ES2938448B2

ES2938448B2 - Generador electrico piezo-hidraulico

Info

Publication number: ES2938448B2
Application number: ES202330079A
Authority: ES
Inventors: Gil Daniel Serrano
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-02-03
Filing date: 2023-02-03
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2043-02-03
Also published as: ES2938448A1

Description

DESCRIPCIÓN

GENERADOR ELÉCTRICO PIEZO-HIDRÁULICO

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se enmarca dentro del sector de los sistemas de generación de energía.

Más concretamente, se enmarca dentro de los sistemas de generación de energía que pueden ser utilizados de manera aislada, sin requerir complejas instalaciones, y que ocupan un espacio reducido, pudiendo ser utilizados por cualquier dispositivo o máquina, como por ejemplo vehículos de transporte. Siendo un sistema que se caracteriza por poder generar energía al margen de las condiciones ambientales, que se puede emplear las 24 horas del día y los 365 días del año sin ningún tipo de fluctuación, con un reducido impacto ambiental y una mínima generación de residuos, que en su mayor parte pueden ser reciclados.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto principal de esta invención es mejorar y dotar de mayor versatilidad la invención con número de solicitud P202231047 cuya titularidad es del mismo solicitante, ya que amplia notablemente los campos de aplicación donde se puede utilizar dicha invención, especialmente en los campos donde tanto el peso, el lugar más apropiado para su instalación, así como la posición de funcionamiento pueden ser factores limitantes para su utilización, tal y como ocurriría si se deseara instalar la invención en ciertos vehículos de transporte.

Uno de los objetos principales de la invención es la obtención de energía eléctrica de forma eficiente, productiva y barata, en comparación con los medios actuales, con el objetivo de frenar el cambio climático. Algo que en este momento parece muy complicado debido a que la capacidad de generación de las energías renovables es muy inferior a las necesidades energéticas mundiales, lo que obliga a seguir utilizando las energías que funcionan con combustibles fósiles para cubrir ese déficit.

Otro de los objetos de la invención es paliar la hambruna del tercer mundo, gracias a que mediante la energía abundante, limpia y barata que puede generar la invención, se podría transportar el agua del mar mediante grandes bombas a grandes distancias, en países donde la sequía provocada por el cambio climático está haciendo estragos, y construir multitud de desaladoras en lugares desérticos para que la salmuera desechada no perjudique ningún ecosistema y desde allí reconducir el agua para su uso para la población y los cultivos.

Otro de los objetos de la invención es impulsar la exploración espacial, gracias a que mediante su gran capacidad de generación de energía eléctrica, y su reducido tamaño en comparación con las placas solares que se utilizan actualmente en los satélites y en la Estación Espacial Internacional, permitiría el empleo de grandes propulsores iónicos, mucho más eficientes que los propulsores químicos, pero que necesitan una enorme cantidad de energía eléctrica, para poder proporcionar el empuje que necesitaría una gran nave espacial para viajar a otros planetas como Marte.

Por último, otro de los objetos de la invención es reducir el impacto ambiental que implican algunas de las instalaciones de generación de energía renovable, como son las grandes extensiones de placas solares o el impacto visual de los aerogeneradores en el medio ambiente y el riesgo que conllevan para las aves debido a su enorme tamaño y altura, ya que los generadores eléctricos piezo-hidráulicos tienen una capacidad de generación muy alta por m2 y se pueden ubicar en instalaciones subterráneas, con un mínimo impacto ambiental.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad, es ampliamente conocido el problema energético mundial, en el que las únicas alternativas a la generación tradicional (centrales hidroeléctricas, centrales térmicas, o centrales nucleares), reside en la utilización de energías renovables, como la solar o la eólica.

Por un lado, la combustión del gas y del carbón en las centrales térmicas genera una gran cantidad de emisiones contaminantes, que contribuyen al calentamiento global del planeta y al cambio climático, además de incrementar los riesgos para la salud de los seres vivos expuestos a dichas emisiones.

Por otra parte, las centrales nucleares generan residuos radioactivos peligrosos, que requieren de un almacenamiento de alta seguridad en instalaciones preparadas para evitar que la radiación pueda escapar y alcanzar a los seres vivos. Todo esto supone unos costes muy elevados y un espacio que deberá de permanecer controlado durante cientos o miles de años, hasta que los residuos hayan perdido la mayor partes de su radioactividad.

Por tanto, las energías renovables se imponen como la única solución para evitar o minimizar la generación de residuos o de emisiones contaminantes, y frenar el cambio climático. Es por ello que aparecen como alternativa clara y necesaria frente a la generación eléctrica tradicional, siendo tanto la energía solar, como la eólica, fuentes energéticas infinitas que no generan contaminación de manera directa.

Sin embargo, estas energías renovables son completamente dependientes de las condiciones climáticas, ya que la generación de energía está relacionada con las horas de radiación solar o con la existencia de viento dentro de unos parámetros de velocidad específicos. También es relevante destacar el impacto visual que provocan los generadores eólicos o los parques solares en el medio ambiente, incluyendo los riesgos que representan los generadores eólicos para las aves, debido a sus grandes dimensiones.

Particularmente, una de las principales aplicaciones de la generación eléctrica anteriormente comentada, es la utilización de la electricidad para recargar baterías que permitan el funcionamiento de dispositivos eléctricos y/o electrónicos sin necesidad de estar conectados a la red eléctrica de manera continua.

Concretamente, la utilización de la energía eléctrica para la recarga de baterías, es fundamental en su aplicación en los vehículos de transporte, como pueden ser los automóviles, los trenes, o los barcos, que funcionan o podrían funcionar mediante la utilización de motores eléctricos, que deben estar alimentados mediante unos medios de almacenamiento de energía eléctrica, comúnmente baterías de litio o similar.

Es por ello que una gran parte de la energía eléctrica generada mediante los métodos de generación eléctrica conocidos, se destina directamente a la recarga de baterías que se utilizarán en dispositivos que no pueden estar conectados constantemente a la red eléctrica.

Atendiendo al razonamiento anterior, y para poder cubrir las necesidades energéticas mundiales, se hace necesaria la aparición de un sistema de generación eléctrica, que no emita gases contaminantes y de efecto invernadero, que no dependa de recursos finitos, y que no subordine la generación eléctrica a unas condiciones climáticas definidas.

En este sentido, pertenece al estado de la técnica el fenómeno de la piezoelectricidad, entendido como una característica de determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, adquieren en su masa una polarización eléctrica, apareciendo una diferencia de potencial con cargas en su superficie.

Esto se debe a que los materiales piezoeléctricos carecen de centro de simetría, por lo que cualquier compresión provoca una disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas, apareciendo dipolos elementales y generando cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.

En el campo de los materiales piezoeléctricos, pertenecen al estado de la técnica las pilas piezoeléctricas, que comprenden una construcción cerámica monolítica de una pluralidad de capas piezoeléctricas delgadas, que puede conectarse eléctricamente tanto en paralelo, como en serie, obteniendo una alta eficiencia de conversión de energía, y una respuesta rápida.

Así mismo, podemos encontrar también en el estado de la técnica, otros materiales con características similares a los piezoeléctricos, esto es, materiales que generan una diferencia de potencial a partir de una presión con su correspondiente deformación, como los ferroeléctricos.

Pertenece también al estado de la técnica, la generación de energía eléctrica mediante elementos piezoeléctricos debido a la diferencia de potencial y a la corriente inducida en ellos cuando son sometidos a un ciclo de presión o deformación, seguido de una fase de relajación, durante un tiempo y una frecuencia definidos. A este fenómeno se le denomina comúnmente bombeo piezoeléctrico, y podría ser utilizado, por ejemplo, en la carga de una batería.

Una de las posibles aplicaciones del bombeo piezoeléctrico se testó en Israel por la Asociación de Transporte Medioambiental de Inglaterra, mediante una instalación con multitud de elementos piezoeléctricos colocados bajo el asfalto de una autopista, que al ser atravesada por una gran cantidad de vehículos, fue capaz de generar una potencia de 400 KW. Este sistema, aprovechaba la fuerza peso y el desplazamiento de los vehículos para generar energía mediante el bombeo piezoeléctrico.

En aplicación de los anteriores principios, se han desarrollado diferentes soluciones de generación piezoeléctrica destinados a ser incluidos en los neumáticos de un vehículo, con el objetivo de ofrecer una mayor autonomía a los vehículos eléctricos, o para alimentar algunos dispositivos como sensores de presión situados en los neumáticos ya que, durante el rodaje de los mismos se produce un constante cambio en el punto de apoyo, generando variaciones de presión que pueden ser utilizadas para generar el bombeo piezoeléctrico y la generación de electricidad.

Es decir, estos sistemas tratan de utilizar la rotación de los neumáticos, que cada vez se apoyan en un punto diferente de su perímetro, para aplicar una presión alterna con una frecuencia determinada por la velocidad del vehículo, provocando el bombeo piezoeléctrico y logrando una generación de energía eléctrica.

En un ejemplo de lo anterior, la compañía Goodyear® presentó un prototipo de un neumático capaz de generar energía eléctrica, ya que su cubierta tiene la capacidad de transformar el calor, las deformaciones y las vibraciones que se generan durante el rodaje del vehículo en electricidad. Para lograrlo, la cubierta comprende dos tipos de materiales, uno termoeléctrico, que transforma el calor generado por el neumático en energía eléctrica, y otro piezoeléctrico, que convierte la deformación causada por la presión sobre el asfalto y las vibraciones en energía eléctrica.

En otro ejemplo de aplicación de los elementos piezoeléctricos para la generación de energía eléctrica en los neumáticos de un vehículo, encontramos el documento ES1192308U, en el que se describe un sistema para generar energía eléctrica con módulos piezoeléctricos incorporados en un sistema situado entre el neumático y la llanta de un vehículo, que está caracterizado porque comprende al menos un módulo piezoeléctrico ubicado en la pared interna de un neumático, dispuesto para generar energía eléctrica a partir de la energía mecánica producida cuando gira dicho neumático y el contacto de este contra el suelo, que provoca una presión transmitida al citado módulo piezoeléctrico, dispuesto para dirigir la energía eléctrica hacia un sistema de extracción.

Los sistemas anteriormente descritos requieren de un contacto directo entre la cubierta del neumático y el elemento piezoeléctrico, es decir, describen sistemas en los que los elementos piezoeléctricos se localizan en el perímetro del neumático, de manera que, para cada posición de giro del mismo, se presione un elemento piezoeléctrico determinado, liberándolo en una posición siguiente. Como se ha comentado anteriormente, esto logra que se aplique presión sobre los elementos piezoeléctricos con una frecuencia determinada, y por tanto, se consigue el bombeo piezoeléctrico.

Sin embargo, la fuerza aplicada a los elementos piezoeléctricos está limitada por el peso del vehículo, y esto implica que la energía generada no sea suficientemente grande como para alimentar totalmente al motor eléctrico del vehículo. Por lo que, el sistema incrementaría la autonomía del vehículo, pero de forma muy limitada.

Así mismo, al tener los elementos piezoeléctricos en el perímetro del vehículo, la frecuencia de aplicación de la presión sobre los mismos, está determinada por la velocidad de giro del neumático, directamente relacionada con la velocidad de avance del vehículo.

Esto quiere decir que la generación de energía eléctrica será diferente cuando el vehículo eléctrico circule por zona urbana o por una autopista. Pudiéndose dimensionar los elementos piezoeléctricos para que funcionen en su punto óptimo únicamente para una velocidad de avance del vehículo determinada.

Ante esta situación, se hace necesario un sistema de generación eléctrica mediante bombeo piezoeléctrico, aplicado a la alimentación de un vehículo eléctrico, que sea suficiente para lograr su completa autonomía. Es decir, que no únicamente sea un sistema de ayuda a la recarga de las baterías del vehículo, y a un aumento limitado de su autonomía, sino que logre incrementar su autonomía por encima de la de los vehículos con motor de combustión interna.

De lo anteriormente explicado, se extrae la necesidad de un sistema de generación de energía eléctrica mediante elementos piezoeléctricos, que aproveche la atracción de la gravedad, a través de la fuerza peso, para la generación de electricidad, entendiendo que la atracción de la gravedad es una constante infinita, invariable e independiente de las condiciones climáticas, lo que la convierte gracias al fenómeno de la piezoelectricidad en la mayor fuente de energía renovable del planeta.

Para resolver este problema, el mismo solicitante es titular de una patente de invención con número de solicitud P202231047, en la que se describe un generador eléctrico que aprovecha la atracción gravitatoria para presionar unos elementos piezoeléctricos, mediante la utilización de un sistema que comprende una carcasa cilíndrica con medios de almacenamiento de un fluido, que en su conjunto conforman una pluralidad de compartimentos, de los que se extrae parte del fluido contenido en su interior a través de una presión ejercida por el propio peso del conjunto, apoyado sobre unos medios de aplicación de presión; donde el fluido es reconducido a través de unas conducciones adecuadas para dicho fluido, hacia una válvula de distribución, y desde dicha válvula hasta una pluralidad de cilindros hidráulicos, que aplicarán la fuerza directamente sobre los elementos piezoeléctricos que, por la deformación sufrida, generarán una gran cantidad de energía eléctrica que se extrae del sistema para acondicionarla y su posterior almacenamiento y/o vertido a la red eléctrica general.

Sin embargo, el sistema descrito en la anterior patente de invención del mismo solicitante, no permite su utilización en condiciones diferentes, es decir, únicamente se puede utilizar en posición vertical y en condiciones estables del dispositivo, en las que la fuerza de atracción gravitatoria siempre sea vertical con respecto a la carcasa cilíndrica, por lo que no tendría una utilización práctica en determinadas aplicaciones, como por ejemplo un barco sometido a las oscilaciones del mar, o en aplicaciones para el sector espacial donde no existe la gravedad, o es muy reducida, tal y como ocurre en la luna.

Es por ello que aparece la necesidad de mejorar el sistema descrito en la patente de invención del mismo solicitante, a partir de un nuevo generador eléctrico que pueda funcionar en cualquier posición y sin atender a unas condiciones de estabilidad del propio dispositivo, de forma que pueda ser utilizado en cualquier circunstancia, y sin que su masa y la fuerza de gravedad influyan en su eficiencia.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El generador eléctrico piezo-hidráulico y el procedimiento de funcionamiento asociado que la invención propone se configura, pues, como destacable novedad dentro de su campo de aplicación, ya que, a tenor de su implementación y de manera taxativa se alcanzan los objetivos a continuación señalados, estando los detalles caracterizadores que lo hacen posible y que los distinguen, convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente descripción.

Concretamente, la presente invención plantea lograr un generador eléctrico que utilice la aplicación de presión y fuerza sobre elementos piezoeléctricos, u otros materiales de similares características, a partir de la actuación de unos medios de aplicación de una presión.

Para lograr la generación de energía eléctrica, la presente invención constará de dos sistemas diferentes: un sistema de recirculación de un fluido desde el perímetro de una carcasa cilíndrica hasta un elemento de distribución del flujo del fluido; y un sistema de aplicación de presión que actúa de forma alternativa sobre los elementos piezoeléctricos.

En el primer caso, se empleará la rotación de una carcasa cilíndrica que sustenta una estructura cilíndrica hueca, que comprende medios de almacenamiento de un fluido, que en su conjunto conforman una pluralidad de compartimentos de almacenamiento de un fluido, que estarán en contacto directo con unos medios de aplicación de una presión, configurados para transmitir el movimiento de rotación a la carcasa cilíndrica y para aplicar una fuerza y, por tanto, una presión sobre los medios de almacenamiento del fluido.

Mediante el movimiento de rotación, y utilizando la fuerza aplicada por los medios de aplicación de una presión, se ejercerá una presión sobre los compartimentos llenos de fluido que se encuentren en la zona en contacto directo con los citados medios, provocando una reducción del volumen interior de los compartimentos, lo que a su vez provoca un incremento de la presión interna de los compartimentos, y un desplazamiento del fluido contenido en el interior de los compartimentos.

Es decir, la carcasa cilindrica comprenderá un movimiento de rotación accionado por los medios de aplicación de una presión, que, además de trasladar el movimiento de rotación a la carcasa cilindrica, aplicarán una presión sobre los medios de almacenamiento del fluido, de forma que el volumen interno de los compartimentos de almacenamiento se reducirá por la acción de la fuerza aplicada por los medios de aplicación de una presión, provocando un incremento de la presión en el interior de los compartimentos y, por tanto, un desplazamiento del fluido contenido en su interior.

Este fluido se redirigirá a través de unas conducciones hasta una válvula de distribución central, situada en el interior de la estructura cilíndrica hueca, que será la encargada de reconducirlo y distribuirlo de forma alternativa hasta los sistemas encargados de aplicar la presión sobre los elementos piezoeléctricos, que, de forma preferente aunque no limitativa, serán cilindros hidráulicos.

El segundo sistema parte, como se ha comentado, de la válvula de distribución, que recibirá el fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento que en ese momento estén en contacto directo con los medios de aplicación de una presión, y que serán los que soporten toda la presión ejercida por los medios de aplicación de una presión.

La válvula de distribución estará conectada con al menos dos cilindros hidráulicos, que transforman la energía del fluido desplazado en una fuerza de presión sobre los elementos piezoeléctricos.

Es necesaria la utilización de al menos dos cilindros hidráulicos para lograr una presión de forma alterna sobre los elementos piezoeléctricos, ya que, como es conocido en el estado de la técnica, es necesaria la aplicación de una carga, seguida de una posterior liberación de dicha carga para lograr la generación de electricidad.

De esta forma, la válvula de distribución conducirá el fluido a un número determinado de cilindros hidráulicos, permaneciendo el resto liberados, de forma que los primeros presionarán sus correspondientes elementos piezoeléctricos, mientras que los restantes permanecerán en reposo. Para lograr este efecto, en cada posición de rotación de la carcasa cilíndrica, estarán seleccionados los cilindros hidráulicos que deberán trabajar y los cilindros hidráulicos que deberán permanecer en reposo, alternándose esta característica en una posición siguiente. Esto permite lograr una carga y una liberación alternativa de los elementos piezoeléctricos.

Con los dos sistemas anteriores, se genera energía eléctrica a partir de la rotación de una carcasa cilíndrica rodeada en su perímetro exterior por medios de almacenamiento con fluido en el interior de sus compartimentos, y la realización de una fuerza sobre los compartimentos de los medios de almacenamiento , ejercida por unos medios de aplicación de una presión, que giran de manera solidaria con la carcasa cilíndrica debido al contacto directo, el rozamiento y a la presión que ejercen sobre los medios de almacenamiento y sus compartimentos con fluido que rodean la carcasa cilíndrica.

El generador eléctrico piezo-hidráulico podrá ser utilizado tanto como sistema propio de generación de energía, conectándolo de manera directa a un dispositivo eléctrico o electrónico, como en combinación con una batería de almacenamiento de energía que alimenta al dispositivo eléctrico o electrónico para su correcto funcionamiento.

Para lograr ejercer una presión sobre los medios de almacenamiento y sus compartimentos que rodean el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica mediante su contacto con los medios de aplicación de una presión, la presente invención comprende una estructura configurada para aplicar una presión constante sobre los medios de almacenamiento de un fluido y sus compartimentos en rotación, que sustentará un elemento también en rotación solidaria, como puede ser un rodillo o una rueda dentada.

En un modo de llevar a cabo la invención, la estructura comprenderá al menos un soporte para un rodillo que actuará como medio de aplicación de una presión al que se le aplica un movimiento de rotación mediante un motor eléctrico, motorreductor o similar, debido a que el rodillo se encuentra suspendido en la estructura mediante un eje y al menos un par de rodamientos. El movimiento de rotación, tal y como se ha comentado anteriormente, se trasladará a la carcasa cilíndrica debido a la presión y a la fuerza de rozamiento entre una cámara flexible que rodea el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica, y cuyo interior está dividido en una pluralidad de compartimentos que contienen un fluido y el rodillo.

El motor que imprime el movimiento de rotación solidaria tanto a la carcasa cilíndrica, como al rodillo, podrá estar acoplado a cualquiera de ellos indistintamente.

De acuerdo a este modo de llevar a cabo la invención, se tiene un rodillo que ejerce una fuerza contra los compartimentos de la cámara flexible, ejerciendo una presión que disminuye el volumen interno de los compartimentos de la cámara flexible; y que comprende un movimiento de rotación que se traslada a la carcasa cilíndrica, de manera que para cada posición de giro se estén presionando unos compartimentos diferentes.

Así mismo, para obligar a que la cámara flexible esté en contacto continuo con el rodillo, logrando que el rodillo ejerza una presión constante sobre los compartimentos de la cámara flexible, la estructura comprenderá al menos dos vástagos, uno a cada lado de la carcasa cilíndrica, unidos mecánicamente con el soporte del rodillo, y estando al menos uno de ellos unido al eje del elemento cilíndrico, permitiendo el libre movimiento de rotación trasladado por el rodillo.

Los vástagos comprenderán, de manera preferente, medios de variación de la distancia entre el eje de la carcasa cilíndrica y el rodillo, como por ejemplo un roscado en el vástago y una tuerca de apriete, de manera que al roscar la tuerca en el vástago se logre disminuir la distancia entre el eje de la carcasa cilíndrica y el rodillo, aumentando la presión ejercida sobre los compartimentos internos de la cámara flexible.

Por otra parte, para mantener la estabilidad del conjunto, los vástagos estarán unidos en su parte superior, mediante un elemento longitudinal, como por ejemplo una placa metálica rígida, evitando el contacto con la carcasa cilíndrica para no interferir en el giro libre de la misma, y manteniendo el paralelismo entre los dos vástagos utilizados.

De esta manera logramos un generador eléctrico cuya capacidad de generación dependerá en parte de la presión ejercida sobre los compartimentos internos de la cámara flexible, lo que provocará un incremento de presión en el circuito hidráulico, y por tanto un incremento en la cantidad de energía generada. Esto depende de la presión entre el rodillo y los compartimentos de almacenamiento de fluido de la cámara flexible, que se regulará utilizando las tuercas y los vástagos con el extremo roscado. De forma que, conforme se aprieten las tuercas, se aumentará la presión en el interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido de la cámara flexible y, por tanto, se aumentará la cantidad de energía generada.

Esta característica permite al generador eléctrico piezo-hidráulico trabajar en posición horizontal, y ser fabricado con materiales más ligeros, ya que en este caso la masa no influye en la cantidad de energía generada. Por lo que su ámbito de aplicación aumenta gracias a las posibilidades de instalación en cualquier vehículo.

De manera alternativa al modo de llevar a cabo la invención anterior, existen otras posibilidades descritas en la realización preferente de la presente memoria, como la utilización de un conjunto de cilindros hidráulicos perimetrales que son presionados por una rueda dentada.

Un ejemplo claro de aplicación lo encontramos en la instalación del generador eléctrico piezohidráulico en el sector de la automoción y el transporte terrestre en general, donde el generador puede instalarse en posición horizontal en cualquier parte del vehículo, como por ejemplo el maletero, adaptando sus dimensiones finales al alojamiento en el que se instala. Lo que supone un ahorro en costes, ya que un solo generador podría generar suficiente energía eléctrica para abastecer al vehículo.

Otra ventaja la encontramos en que el funcionamiento del generador eléctrico piezo-hidráulico no depende de la velocidad de avance del vehículo, tal y como se contemplaba en la patente de invención con número de solicitud P202231047, ya que está accionado mediante un motor eléctrico independiente que girará a velocidad constante, por lo que no será necesario un sistema de precarga que ajuste la frecuencia de resonancia de los elementos piezoeléctricos a la velocidad de avance del vehículo. Adicionalmente, al no depender de la velocidad de avance del vehículo, se podrá realizar la recarga de las baterías incluso cuando éste se encuentre detenido, siempre y cuando el motor eléctrico de accionamiento del rodillo permanezca conectado.

Por último, cabe destacar que al estar instalado en un alojamiento destinado a tal efecto, el generador eléctrico piezo-hidráulico estará protegido frente a los riesgos de recibir un impacto con elementos del terreno, como piedras, bordillos o baches.

Otro ejemplo de aplicación se encuentra en la posibilidad de incluir una pluralidad de generadores en una instalación dedicada exclusivamente a la generación de electricidad, como se hace con los restantes sistemas de generación, alternativamente a la instalación de placas solares, o los generadores eléctricos instalados en las centrales térmicas o las centrales nucleares. En el caso que ocupa a la presente invención, se deberán instalar una pluralidad de sistemas anteriormente descritos, en el que se aplique una rotación a la pluralidad de medios de almacenamiento del fluido, que estarán en contacto directo con una pluralidad de medios de aplicación de una presión.

Mediante este sistema, la obtención de energía sería prácticamente ilimitada, ya que no está supeditada a las condiciones climáticas, la disponibilidad de combustible, el impacto ambiental o las horas de radiación solar. Se trataría de un sistema que podría encontrarse en cualquier lugar, incluso en una instalación enterrada bajo tierra, y que únicamente dependería de la aplicación del giro a la carcasa cilíndrica que contiene los sistemas antes mencionados (cilindros hidráulicos, elementos piezoeléctricos, etc.), donde la presión ejercida sobre los compartimentos internos de los medios de almacenamiento del fluido, únicamente dependerá de la regulación realizada mediante la estructura configurada para aplicar la presión.

Otro ejemplo de aplicación lo encontramos en el sector marítimo, de manera que se genere energía eléctrica de manera independiente al balanceo del propio barco debido al oleaje del mar, las tormentas o las mareas.

Otro ejemplo de aplicación lo encontramos en el sector aeroespacial, en el que una de las prioridades es asegurar que todos los componentes de cualquier aeronave, satélite, o cohete espacial, sean lo más ligeros posibles, debido a que influye principalmente en la maniobra de despegue.

Particularmente, los generadores eléctricos piezo-hidráulicos podrían utilizarse para alimentar los módulos de propulsión iónicos en satélites o naves espaciales, gracias a sus características constructivas, ya que no necesitan la fuerza de gravedad para la generación de energía eléctrica, gracias a que sólo dependen de la presión ejercida por el rodillo contra los medios de almacenamiento del fluido y sus compartimentos internos, para generar presión en el circuito hidráulico y por tanto energía eléctrica.

Por otra parte, al poderse fabricar los generadores eléctricos piezo-hidráulicos utilizando aleaciones ligeras, como el aluminio o el titanio, y al no necesitar un sistema de gravedad artificial como el contemplado en la patente de invención con número de solicitud P202231047, sería posible su instalación en el interior de las naves espaciales, suministrando energía eléctrica a la nave en todo momento, especialmente cuando ésta se desacoplara del módulo propulsor para posarse en algún planeta, satélite, etc.

Un último ejemplo de aplicación lo encontramos en la instalación de los generadores eléctricos piezo-hidráulicos en el interior de unas unidades descarbonizadoras de la atmósfera, que se encargarían de absorber por unas rejillas el aire contaminado de las ciudades, para devolver aire limpio a la atmósfera, tras haber extraído y almacenado en depósitos los gases que provocan el efecto invernadero o que son perjudiciales para la salud, como el CO₂, el dióxido de nitrógeno o el metano.

Uno de los principales problemas de los sistemas de limpieza del aire reside en el alto consumo de energía requerido. Y este problema se solucionaría mediante la utilización de los generadores objeto de la presente invención.

Estas unidades de limpieza podrían ser móviles e instalarse en la parte trasera de autobuses urbanos, o cualquier vehículo urbano, que esté recorriendo las calles de las ciudades, de manera que se iría limpiando el aire de la ciudad mientras realizan sus recorridos normales.

De acuerdo a la descripción realizada, la presente invención describe un generador eléctrico que aprovecha la fuerza ejercida por unos medios de aplicación de una presión que comprenden un movimiento de rotación, para presionar unos elementos piezoeléctricos, mediante la utilización de un sistema que comprende una carcasa cilíndrica cuyo perímetro exterior se encuentra rodeado de medios de almacenamiento de un fluido, de los que se extrae una parte del fluido contenido en su interior a través de una disminución del volumen de los compartimentos internos que almacenan el fluido, causada por la presión ejercida por los medios de aplicación de una presión, con los que se encuentra en constante contacto, alojándose en el interior de la carcasa cilíndrica, todos los elementos necesarios para la generación de electricidad.

Donde el fluido es redirigido a través de unas conducciones a una válvula de distribución hasta una pluralidad de cilindros hidráulicos, que aplicarán la fuerza directamente sobre los elementos piezoeléctricos que, por la deformación sufrida, generarán una diferencia de potencial que inducirá una corriente que será recogida y rectificada para su ulterior utilización.

El generador eléctrico piezo-hidráulico, el procedimiento de funcionamiento asociado, y el conjunto de los elementos descritos, representan una innovación de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora, razones que, unidas a su utilidad práctica, le dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1. Vista general de la primera realización preferente

Figura 2. Sección de un cilindro hidráulico.

Figura 3. Vista general de un cilindro hidráulico.

Figura 4. Vista en alzado de un generador piezo-hidráulico según la primera realización.

Figura 5. Sección transversal de un generador piezo-hidráulico según la primera realización.

Figura 6. Detalle de la cámara flexible y los compartimentos internos según la primera realización. Figura 7. Cilindro hidráulico con varias etapas de multiplicación de la presión

Figura 8. Esquema del sistema de precarga.

Figura 9. Vista general de la segunda realización preferente.

Figura 10. Vista general de la tercera realización preferente.

Figura 11. Primer ejemplo de aplicación para instalación de generación eléctrica. Figura 12. Segundo ejemplo de aplicación en vehículo eléctrico.

Figura 13. Vista general del tercer ejemplo de aplicación con nave desacoplada.

Figura 14. Vista en explosión del tercer ejemplo de aplicación con nave espacial acoplada. Figura 15. Vista del cuarto ejemplo de aplicación en una unidad móvil de descarbonización. Figura 16. Vista de una unidad de descarbonización acoplada a un autobús de línea.

Relación de referencias y figuras:

1. Carcasa cilíndrica

2. Cámara flexible

3. Compartimentos internos

4. Válvula de distribución

5. Conducciones para el fluido

6. Superficie de apoyo (rodillo)

7. Cilindros hidráulicos

8. Elementos piezoeléctricos

9. Primera cámara del multiplicador de presión

10. Primer pistón del multiplicador de presión

11. Primera sección cilíndrica

12. Segunda sección cilíndrica

13. Segunda cámara del cilindro hidráulico

14. Segundo pistón del cilindro hidráulico

15. Racor entrada al cilindro hidráulico

16. Sistema de precarga

17. Regulador de presión

18. Válvula antirretorno

19. Cámara de distribución

20. Circuito de entrada

21. Circuito de retorno

22. Motor paso a paso del regulador de presión

23. Tornillo del regulador de presión

24. Rodillo

25. Vástagos

26. Estructura

27. Electroválvula

28. Soporte

29. Tuercas de los vástagos

30. Nave espacial

31. Cilindros hidráulicos perimetrales

32. Rueda dentada

33. Estructura

34. Rodillo

35. Unidad móvil del descarbonizador

36. Módulo propulsor de la nave espacial

37. Alojamientos del módulo propulsor

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

En la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferentes, se hace referencia a los dibujos adjuntos que forman parte de esta memoria, y en los que se muestran a modo de ilustración realizaciones preferentes específicas en las que la invención puede llevarse a cabo.

Estas realizaciones se describen con el suficiente detalle como para permitir que los expertos en la técnica lleven a cabo la invención, y se entiende que pueden utilizarse otras realizaciones y que pueden realizarse cambios lógicos estructurales, mecánicos, eléctricos y/o químicos sin apartarse del alcance de la invención. Para evitar detalles innecesarios y para permitir a los expertos en la técnica llevar a cabo la descripción detallada, no debe, por tanto, tomarse las siguientes realizaciones en un sentido limitativo.

Concretamente, la presente invención describe un generador eléctrico piezo-hidráulico que comprende:

• al menos una carcasa cilíndrica 1 con medios de almacenamiento de un fluido ubicados en el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica 1, donde los medios de almacenamiento del fluido están divididos en una pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido;

• medios de aplicación de una presión, en contacto con la pluralidad de compartimentos del elemento cilíndrico 1, configurados para ejercer una fuerza sobre los compartimentos de la carcasa cilíndrica 1;

• al menos una válvula de distribución 4 alojada en la parte central o sustancialmente central de la carcasa cilíndrica 1;

• medios de conducción del fluido 5 desde los compartimentos de almacenamiento del fluido hasta la válvula de distribución 4;

• al menos dos cilindros hidráulicos 7 conectados mediante conducciones con la válvula de distribución 4, con al menos un elemento piezoeléctrico 8 en cada cilindro hidráulico;

Estando la invención caracterizada porque los medios de aplicación de una presión comprenden una estructura principal con un soporte, que comprende al menos: un eje giratorio en el que se encuentra montado un elemento en rotación, conectado a unos medios de accionamiento de un movimiento de rotación; y una estructura secundaria en la que se encuentra montada la carcasa cilíndrica 1, configurada para asegurar el contacto y la presión entre el elemento en rotación y la carcasa cilíndrica 1.

Donde el elemento en rotación está configurado para ejercer una presión sobre los compartimentos de almacenamiento del fluido, generar una deformación en el compartimento de almacenamiento del fluido, y provocar un desplazamiento del fluido contenido en los compartimentos de almacenamiento del fluido.

Donde el fluido desplazado es conducido hasta la válvula de distribución 4, que reconduce el fluido hasta al menos un cilindro hidráulico 7.

Y donde los cilindros hidráulicos 7 están configurados para realizar una presión sobre los elementos piezoeléctricos 8, en respuesta a la entrada del fluido desplazado en el cilindro hidráulico 7; de manera que la presión ejercida sobre los elementos piezoeléctricos 8 genera una diferencia de potencial, que induce una corriente, que se extrae del sistema para acondicionarla y su posterior utilización, almacenamiento y/o vertido a la red eléctrica general.

Particularmente, el accionamiento del movimiento de rotación del elemento en rotación podrá realizarse mediante un motor eléctrico, un motorreductor y/o una conexión mecánica con un motor externo, como puede ser el motor de un vehículo a través de su cadena cinemática.

De esta forma, se logra un generador eléctrico que utiliza la fuerza ejercida por un elemento en rotación, en contacto con unos compartimentos de almacenamiento del fluido, ubicados en el perímetro de la carcasa cilíndrica, para desplazar el fluido contenido en los compartimentos de almacenamiento del fluido, donde el fluido será reconducido, a través de una válvula de distribución, hasta una pluralidad de cilindros hidráulicos, que presionarán unos elementos piezoeléctricos en respuesta a la entrada del fluido desplazado, logrando una generación de energía eléctrica en las caras de los elementos piezoeléctricos, que podrá extraerse para su posterior utilización.

En una realización preferente, la válvula de distribución 4 estará configurada para alimentar de manera alternativa los diferentes cilindros hidráulicos 7, de forma que, durante una determinada posición de rotación de la carcasa cilíndrica 1, estén alimentados un número determinado de cilindros hidráulicos 7, quedando los restantes cilindros hidráulicos 7 sin alimentar, alternando esta situación en una posición siguiente de rotación de la carcasa cilíndrica 1.

Por lo que, para todas las posiciones de rotación de la carcasa cilíndrica 1, siempre existirá al menos un cilindro hidráulico 7 alimentado, y al menos un cilindro hidráulico 7 sin alimentar, ejerciendo una presión de forma alterna sobre los elementos piezoeléctricos 8, y logrando una alternancia entre periodos de aplicación de presión y periodos de liberación de presión, que es necesaria para la generación eléctrica mediante los elementos piezoeléctricos 8.

Teniendo en cuenta que, controlando con exactitud las revoluciones a las cuales gira la carcasa cilíndrica 1, y controlando el número de compartimentos de almacenamiento del fluido, se determina la frecuencia a la que se aplica la presión sobre los elementos piezoeléctricos 8; es posible diseñar las dimensiones y características de los elementos piezoeléctricos 8, para que su frecuencia de resonancia coincida con la frecuencia a la cual son sometidos a la presión ejercida por los cilindros hidráulicos, siendo la frecuencia de resonancia en la que se logra una mayor generación de energía eléctrica.

En otra realización preferente, se utilizarán unas electroválvulas conectadas con la salida de cada compartimento de almacenamiento del fluido, que se activarán gracias a la señal emitida por un sensor de presión que detectará cualquier incremento en la presión del fluido a la salida de cada compartimento de almacenamiento del fluido, que únicamente permitirá el paso del fluido contenido en los compartimentos hacia la válvula de distribución 4 cuando la presión en el interior del compartimento que en ese momento esté en contacto directo con los medios de aplicación de una presión, supere un valor previamente determinado.

Esta realización permite aislar cada compartimento de almacenamiento del resto, evitando que una parte del fluido vaya a parar al resto de los compartimentos de almacenamiento sobre los que no se está ejerciendo una presión, lo que provocaría un descenso de la presión obtenida en la entrada de los cilindros hidráulicos en los cuales se está inyectando el fluido.

Preferentemente, se utilizarán elementos piezoeléctricos 8 comerciales, o fabricados exprofeso, que vienen previamente encapsulados y protegidos en el interior de un bastidor para su directa utilización. De manera alternativa, podrán utilizarse pilas piezoeléctricas como elementos piezoeléctricos 8, configuradas como un apilamiento de secciones piezoeléctricas conectadas en serie o en paralelo.

En una realización preferente, los cilindros hidráulicos 7 podrán comprender al menos una etapa de multiplicación de la presión, comprendida por al menos:

• una primera cámara 9, configurada para la recepción del fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento, a través del racor de entrada 15 de la válvula de distribución 4;

• un primer pistón 10, con una primera sección cilíndrica 11 de mayor diámetro, en contacto directo con la primera cámara 9, y una segunda sección cilíndrica 12 de menor diámetro;

• una segunda cámara 13, en contacto directo con la segunda sección cilíndrica 12 del primer pistón 10;

• y un segundo pistón 14, en contacto directo por uno de sus lados con la segunda cámara 13, y configurado para presionar los elementos piezoeléctricos 8 por el otro de sus lados.

De forma que, al alimentar la primera cámara 9 con el fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento, se produce un aumento de la presión en la cámara 9, que presiona y desplaza el primer pistón 10.

Mediante el cambio de sección entre la primera sección cilíndrica 11 y la segunda sección cilíndrica 12, y mediante la aplicación de las siguientes fórmulas, referidas al cálculo de las presiones existentes en el multiplicador de presión:

Se tiene un aumento de la presión en la segunda cámara 13, que empujará el segundo pistón 14, ejercitando una mayor fuerza sobre el elemento piezoeléctrico 8 correspondiente, también según la aplicación de las siguientes fórmulas:

En una realización preferente, el generador eléctrico piezo-hidráulico podrá comprender una pluralidad de multiplicadores en serie, aumentando, en mayor medida, la fuerza ejercida sobre el elemento piezoeléctrico 8.

En una realización preferente de la anterior, en el espacio utilizado por el primer pistón 10 para su desplazamiento longitudinal se habrá hecho el vacío para minimizar la resistencia al avance del primer pistón 10, aprovechando al máximo la fuerza realizada. Alternativamente y de manera no preferida, podrá rellenarse mediante un fluido en circuito cerrado.

En una realización alternativa, se incluye la utilización de un multiplicador de presión comercial en la entrada de los cilindros hidráulicos 7, en vez de la utilización del multiplicador de presión anteriormente descrito.

De manera preferente, y bajo determinadas circunstancias como por ejemplo cuando el elemento en rotación esté acoplado a la cadena cinemática del motor de un vehículo, el generador eléctrico piezo-hidráulico podrá comprender un sistema de precarga 16, que comprende al menos dos circuitos hidráulicos paralelos, que comprenden cada uno:

• una electroválvula 27, ubicada entre la salida de los compartimentos internos y la entrada de la válvula de distribución 4;

• y una válvula antirretorno 18, en paralelo con un regulador de presión 17, ubicados entre la salida de la válvula de distribución 4 y la entrada a los cilindros hidráulicos 7.

Estando la válvula de distribución 4 dividida en al menos dos cámaras de distribución 19, estando cada cámara de distribución 19 conectada con al menos uno de los circuitos hidráulicos paralelos.

Estando cada uno de los circuitos hidráulicos paralelos conectado con un grupo determinado de cilindros hidráulicos 7.

Y estando los circuitos hidráulicos paralelos configurados para funcionar de manera alterna con respecto a los compartimentos internos, es decir:

• el primer compartimento interno alimentará un primer circuito hidráulico paralelo conectado con un primer compartimento de distribución de la válvula de distribución 4;

• el segundo compartimento interno alimentará un segundo circuito hidráulico paralelo conectado con un segundo compartimento de distribución de la válvula de distribución 4;

• el tercer compartimento interno alimentará al primer circuito hidráulico paralelo conectado con el primer compartimento de distribución de la válvula de distribución 4;

• el cuarto compartimento interno alimentará al segundo circuito hidráulico paralelo conectado con el segundo compartimento de distribución de la válvula de distribución 4; • y así sucesivamente.

De esta forma, el fluido entrará por el circuito de entrada, atravesando las electroválvulas 27, hasta el compartimento interno 19 de la válvula de distribución 4 correspondiente, que reconducirá el fluido hacia el correspondiente circuito hidráulico paralelo.

En cada circuito hidráulico paralelo, el fluido presionará la válvula antirretorno 18, configurada para permitir únicamente el paso del fluido en un sentido, cerrándose en caso contrario; y llegará a los cilindros hidráulicos 7 correspondientes, que ejercerán la presión sobre los elementos piezoeléctricos 8.

Tras esta maniobra, el fluido deberá regresar a la cámara de distribución 19 de la válvula de distribución 4, a través de un regulador de presión 17, y permitirá el retorno del fluido hasta su correspondiente compartimento ubicados alrededor de la carcasa cilíndrica 1, manteniendo la presión del fluido en el interior de la cámara de distribución de la válvula de distribución 4, y por tanto en el interior de los cilindros hidráulicos 7, en un valor determinado.

En una realización preferente de la anterior, el regulador de presión 17 estará conectado a un motor 22 paso a paso o similar, que podrá variar la presión predeterminada del regulador de presión 17, actuando directamente en un sentido u otro sobre el tornillo que determina la presión predeterminada del regulador. El motor será controlado por un sistema electrónico que ajustará la presión en función de la velocidad a la que circule el vehículo.

Se contempla así mismo, la utilización de reguladores de presión que con un sistema de regulación diferente a un tornillo, puedan regularse mediante un sistema electrónico.

De esta forma, aparte de lograr la alimentación alternativa de los cilindros hidráulicos, se logra mantener una presión remanente en el interior de los cilindros hidráulicos 7, que podrá utilizarse bajo determinadas circunstancias, ajustando en lo posible la frecuencia de resonancia de los elementos piezoeléctricos 8 a la frecuencia con la que son sometidos al ciclo de presiónrelajación.

Esto es posible gracias a que la frecuencia de resonancia de los elementos piezoeléctricos se reduce si, previamente a la aplicación de un pulso elevado de presión sobre ellos, ya se encuentran sometidos a una presión constante más baja, que en el estado de la técnica se conoce como “precarga”, por lo que el incremento de la presión de precarga implica una disminución de la frecuencia de resonancia.

De manera preferente, la extracción de la electricidad se realizará mediante la utilización de un sistema de escobillas para la extracción de la energía eléctrica generada por los elementos piezoeléctricos, estableciendo así la conexión entre la parte fija y la parte rotativa del sistema.

Una vez definido el generador eléctrico objeto de la presente invención, también se describe el procedimiento de funcionamiento del mismo para lograr una mayor claridad.

Estando el procedimiento de funcionamiento de un generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las realizaciones precedentes, caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas:

• aplicación de un movimiento de rotación al elemento en rotación de los medios de aplicación de una presión, que se traslada gracias al rozamiento y a la presión ejercida, a la carcasa cilíndrica 1 con los medios de almacenamiento que contienen el fluido, divididos en una pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido;

• por la fuerza ejercida mediante el elemento en rotación contra los compartimentos de almacenamiento del fluido de la carcasa cilíndrica 1, se presionan consecutivamente los compartimentos de almacenamiento del fluido, provocando una reducción del volumen en los compartimentos de almacenamiento del fluido;

• mediante la reducción del volumen en los compartimentos de almacenamiento del fluido, con el consiguiente incremento de la presión interna en dichos compartimentos, se provoca un desplazamiento de parte del fluido que contienen los compartimentos en su interior, a través de las conducciones 5, hasta la válvula de distribución 4;

• la válvula de distribución 4 alimenta los correspondientes cilindros hidráulicos 7 con el fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento;

• el fluido desplazado entra en el interior de los cilindros hidráulicos 7, que ejercen una presión sobre los elementos piezoeléctricos 8;

• mediante la presión ejercida sobre los elementos piezoeléctricos 8 se genera una diferencia de potencial, que induce una corriente que se extrae para su ulterior utilización.

Así mismo, y de manera preferente, el procedimiento podrá comprender una etapa adicional, previa al desplazamiento del fluido desde el compartimento de almacenamiento, compuesta por la activación de una electroválvula, que permite el paso del fluido cuando se alcanza una presión dada en el interior de los compartimentos de almacenamiento presionados, evitando que una parte del fluido vaya a parar al resto de los compartimentos de almacenamiento sobre los que no se está ejerciendo una presión, lo que provocaría un descenso de la presión obtenida en la entrada de los cilindros hidráulicos 7 en los cuales se está inyectando el fluido.

En los próximos párrafos, se describen diferentes formas de aplicación de la primera realización preferente.

PRIMER EJEMPLO DE REALIZACIÓN

En una realización preferida de la invención, el elemento en rotación será un rodillo 24, los medios de almacenamiento del fluido son una cámara flexible 2 cilíndrica y ubicada en el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica 1, y la pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido son una pluralidad de compartimentos internos 3 en los que está dividida la cámara flexible 2, estando los compartimentos internos 3 conectados con la válvula de distribución 4, alojada en la parte central o sustancialmente central de la carcasa cilíndrica 1, mediante unas conducciones 5 que permiten el paso del fluido desplazado.

De forma que, el rodillo 24 presiona al menos un compartimento interno 3 en cada momento, provocando que una parte del fluido contenido en su interior sea desalojado a través de las conducciones 5, hasta la válvula de distribución 4, que dispondrá al menos de dos salidas, cada una de ellas conectada con al menos un cilindro hidráulico 7, mediante al menos un racor de entrada del fluido 15.

Donde los cilindros hidráulicos 7 están configurados para realizar una presión sobre unos elementos piezoeléctricos 8, en respuesta a la entrada del fluido en el cilindro hidráulico 7, generando una diferencia de potencial entre sus bornes, que induce una corriente que se extrae del sistema para acondicionarla y utilizarla, almacenarla o verterla en la red eléctrica general.

En una realización preferente de la anterior, la estructura secundaria que sujeta la carcasa cilindrica 1 comprende al menos dos vástagos 25, unidos mecánicamente a una estructura 26, con al menos un roscado en los que se monta una tuerca 29. Estando al menos uno de los vástagos 25 unido al eje de la carcasa cilíndrica 1, pero permitiendo su giro libre. Donde las tuercas 29, a través del apriete y/o la liberación de las mismas con respecto al roscado de los vástagos 25, aumentarán y/o disminuirán la distancia entre el eje de la carcasa cilíndrica 1 y el eje del rodillo 24.

Es decir, la estructura secundaria está configurada para asegurar el contacto y la presión entre el rodillo 24 y la carcasa cilíndrica 1, ya que los vástagos 25 y las tuercas 29 se utilizarán para regular la distancia entre el rodillo 24 y la carcasa cilíndrica 1, disminuyéndola para aumentar la presión en el interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido.

De manera preferente, los vástagos 25 estarán unidos por la parte contraria a la parte en la que se encuentra el rodillo 24, mediante la utilización de un soporte 28.

Así mismo, la estructura 26 y/o el soporte 28 podrán comprender medios de fijación a un elemento externo, como puede ser una parte estructural de un vehículo, o las paredes de un alojamiento destinadas a albergar al generador objeto de la presente invención.

Atendiendo al ejemplo de aplicación, se presentan los siguientes datos y cálculos representativos. Partiendo de los datos siguientes:

• Diámetro primera sección del primer pistón = 40 cm

• Diámetro segunda sección del primer pistón = 8 cm

• Diámetro del segundo pistón = 40 cm

• Número de cilindros hidráulicos y elementos piezoeléctricos del generador = 2

• Radio del generador = 56 cm

• Velocidad de giro del generador = 30 rpm

• Número de compartimentos por generador = 24

• Fuerza ejercida sobre la cámara del generador = 400 kg

• Anchura de la cámara = 50 cm

Se calcula la fuerza aplicada por el cilindro hidráulico:

Superficie de contacto del generador = 397 cm2

Fuerza de salida del segundo pistón = presión 2- cámara x superficie 2- pistón = 310.955 N

De esta manera, se obtiene la fuerza realizada por el segundo pistón de salida del cilindro hidráulico, que será la fuerza aplicada sobre cada elemento piezoeléctrico.

Partiendo de los siguientes datos, obtenidos de los cálculos anteriores y de los datos comerciales de un elemento piezoeléctrico según la publicación de Wang et al 113:

• Frecuencia = 6 Hz

• Fuerza aplicada = 310.955 N

• Diámetro del piezoeléctrico = 30 cm

• Espesor del piezoeléctrico = 12 cm

• Volumen del piezoeléctrico = 8.482,32 cm3

• Densidad de potencia generada (obtenida de Wang et al 113) = 0,000515 mW/(cm3HzN)

Se calcula la energía eléctrica generada por cada elemento piezoeléctrico según la siguiente expresión:

Por lo que la potencia en cada elemento piezoeléctrico de cada cilindro = 8.150,24 W

Teniendo en cuenta que cada generador comprende 2 cilindros hidráulicos; la potencia generada por cada generador será:

Potencia del generador = Potencia de cada piezoeléctrico x 2 = 16.300,5 W

Teniendo en cuenta que para hacer girar el sistema hace falta un motor de 10 CV cuyo consumo eléctrico es de aproximadamente 7.500 W, la potencia neta generada sería de:

Potencia neta del generador = 16.300,5 - 7.500 = 8.800,5 W

SEGUNDO EJEMPLO DE REALIZACIÓN

En una realización alternativa, los medios de almacenamiento son una pluralidad de cilindros hidráulicos perimetrales 31 y la pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido son las cámaras de los cilindros hidráulicos.

Particularmente, en el perímetro exterior de la carcasa cilindrica hay unos salientes a modo de rueda dentada 32, donde los cilindros hidráulicos perimetrales 31 estarán ubicados en el espacio entre los dientes de la rueda dentada 32; y donde los medios de aplicación de una presión sobre los cilindros hidráulicos perimetrales 31 son unos rodillos situados en los extremos de unos salientes que conforman una estructura engranada con la rueda dentada 32, de manera que la estructura 33 actúa a modo de elemento en rotación, presionando los cilindros hidráulicos perimetrales con los rodillos de la estructura 33.

TERCER EJEMPLO DE REALIZACIÓN

Particularmente, la carcasa cilindrica 1 comprende en su perímetro exterior la pluralidad de cilindros hidráulicos perimetrales 31; donde los medios de aplicación de una presión sobre los cilindros hidráulicos perimetrales 31 son un rodillo 34 que actúa como elemento en rotación, de forma que el rodillo 34 presiona de manera consecutiva los cilindros hidráulicos perimetrales 31, provocando el desplazamiento del fluido contenido en su interior.

De la misma forma, a continuación se describen diferentes ejemplos de aplicación de las diferentes realizaciones preferentes descritas anteriormente.

EJEMPLO DE APLICACIÓN 1

En un primer ejemplo de aplicación se describe una instalación de generación eléctrica que comprende al menos un generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las realizaciones anteriores, que estará instalado sobre una estructura de fijación.

EJEMPLO DE APLICACIÓN 2

De acuerdo a la Figura 12, en un primer ejemplo de aplicación de la primera realización preferente, el generador eléctrico descrito podrá estar instalado en un alojamiento de un vehículo terrestre común, como un coche o un autobús, estando el generador unido a una de las paredes del alojamiento mediante la utilización de los medios de fijación de la estructura 26 y/o el soporte 28.

La salida de la energía eléctrica generada se conectará directamente con las baterías de almacenamiento de energía eléctrica del vehículo, asegurando su recarga incluso cuando el vehículo se encuentra estacionado o detenido. También podrán conectarse a los medios auxiliares del vehículo, como el aire acondicionado, la radio o el ordenador de a bordo, que también utilizan electricidad para su correcto funcionamiento, evitando así el gasto de energía eléctrica almacenada en las baterías.

Mediante esta realización, se logra un vehículo eléctrico con una mayor autonomía, ya que se produce la recarga de las baterías de almacenamiento de energía mediante una generación de energía eléctrica que siempre funciona en su punto de óptimo rendimiento, al no depender de factores externos, como la velocidad de avance del vehículo, y que puede recargar la batería incluso con el coche parado.

De acuerdo a las Figuras 13 y 14, en una segunda realización preferente de la presente invención, se describe un sistema de alimentación de propulsores iónicos, capaz de propulsar una nave espacial de gran tamaño a muy largas distancias, como por ejemplo Marte.

Actualmente, se emplean pequeños propulsores iónicos en la industria aeroespacial para propulsar satélites, una vez que ya se encuentran en el espacio, obteniendo un sistema de propulsión mucho más eficiente en comparación con los actuales propulsores químicos.

Lamentablemente la potencia de los propulsores iónicos está limitada por la potencia que pueden generar los paneles solares que incorporan los satélites espaciales y esto hace inviable la propulsión iónica para grandes naves espaciales, ya que el tamaño que tendrían que tener los paneles solares acoplados a la nave espacial sería descomunal.

Particularmente, se describe una nave espacial 30, con un módulo propulsor 36 acoplado, que comprende una pluralidad de alojamientos 37 que contienen generadores piezo-hidráulicos como los descritos en la presente invención, junto con los propulsores iónicos.

De esta forma, sería posible obtener una cantidad enorme de energía eléctrica con los generadores piezo-hidráulicos en un espacio muy reducido, lo que permitiría utilizar grandes propulsores iónicos para propulsar una gran nave espacial, que podría llegar a Marte en mucho menos tiempo del que se tardaría con los medios actuales.

En una realización preferente, el sistema de propulsión iónica se podría implementar en módulos que serían llevados al espacio en una órbita que permitiera su ensamblaje, de la misma forma que se montó la Estación Espacial Internacional, y una vez ensamblado, se acoplaría a él la nave 30 con los astronautas para iniciar el viaje espacial, que al ser de una duración mucho más corta que la prevista con los medios actuales, minimizaría los riesgos de la exposición de los astronautas a los diferentes tipos de radiación a los que se exponen los astronautas que van al espacio.

EJEMPLO DE APLICACIÓN 4

En otro ejemplo de aplicación, el generador eléctrico piezo-hidráulico podrá alimentar a un sistema de descarbonización y limpieza del aire atmosférico de un área determinada, de manera que, mediante la alimentación continua de electricidad a dicho sistema, se pueda purificar el ambiente.

Particularmente interesante es la aplicación del descarbonizador en una unidad móvil 35 que purifique el aire del ambiente mientras se encuentra en movimiento, de manera que no únicamente se limpie el aire de una estancia o espacio determinado, sino que vaya realizándolo en un área mayor.

La unidad móvil 35 podrá estar autopropulsada, esto es, podrá comprender los medios necesarios para poder trasladarse de manera autónoma, configurando un vehículo de limpieza del aire del ambiente.

Así mismo, la unidad móvil 35 también podrá ser un accesorio unido a un vehículo independiente, como por ejemplo un autobús o un metro, de manera que estos vehículos vayan limpiando el aire de los entornos urbanos mientras realizan sus desplazamientos.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no se altere, modifique o cambie su principio fundamental.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Generador eléctrico piezo-hidráulico que comprende:

• al menos una carcasa cilindrica (1) con medios de almacenamiento de un fluido ubicados en el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica (1), donde los medios de almacenamiento del fluido en su conjunto conforman una pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido;

• medios de aplicación de una presión sobre la pluralidad de compartimentos, en contacto con la pluralidad de compartimentos del elemento cilíndrico (1), configurados para ejercer una fuerza sobre los compartimentos del elemento cilíndrico (1);

• al menos una válvula de distribución (4) alojada en la parte central o sustancialmente central de la carcasa cilíndrica (1);

• medios de conducción del fluido (5) desde los compartimentos de almacenamiento del fluido hasta la válvula de distribución (4);

• al menos dos cilindros hidráulicos (7) conectados mediante conducciones con la válvula de distribución (4), con al menos un elemento piezoeléctrico (8) en cada cilindro hidráulico (7); caracterizado porque los medios de aplicación de una presión comprenden una estructura principal con un soporte que comprende:

• un eje giratorio en el que se encuentra montado un elemento en rotación, conectado a unos medios de accionamiento de un movimiento de rotación;

• y una estructura secundaria en la que se encuentra montada la carcasa cilíndrica (1), configurada para asegurar la presión entre el elemento en rotación y la carcasa cilíndrica (1);

donde el elemento en rotación está configurado para ejercer una fuerza sobre los compartimentos de almacenamiento del fluido y para reducir el volumen interno de los compartimentos de almacenamiento del fluido, generar un incremento de la presión en el compartimento de almacenamiento del fluido, y provocar un desplazamiento del fluido contenido en los compartimentos de almacenamiento del fluido;

donde el fluido desplazado es conducido hasta la válvula de distribución (4), que reconduce el fluido hasta al menos un cilindro hidráulico (7);

donde los cilindros hidráulicos (7) están configurados para realizar una presión sobre los elementos piezoeléctricos (8), en respuesta a la entrada del fluido desplazado en el cilindro hidráulico (7);

y donde la presión ejercida sobre los elementos piezoeléctricos (8) genera una diferencia de potencial, que induce una corriente, que se extrae del sistema para acondicionarla y su posterior utilización, almacenamiento y/o vertido a la red eléctrica general.

2. Generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación anterior caracterizado porque los medios de accionamiento del movimiento de rotación del elemento en rotación son un motor eléctrico, y/o unos medios de conexión mecánicos con un motor externo.

3. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la válvula de distribución (4) está configurada para alimentar alternativamente a los cilindros hidráulicos (7) con el fluido proveniente de los compartimentos de almacenamiento del fluido, de forma que, durante una determinada posición de rotación de la carcasa cilíndrica, un número determinado de cilindros hidráulicos (7) recibe alimentación con el fluido, mientras que los restantes cilindros hidráulicos (7) no reciben alimentación con el fluido, alternando la alimentación en la posición siguiente de rotación de la carcasa cilíndrica (1), debiendo cumplirse que, para todas las posiciones de rotación de la carcasa cilíndrica (1), siempre exista al menos un cilindro hidráulico (7) alimentado y al menos un cilindro hidráulico (7) sin alimentar.

4. Generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación anterior caracterizado porque la frecuencia de alimentación de los cilindros hidráulicos (7) está determinada por la velocidad de rotación de la carcasa cilíndrica (1) y por el número de compartimentos de almacenamiento del fluido.

5. Generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación anterior caracterizado porque los elementos piezoeléctricos (8) comprenden las dimensiones y el espesor determinado para que la frecuencia de resonancia de cada uno de los elementos piezoeléctricos (8) sea igual o similar a la frecuencia de alimentación de los cilindros hidráulicos (7).

6. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende una electroválvula entre la salida de cada compartimento de almacenamiento del fluido y la entrada de la válvula de distribución (4), configurada para permitir el paso del fluido a las conducciones hidráulicas (5) cuando el valor de presión supera un valor previamente determinado.

7. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los elementos piezoeléctricos (8) comprenden unas piezas de material piezoeléctrico encapsuladas en el interior de un bastidor y/o son unas pilas piezoeléctricas.

8. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende al menos un multiplicador de presión ubicado entre la salida de los compartimentos de almacenamiento del fluido, y el racor de entrada (15) de los cilindros hidráulicos (7).

9. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los cilindros hidráulicos (7) comprenden al menos una etapa de multiplicación de la presión, con al menos:

• una primera cámara (9), configurada para la recepción del fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento del fluido a través del racor de entrada (15) de los cilindros hidráulicos (7);

• un primer pistón (10), con una primera sección cilíndrica (11) de mayor diámetro, en contacto directo con la primera cámara (9); y una segunda sección cilíndrica (12) de menor diámetro;

• una segunda cámara (13) en contacto directo con la segunda sección cilíndrica (12) del primer pistón (10);

• y un segundo pistón (14), en contacto por uno de sus lados con la segunda cámara (13), y configurado para presionar los elementos piezoeléctricos (8) por el otro de sus lados; donde, al alimentar la primera cámara (9) con el fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento del fluido, se produce un aumento de presión que induce un movimiento de traslación en el primer pistón (10), que provoca un aumento de la presión en la segunda cámara (13), que empuja el segundo pistón (14).

10. Generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación anterior caracterizado porque en el espacio utilizado para el desplazamiento longitudinal del primer pistón (10) se ha hecho el vacío o contiene un fluido en un circuito cerrado.

11. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los cilindros hidráulicos (7) comprenden una pluralidad de etapas de multiplicación de la presión, dispuestas en serie.

12. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la extracción de la energía eléctrica se realiza mediante un sistema de escobillas.

13. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende un sistema de precarga (16) que comprende al menos dos circuitos hidráulicos paralelos comprendiendo cada uno al menos:

• una electroválvula (27), ubicada entre los compartimentos internos (3) y la entrada de la válvula de distribución (4);

• y una válvula antirretorno (18) en paralelo con un regulador de presión (17), ubicados entre la salida de la cámara de distribución (19) y el racor de entrada (15) a los cilindros hidráulicos (7);

donde la válvula de distribución (4) está dividida en al menos dos cámaras de distribución (19), correspondiéndose cada cámara de distribución (19) con un circuito hidráulico paralelo;

y donde los circuitos hidráulicos paralelos están configurados para funcionar de manera alterna con respecto a los compartimentos internos (3).

14. Generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación anterior caracterizado porque el regulador de presión (17) es un regulador automático mediante un sistema electrónico que actúa:

• sobre un motor (22) paso a paso, servomotor o similar, cuando la regulación de la presión se realiza mediante un tornillo,

• y/o sobre los componentes eléctricos del regulador, cuando su sistema de regulación sea diferente.

15. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el elemento en rotación es un rodillo (24), los medios de almacenamiento del fluido son una cámara flexible (2) cilíndrica, ubicada en el perímetro exterior de una carcasa cilíndrica (1), y la pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido son una pluralidad de compartimentos internos (3) en los que está dividida la cámara flexible (2) estando los compartimentos internos (3) conectados con la válvula de distribución (4) alojada en la parte central o sustancialmente central de la carcasa cilíndrica (1) mediante unas conducciones (5) que permiten el paso del fluido desplazado;

de forma que, el rodillo (24) presiona al menos un compartimento interno (3) en cada momento; provocando que una parte del fluido contenido en su interior sea desalojado a través de las conducciones (5) hasta la válvula de distribución (4);

la válvula de distribución (4) dispone de al menos dos salidas, cada una de las cuales está conectada con al menos un cilindro hidráulico (7) mediante al menos un racor de entrada (15) del fluido, donde los cilindros hidráulicos (7) están configurados para realizar una presión sobre unos elementos piezoeléctricos (8), en respuesta a la entrada del fluido en el cilindro hidráulico (7), proveniente de los compartimentos internos (3) de la cámara flexible;

donde la presión ejercida sobre los elementos piezoeléctricos (8) genera una diferencia de potencial entre sus bornes, que induce una corriente, que se extrae del sistema para acondicionarla y su posterior utilización, almacenamiento y/o vertido a la red eléctrica general.

16. Generador eléctrico piezo-hidráulico según reivindicación anterior caracterizado porque la estructura secundaria comprende al menos dos vástagos (25) unidos mecánicamente a una estructura (26), con al menos un extremo roscado, en los que se monta al menos una tuerca (29), estando al menos uno de los vástagos (25) unido al eje de la carcasa cilíndrica (1), permitiendo su giro libre, de forma que las tuercas (29), aumentan y/o disminuyen la distancia entre el eje de la carcasa cilíndrica (1) y el eje del rodillo (24).

17. Generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación anterior caracterizado porque los vástagos (25) están unidos por el extremo opuesto a las roscas mediante un elemento rígido (28).

18. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el soporte (26) comprende medios de fijación a un elemento externo.

19. Generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 caracterizado porque los medios de almacenamiento son una pluralidad de cilindros hidráulicos perimetrales (31) y la pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido son las cámaras de los cilindros hidráulicos.

20. Generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación anterior caracterizado porque en el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica hay unos salientes a modo de rueda dentada (32), donde los cilindros hidráulicos perimetrales (31) están ubicados en el espacio entre los dientes de la rueda dentada (32);

donde los medios de aplicación de una presión sobre los cilindros hidráulicos perimetrales (31) son unos rodillos situados en los extremos de unos salientes que conforman una estructura (33) engranada con la rueda dentada (32), de manera que la estructura (33) actúa a modo de elemento en rotación.

donde los rodillos de la estructura (33) están configurados para presionar los cilindros hidráulicos perimetrales (31) de la rueda dentada (32).

21. Generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación 19 caracterizado porque la carcasa cilindrica comprende en su perímetro exterior la pluralidad de cilindros hidráulicos perimetrales (31);

donde los medios de aplicación de una presión sobre los cilindros hidráulicos son un rodillo (34), que actúa como elemento en rotación, de forma que el rodillo (34) presiona de manera consecutiva los cilindros hidráulicos perimetrales (31), provocando el desplazamiento del fluido contenido en su interior.

22. Instalación de generación eléctrica caracterizada porque comprende al menos un generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, instalado sobre una estructura de fijación.

23. Sistema de generación eléctrica para propulsión iónica caracterizado porque comprende al menos un módulo propulsor (36) con una pluralidad de alojamientos (37), y una pluralidad de generadores eléctricos piezo-hidráulicos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, ubicados en el interior de los alojamientos (37) del módulo propulsor (36)

24. Sistema de generación eléctrica para propulsión iónica según la reivindicación anterior caracterizado porque está configurado para acoplarse de manera amovible a una nave espacial (30).

25. Sistema de descarbonización atmosférica caracterizado porque comprende medios de descarbonización y limpieza del aire atmosférico de un área determinada alimentados mediante la utilización de un generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

26. Sistema de descarbonización atmosférica caracterizado porque está instalado sobre una unidad móvil (35) que comprende medios de desplazamiento autónomos.

27. Sistema de descarbonización atmosférica según la reivindicación 25 caracterizado porque está instalado sobre una unidad móvil (35), unida mecánicamente a un vehículo externo.

28. Procedimiento de funcionamiento de un generador eléctrico piezo-hidráulico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas:

• aplicación de un movimiento de rotación en un elemento en rotación que se traslada a la carcasa cilindrica (1);

• mediante la utilización de medios de aplicación de una presión, se presionan consecutivamente los compartimentos de almacenamiento del fluido para reducir su volumen interno y generar un incremento de la presión en su interior;

• mediante el incremento de la presión generada en el interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido, se provoca un desplazamiento del fluido del interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido a través de las conducciones para el fluido (5), hasta la válvula de distribución (4);

• la válvula de distribución (4) alimenta los correspondientes cilindros hidráulicos (7) con el fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento del fluido;

• el fluido desplazado entra en el interior de los cilindros hidráulicos (7), que a través de los correspondientes pistones, ejercen una presión sobre los elementos piezoeléctricos (8); • mediante la presión ejercida sobre los elementos piezoeléctricos (8) se genera una elevada diferencia de potencial entre sus bornes, que induce una corriente que se conduce mediante conexiones eléctricas para su utilización.

29. Procedimiento de funcionamiento de un generador eléctrico piezo-hidráulico según la reivindicación anterior caracterizado porque comprende una etapa adicional antes del desplazamiento del fluido, que consiste en la activación de una electroválvula, que permite el paso del fluido cuando se alcanza una presión dada en el interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido presionados.