para tarifar la energía consumida con la planta oleohidráulica propugnada bastará con un contador volumétrico.

El líquido oleohidráulico, una vez ha pasado por los diferentes actuadores, se reunirá por los circuitos de retorno en un depósito regulador donde se decanta y posteriormente, mediante un grupo oleohidráulico se bombea, con caudal variable ajustado al consumo, hasta la góndola para ponerlo a disposición de las bombas principales que son accionadas por la aeroturbina. Así se completa el ciclo.

Sin embargo, son múltiples los dispositivos que no hemos indicado en esta descripción y que están incluidos es la invención propuesta, tales como filtros, veleta y sistema de orientación, algunos elementos de control como presostatos, indicadores de nivel de las celdas gravitatorias múltiples, diversos caudalímetros, elementos de mando como válvulas, reguladores de presión y de caudal, ...etc.

A todos estos elementos hay que añadir un centro de mando y control. El control y el mando a los diferentes actuadores de la instalación será informático, centrado o distribuido por áreas según convenga. Además, aquí se toman las decisiones de almacenamiento y suministro energético, tal como el momento de inyectar energía eléctrica a la red.

Adquiere especial relevancia la planta objeto de esta invención para los sistemas de generación llamados distribuidos cuando concurren circunstancias de déficit puntual de la red, en esta situación, y gracias al sistema de almacenamiento propugnado, puede aliviarse el desequilibrio. Evidentemente las ventajas se multiplican en los sistemas aislados, en los cuales puede garantizarse un suministro energético continuo.

Los aerogeneradores pueden instalarse aislados o agrupados en parques con parte de las instalaciones indicadas comunes, tales como el área de almacenamiento, la de generación, el depósito regulador y el centro de control.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 corresponde con una vista esquemática de una instalación completa según la planta propugnada. En ella pueden observarse las áreas más características y la disposición de sus elementos básicos. En el área de captación se indican las aeroturbinas, 11, con su góndola, 12, y torre, 13. La tubería principal, 19, de alta presión conecta con el área de almacenamiento, mostrándose diversas celdas tetracilíndricas, 14. El área de generación se ven varios motores con sus generadores, 15. Para tarifar el consumo oleohidráulico de usuarios se indica la posición del contador volumétrico, 16. Los circuitos de presión se dibujan en trazos continuos y discontinuos los de retorno, donde se encuentra el depósito, 17, y la bomba de retorno a las aeroturbinas, 18.

La Figura 2 muestra, también esquemáticamente, los elementos básicos de la góndola con los circuitos oleohidráulicos de la misma. El eje, 41, de la aeroturbina penetra en la góndola y a continuación se coloca un freno, 42, sigue la caja multiplicadora con dos o cuatro secundarios, 43, dotados de sendos embragues, 44, previos a las bombas principales, B_{1}, B_{2...4..6}. Un acumulador de alta presión, 45, los motores de orientación, 46, provistos de un divisor de flujo de orientación, 47. Además existe otro acumulador de baja, 48, y el conector rotativo principal, 49, y el secundario, 410, que garantiza el paso y retorno de fluido y cables a la aeroturbina, 411. Un motor, 412, permite la producción de la energía eléctrica de mantenimiento de góndola.

Las Figuras 3A, 3B muestran los componentes seccionados del área de almacenamiento, bien con celdas tetracelulares o únicas. Los cilindros de almacenamiento fluido, 51, disponen de émbolos, 52, cargados de grandes pesos, 53.

Descripción de una forma de realización preferente de la invención

A continuación se hace una descripción completa de una realización preferente, la cual se hará a título de ejemplo, con carácter no limitativo y susceptible de todas aquellas modificaciones de detalle que no alteren fundamentalmente sus características esenciales.

Se compone esta realización preferente de tres áreas bien diferenciadas: captación, almacenamiento y aprovechamiento de la energía oleohidráulica obtenida.

En la góndola, sobre el eje 41 se disponen, sucesivamente, un freno 42 de seguridad, normalmente de discos con resorte y desacoplamiento hidráulico y a continuación un multiplicador 43 con diversos ejes secundarios de salida, dotados de sendos embragues 44 de accionamiento hidráulico que terminan en las bombas principales B_{1...4} para iniciar el circuito oleohidráulico de alta presión. Al menos una de dichas bombas será de caudal variable y todas tendrán una presión de funcionamiento constante.

El arranque de la aeroturbina 11, tras una parada por falta de viento, se ejecuta con el freno 42 y los embragues 44 desacoplados, así, la energía necesaria para el arranque es mínima y una vez vencidas las fuerzas de inercia, entrará en funcionamiento la bomba de caudal variable, el cual se irá aumentando conforme la velocidad del viento lo permita. Sucesivamente entrarán las demás bombas, hasta que la energía facilitada por la aeroturbina supere a la potencia nominal de bombeo, en cuyo caso entrará en funcionamiento el sistema de retracción de los tramos móviles en las palas retráctiles.

El sistema de orientación de la góndola controla la marcha de los motores de orientación bidireccionales oleohidráulicos 46, regulados por un divisor de flujo de orientación 47, que actúan sobre piñones que engranan en la corona dentada de la torre 13.

En la parte trasera de la góndola se dispone un acumulador oleohidráulico auxiliar a alta presión 45, que junto con el de baja presión 48 para el circuito de retorno, permitirán el funcionamiento de todas las funciones auxiliares de góndola, aún cuando la aeroturbina esté parada.

Se dispone para la producción de energía eléctrica auxiliar en la aeroturbina un motor oleohidráulico con generador 412.

Cuando se pasa de una zona que gira o puede girar a otra estática, ha de utilizarse un racor, 49, coaxial de flujo y cables, así sucede para la conducción principal, 19, de alta presión que baja de la góndola por la torre y su retorno, e igualmente en el paso de fluido y cables desde góndola a la aeroturbina 410.

La alta presión utilizada con fluido oleohidráulico permite almacenar mucha energía en zonas relativamente pequeñas como en los cilindros reguladores 51. Se construyen con camisas de acero y cubiertos de hormigón armado. El émbolo 52 igualmente con cubierta de acero y hormigón en su interior, y los contenedores 53 de los pesos pueden ser simples o en celdas tetracilíndricas también de hormigón y placas enlazadas.

La energía que se produce en las aeroturbinas se convierte en otra a presión constante, regulada por los cilindros de almacenamiento, cualquiera que sea el caudal solicitado, y así se entrega al área de generación eléctrica 15. La sincronización en frecuencia de la corriente producida con la de red, se origina por regulación del caudal motriz sin necesidad de convertidores. De existir usuarios interesados puede suministrárseles fluido a presión y la facturación se realiza mediante un simple contador volumétrico 16.

Se requiere un circuito de retorno desde los actuadores al depósito regulador 17 y un bombeo 18 hasta la cima de las torres 13.

Claims (9)

1. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica caracterizada porque comprende:

1a)

medios de captación de energía eólica mediante aeroturbinas (11) configuradas para bombear un fluido oleohidráulico desde la góndola (12) y generar energía oleohidráulica;

1b)

medios de almacenamiento y regulación de energía oleohidráulica que comprenden una pluralidad de cilindros (51) verticales que tienen émbolos (52) y elementos de estanqueidad, donde en la cabeza de cada émbolo (52) hay un contenedor de pesos (53) configurado para ser rellenado de materiales densos distribuidos homogéneamente;

1c)

medios de aprovechamiento mediante sistemas seleccionados entre sistemas de generación (15), sistemas de servicio oleohidráulico (16) a usuarios y combinaciones de los mismos.

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2. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica, según la reivindicación 1, caracterizada porque sobre el eje (41) se colocan sucesivamente:

2a)

un freno (42) de seguridad y desacoplamiento hidráulico;

2b)

a continuación un multiplicador que tiene una pluralidad de ejes secundarios (43) de salida, dotados embragues (44) de accionamiento hidráulico que terminan en las bombas oleohidráulicas principales (Bi) donde comienza un circuito de alta presión.

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3. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica, según la reivindicación 2, caracterizada porque al menos una bomba oleohidráulica principal (B_{i}) es de caudal variable.

4. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica, según la reivindicación 3, caracterizada porque la aeroturbina (11) tiene un sistema de orientación en la góndola (12) configurado para actuar al menos sobre dos motores bidireccionales oleohidráulicos de orientación (46) regulados por un divisor de flujo de orientación (47), actuando piñones de los motores bidireccionales oleohidráulicos de orientación sobre una corona dentada de la torre (13).

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5. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica, según la reivindicación 4, caracterizada porque la góndola (12) comprende:

5a)

un acumulador oleohidráulico auxiliar a alta presión (45) en la parte trasera de la góndola;

5b)

un acumulador de baja presión (48) para el circuito auxiliar de retorno,

configurados para permitir el funcionamiento de todas las funciones auxiliares de góndola, aún cuando la aeroturbina (11) esté parada.

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6. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica, según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizada porque los cilindros (51) están seleccionados entre:

6a)

cilindros solos;

6b)

cilindros agrupados en celdas de al menos cuatro (14) elementos;

configurados para asegurar la misma presión en todos los cilindros (51), para permitir una regulación de presión en toda la red de alta presión (19).

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7. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica, según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizada porque el fluido para almacenar energía en los medios de almacenamiento está seleccionado entre aire, agua y aceite hidráulico.

8. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica, según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizada porque el origen de la energía que utiliza los medios de almacenamiento está seleccionado entre hidráulico, eléctrico y eólico.

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9. Planta oleohidráulica para la explotación de energía eólica, según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizada porque la utilización de la energía almacenada está seleccionada entre:

9a)

motores oleohidráulicos con generador eléctrico (15) con frecuencia de acoplamiento a la red regulada con el caudal de entrada al motor;

9b)

suministro a consumidores facturados por contadores volumétricos.