ES2391207B2

ES2391207B2 - Procedimiento y dispositivo generador asíncrono para la generación de energía hidroeléctrica

Info

Publication number: ES2391207B2
Application number: ES201200872A
Authority: ES
Inventors: Juan Carlos Saenz-Diez Muro; Emilio Jiménez Macías; Julio Blanco Fernández; Juan Manuel Blanco Barrero; Eduardo MARTÍNEZ CÁMARA
Original assignee: Universidad de La Rioja
Current assignee: Universidad de La Rioja
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: ES2391207A1

Abstract

Procedimiento y dispositivo generador asíncrono para la generación de energía hidroeléctrica, con el fin de mejorar el rendimiento de un sistema de generación de energía hidroeléctrica.

Description

Procedimiento y dispositivo generador asíncrono para la generación de energía hidroeléctrica.

La presente invención se engloba dentro de la ingeniería mecánico-eléctrica, y en el campo de la generación de energía hidroeléctrica, y específicamente en el de procedimientos y equipos para mejorar el rendimiento de un sistema de generación de

10 energía hidroeléctrica.

Base de funcionamiento de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de generación hidroeléctrica (2)

15 que consigue mejores rendimientos que los descritos en el estado de la técnica así como a un dispositivo generador asíncrono (1) cuyo rendimiento es mejor que los generadores asíncronos conocidos en el estado de la técnica para la aplicación de dicho procedimiento.

O Las turbinas se modelan por la denominada curva "Rendimiento-Caudal", para cada altura neta fija, ver Fig.l. Por debajo del 60% de carga, el rendimiento desciende linealmente hasta llegar al 0% para el 20% de carga (para ilustrar mejor el proceso nos estamos refiriendo a turbinas de reacción de tipo Francis pero es análogo para cualquier turbina tanto de acción como de reacción o de flujo mixto). Ello hace que

25 funcionar en regímenes de turbinado por debajo del 60% de carga dé rendimientos muy bajos, con el agravante de que habrá que parar la turbina para regímenes menores

o iguales al 20%. El procedimiento objeto de la invención preconiza una composición y operativa de tres turbinas acopladas al dispositivo generador objeto de la invención. El conjunto de 3 turbinas está formado por una de una unidad, otra de dos unidades y

O la tercera de tres unidades. La unidad a la que nos referimos, que es de caudal, puede 3

tomar cualquier valor concreto. Por ejemplo, si la unidad se fija en 1 m /s, tendremos 33 3

una turbina de 1 m /s, otra de 2 m /s y la otra de 3 m /s. Pero si la unidad se fija en 120 3 333

m /s, tendremos una turbina de 120 m /s, otra de 240 m /s y la otra de 360 m /s. A esas 3 turbinas individuales las denominamos Turbina 1, Turbina 2, y Turbina 3, 35 respectivamente. La Turbina 1+2+3, compuesta por la Turbina 1, la Turbina 2, y la

Turbina 3 funcionando bajo el procedimiento objeto de la invención, es óptima para conseguir que la potencia de la turbina equivalente sea de 6 unidades, y dicho escalado (1, 2, 3) permite trabajar con índices de carga altos y por lo tanto con rendimientos altos, ver Fig.2.

Los generadores asíncronos también son denominados generadores de inducción, debido a que en lugar de conexión eléctrica tienen sólo conexión magnética entre el inductor estatórico y el inducido rotórico. Los generadores asíncronos se modelan por la denominada curva "Rendimiento-Potencia", ver Fig.3. Por debajo del 25% de carga, 10 el rendimiento desciende linealmente hasta llegar al 0% para el 0% de carga. Ello hace que funcionar en regímenes de generación por debajo del 25% de carga dé rendimientos muy bajos. El dispositivo objeto de la invención preconiza un generador (que indistintamente para aplicaciones motrices puede funcionar como motor, ya que las máquinas de inducción son reversibles), el cual internamente está formado por tres 15 generadores funcionales, uno de una unidad, otro de dos unidades y el tercero de tres unidades, denominados "Gl ", "G2" Y "G3" respectivamente. La unidad a la que nos referimos, que es de potencia, puede tomar cualquier valor concreto. Por ejemplo, si la unidad se fija en 1 kW, tendremos un generador funcional de 1 kW, otro de 2 kW yel otro de 3 kW. Pero si la unidad se fija en 120 kW, tendremos un generador funcional 20 de 120 kW, otro de 240 kW y el otro de 360 kW. Eso sí, estos generadores son funcionales porque forman uno único. A nivel de funcionamiento el dispositivo funciona como tres generadores individuales (Gl +G2+G3) pero con la ventaja de que se puede hacer que funcionen conjuntamente y comparten elementos comunes. El escalado 1, 2, 3 es óptimo para conseguir que la potencia del generador equivalente sea

25 de 6 unidades y dicho escalado permite trabajar con índices de carga altos y por lo tanto con rendimientos altos, ver Fig.4.

En la Tabla siguiente se muestra la operativa para conseguir que un conjunto de turbinas 1+2+3, o un generador con disposición 1+2+3, sean equivalentes

3 O respectivamente a una máquina de hasta 6 unidades. Es importante comentar que podemos conseguir una potencia elevada (de turbinado y de generación) con un conjunto de máquinas pequeñas, pero que es el escalado 1,2,3, el que hace que se pueda conseguir además en 6 pasos para poder ir pasando por los rendimientos altos de cada máquina pequeña.

P Gl G2 G3 Q T1 T2 T3

o o O, o O, o O, o

--------------------------------r---------------------1

1 l O! O 1 i l O! O

-----------------: .--------------r---------------------r---------------------1

2 O 1 i O 2 i O 1 i O

-----------------: .-.------------r---------------------1----------------------1----------

3 O O i 1 3 i O O i 1

--------------------------------r---------------------1

, ,

: : : :

------: .--------------,-----------r-----------------------------------------

rr I II I

4 1 ¡ O ¡ 1 4 ¡ 1 i O i 1

---------------------: ,-----------r---------------------I-----------T----------I I

I I

5 O ¡ 1 : 1 5: O : 1 : 1

---------------------: ...-----------1-__ ------_ _ _ _----

1 1 1

6 1: 1 : 1 6: 1 : 1 : 1

En la Tabla anterior, la segunda opción para conseguir 3 unidades (tachada) se desestima porque su rendimiento es menor que la opción anterior (también para 5 conseguir 3 unidades).

Antecedentes de la invención

En el estado de la técnica son conocidos distintos procedimientos de generación de 10 energía hidroeléctrica, como por ejemplo, en los documentos 2233979_T3, 2334750_Al, ES-0190261_Al, ES-0374456_Al, así como de generadores asíncronos

o de inducción, en los documentos ES-2110110_T3, ES-2371155_T3, ES8309038_Al, EP2128440_Al.

15 Estos procedimientos de generación de energía hidroeléctrica presentan una problemática, que se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos: -Necesitan de elementos complejos. -Hacen que las turbinas funcionen en la zona de rendimientos bajos. -Cuando el caudal es inferior al mínimo técnico de la turbina, los procedimientos

2O hacen que haya que desconectar la turbina de la red y pararla para evitar rendimientos muy bajos, elevadas vibraciones, y excesiva cavitación que dañe el rodete.

Estos sistemas de generadores asíncronos o de inducción presentan una problemática, que se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos:

-Emplean elementos complejos. -Los generadores funcionan en la zona de rendimientos bajos.

El procedimiento y dispositivo que la invención propone resuelve de forma plenamente 5 satisfactoria las problemáticas anteriormente expuestas, en todos y cada uno de los diferentes aspectos comentados.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

10 La figura 1, muestra en un mismo gráfico las curvas "rendimiento-caudal" de: -una turbina denominada Turbina 1, de 1 unidad de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 2, de 2 unidades de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 3, de 3 unidades de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 6, de 6 unidades de caudal nominal.

15 La figura 2, muestra en un mismo gráfico las curvas "rendimiento-caudal" de: -una turbina denominada Turbina 1, de 1 unidad de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 2, de 2 unidades de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 3, de 3 unidades de caudal nominal.

2 O -una turbina denominada Turbina 6, de 6 unidades de caudal nominal. -un conjunto de tres turbinas según una implementación del procedimiento (2), objeto de la invención, denominado Turbina 1 +2+3, que emplea una Turbina 1, una Turbina 2 y una Turbina 3, y que es de 6 unidades de caudal nominal equivalente.

25 La figura 3, muestra en un mismo gráfico las curvas "rendimiento-potencia" de: -un generador de inducción denominado Generador 1, de 1 unidad de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 2, de 2 unidades de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 3, de 3 unidades de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 6, de 6 unidades de potencia nominal.

30 La figura 4, muestra en un mismo gráfico las curvas "rendimiento-potencia" de: -un generador de inducción denominado Generador 1, de 1 unidad de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 2, de 2 unidades de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 3, de 3 unidades de potencia nominal.

-: un generador de inducción denominado Generador 6, de 6 unidades de potencia nominal.

-: una realización del dispositivo (1), objeto de la invención, denominado Generador 1 +2+3, Y que es de 6 unidades de potencia nominal equivalente.

5 La figura 5, muestra una implementación del procedimiento (2), en la que se puede ver un gráfico de etapas-transición.

La figura 6, muestra un esquema de proceso, de una realización del dispositivo (1), así como de los distintos elementos necesarios para una implementación del 10 procedimiento (2).

La figura 7, muestra una vista del corte longitudinal de una realización del dispositivo (1).

15 DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA

La figura 1, muestra en un mismo gráfico las curvas "rendimiento-caudal" de: -una turbina denominada Turbina 1, de 1 unidad de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 2, de 2 unidades de caudal nominal.

2 O -una turbina denominada Turbina 3, de 3 unidades de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 6, de 6 unidades de caudal nominal. Puede observarse que el rendimiento es de 0% para caudales del 20% del caudal nominal de la turbina. El rendimiento asciende linealmente hasta llegar al 60% del caudal nominal de la turbina. En este tramo el rendimiento es bajo. Puede observarse

25 que, por ejemplo para 2 m/s, la Turbina 6, tiene un rendimiento de1 28%, y la Turbina 3, tiene un rendimiento del 82%.

La figura 2, muestra en un mismo gráfico las curvas "rendimiento-caudal" de: -una turbina denominada Turbina 1, de 1 unidad de caudal nominal.

3 O -una turbina denominada Turbina 2, de 2 unidades de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 3, de 3 unidades de caudal nominal. -una turbina denominada Turbina 6, de 6 unidades de caudal nominal. -un conjunto de tres turbinas según una implementación del procedimiento (2), objeto de la invención, denominado Turbina 1+2+3, que emplea una Turbina 1, una Turbina 2

3 5 Y una Turbina 3, y que es de 6 unidades de caudal nominal equivalente.

Puede observarse que la Turbina 1 +2+3, que es la Turbina 1, la Turbina 2, y la Turbina 3 funcionando bajo el procedimiento objeto de la invención, presenta rendimientos muy altos en el tramo en el que la Turbina 6 tiene rendimientos muy bajos.

5 La figura 3, muestra en un mismo gráfico las curvas "rendimiento-potencia" de: -un generador de inducción denominado Generador 1, de 1 unidad de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 2, de 2 unidades de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 3, de 3 unidades de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 6, de 6 unidades de potencia nominal.

10 Puede observarse que el rendimiento asciende linealmente hasta llegar al 25% de la potencia nominal del generador. En este tramo el rendimiento es bajo. Puede observarse que, por ejemplo para 1 kW, el Generador 6, tiene un rendimiento del 58%, y el Generador 3, tiene un rendimiento del 82%.

15 La figura 4, muestra en un mismo gráfico las curvas "rendimiento-potencia" de: -un generador de inducción denominado Generador 1, de 1 unidad de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 2, de 2 unidades de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 3, de 3 unidades de potencia nominal. -un generador de inducción denominado Generador 6, de 6 unidades de potencia nominal.

2 O -una realización del dispositivo (1), objeto de la invención, denominado Generador 1 +2+3, y que es de 6 unidades de potencia nominal equivalente. Puede observarse que el Generador 1+2+3, que es el dispositivo objeto de la invención, presenta rendimientos muy altos en el tramo en el que el Generador 6 tiene rendimientos muy bajos.

25 La figura 5, muestra una implementación del procedimiento (2), en la que se puede ver un gráfico de etapas-transición. Puede observarse que el procedimiento se inicia con la etapa "INICIO" 2000, que mide el caudal a turbinar "Q" y mantiene los embragues, las turbinas y el generador a OFF. Según que el caudal medido esté entre

3 O diferentes rangos, se activarán las diferentes etapas indicadas en el gráfico. Cuando una etapa se activa acciona los elementos que están conectados a ella. Cuando se da la condición de paro o alguna condición de avería, que se ha denominado "KO", se vuelve a la etapa de "INICIO" y se pasan los embragues, las turbinas y el generador a OFF.

La figura 6, muestra un esquema de proceso, de una realización del dispositivo (1), así como de los distintos elementos necesarios para una implementación del procedimiento (2). Puede observarse en la parte central el dispositivo objeto de la invención (1), que es un generador de inducción compuesto por tres generadores 5 funcionales denominados G 1, G2 Y G3. Se dispone de dos ejes mecánicos, el eje externo izquierdo 104 y el eje externo derecho 105. Al eje externo izquierdo 104, se conecta un multiplicador 43, que mediante un embrague 33, se acopla la turbina 13, denominada Turbina 3 ó "T3". Al eje externo derecho 105, se conecta un multiplicador 412, que dispone de dos salidas, y que mediante un embrague 31, se acopla la turbina 10 11, denominada Turbina 1 ó "TI" Y que mediante un embrague 32, se acopla la turbina 12, denominada Turbina 2 ó "T2". Los embragues son elementos cualesquiera, conocidos en el estado de la técnica, y permiten en este caso acoplar o desacoplar mecánicamente una turbina a su correspondiente eje de transmisión. Los multiplicadores son elementos cualesquiera, conocidos en el estado de la técnica, y

15 permiten en este caso adecuar la velocidad de rotación de una turbina con la de su correspondiente eje de transmisión.

La figura 7, muestra una vista del corte longitudinal de una realización del dispositivo (1), objeto de la invención. Se puede observar que se dispone de un inducido rotórico 2 O formado por tres núcleos de jaula de ardilla 103, 102, 101, dispuestos en un eje interior único 100, que cuando sale de la carcasa 106, que presenta globalmente una simetría de revolución, se denomina eje externo izquierdo 104, Y eje externo derecho 105, soportados ambos ejes por sendos cojinetes izquierdo 107, Y derecho 108. Se dispone de un inductor estatórico formado por tres núcleos, 203, 202, 201, en el que se alojan 25 sendos bobinados, normalmente trifásicos, 303, 302, 301 Y que se conectan a sus respectivas cajas de conexiones 403, 402, 401. El rotor de jaula de ardilla 103, el núcleo estatórico 203, el bobinado 303 y la caja de conexiones 403, forman el subconjunto descrito como "Generador 3" ó "G3". El rotor de jaula de ardilla 1 02, el núcleo estatórico 202, el bobinado 302 y la caja de conexiones 402, forman el

30 subconjunto descrito como "Generador 2" ó "G2". El rotor de jaula de ardilla 101, el núcleo estatórico 201, el bobinado 301 y la caja de conexiones 401, forman el subconjunto descrito como "Generador 1" ó "G 1 ". El generador equivalente tendrá una potencia suma de la de sus tres subconjuntos G3 + G2 + G 1, es decir G6, y tendrá 6 unidades de potencia, y su relación de potencias es de 3 :2: l.

Claims

Reivindicaciones

l. Procedimiento para la generación de energía hidroeléctrica (2), mediante el empleo de un dispositivo generador asíncrono (1), que mejora el rendimiento

5 de una central hidroeléctrica cualquiera estando caracterizado dicho procedimiento porque comprende al menos las siguientes etapas:

-Medir el caudal a turbinar "Q". -Relacionar dicho caudal "Q" con unos valores de turbinado previamente

10 establecidos. -Obtener el accionamiento de las turbinas II y/o 12 y/o 13, mediante sendos embragues 31,32, 33, a través de los multiplicadores 43, 412. -Obtener el accionamiento del dispositivo generador asíncrono (1), activando "GI" y/o "G2" y/o "G3", generadores funcionales que forman parte indivisible

15 de dicho dispositivo generador asíncrono (1), obteniéndose 6 pasos de potencia, siendo éstos 1,2,3,4,5 Y 6.

y porque dicho procedimiento emplea unas turbinas 13, 12, II con una relación de caudal nominal de 3:2: 1.
2. Dispositivo generador asíncrono para la generación de energía hidroeléctrica (1), que pone en obra el procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque consta de:

25 -Una carcasa 106, que presenta globalmente una simetría de revolución, y en cuyo interior hay:

-

Un primer rotor de jaula de ardilla 103, un segundo rotor de jaula de ardilla 102 Y un tercer rotor de jaula de ardilla 10 1, cuyos diámetros son idénticos pero 3 O presentan diferente longitud para que su relación de potencias sea de 3:2: 1, estando montados los tres en un eje interior único 100.

-

Un primer núcleo estatórico 203 con su correspondiente bobinado 303, un segundo núcleo estatórico 202 con su correspondiente bobinado 302, y un 35 tercer núcleo estatórico 20 I con su correspondiente bobinado 301, cuyos

diámetros son idénticos pero presentan diferente longitud para que su relación de potencias sea de 3:2:1, existiendo correspondencia con los rotores descritos anteriormente.

5 Exteriormente a la carcasa 106, existen el eje externo izquierdo 104, y el eje

-

externo derecho lOS, que forman un único cuerpo con el eje interior único lOO y también están las cajas de conexiones 403, 402, 401.

y porque el generador asíncrono dispone de 6 pasos de potencia, siendo éstos 1, 10 2, 3, 4, 5 Y 6.