ES2946771B2 - Sistema de generacion de energia electrica - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención pertenece al sector de la generación de energías limpias y más específicamente, al de su generación mediante turbinas movidas por un fluido.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las energías limpias, esto es, aquellas cuya generación no emite gases de efecto invernadero, son crecientemente necesarias en un contexto mundial de lucha contra el cambio climático. El sistema que propone esta patente se fundamenta en el movimiento rotatorio que un fluido imprime a una turbina, cuando esta desciende y asciende inmersa en dicho fluido.

Se han descrito sistemas basados en este principio. El documento de patente WO2014207478 A2 (Abu al-Rubb Khalil), 31/12/2014 “Turbina flotante” muestra un conjunto de turbinas (10) dispuestas en el lecho marino, insertadas en sendos ejes (20). Las turbinas descienden impulsadas por la gravedad. Al final del recorrido es necesario cambiar su equilibrio hidrostático, para posibilitar su ascenso, a cuyo efecto un compresor (32) inyecta aire comprimido a unos flotadores (18) dispuestos en las turbinas (10).

En otros sistemas, las turbinas se disponen en el interior de tanques o contenedores. Así, el documento DE 20202006 009953 U1 (Teppert), 28/09/2006, tiene por objeto una turbina (3), solidaria de un flotador (2), dispuesto el conjunto en un tanque lleno de agua. Habiendo descendido la turbina (3) a lo largo de un eje rotatorio (6), el flotador recibe un gas (preferentemente metano), que provoca el ascenso de la turbina (3) y que se libera a la atmósfera una vez la turbina (3) llega a la parte superior de su recorrido. A iguales principios responde el dispositivo descrito en ES 2594305 A1 (Pérez Suárez), 19/12/2016, cuyo mecanismo hidrogenerador (1), dispuesto en el interior de un contenedor (6), se desplaza a lo largo de él mediante guías laterales, sin eje rotatorio. El mecanismo (1) incorpora una unidad de flotación (2) que se llena de aire comprimido a través de un conducto dispuesto en la base del contenedor (6), provocando el ascenso por flotabilidad del mecanismo (1).

La presente patente propone un sistema de generación de energía cuyos medios de elevación del generador son de una índole distinta a los descritos en el estado de la técnica, al no requerir la inyección de gases en la turbina, posibilitándose, en algunos modos de realización, que la elevación se realice sin intervención de ninguna fuente de energía adicional, disponiéndose así de un sistema de generación totalmente autónomo.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención tiene por objeto un sistema de generación de energía eléctrica, tal y como se define en la reivindicación 1. Otros modos de realización se definen en las reivindicaciones dependientes.

El sistema se basa en el principio general de que un cuerpo sumergido en un fluido experimentará dos fuerzas contradictorias: la fuerza gravitatoria lo empujará hacia abajo, mientras que el fluido lo impulsará hacia arriba (empuje hidrostático). Si, por las características del cuerpo, el empuje gravitatorio es mayor que el hidrostático, el cuerpo descenderá. Si este cuerpo es una turbina, el empuje hidrostático que experimentará en su descenso hará rotar sus palas. Y si la turbina, por otros medios, asciende, experimentará un empuje hidrostático hacia abajo, que también moverá sus palas. Estos movimientos de rotación se pueden transformar en energía mecánica por medios conocidos.

El sistema de generación de energía eléctrica propuesto en esta patente comprende al menos un generador (9) que imprime un movimiento rotatorio a un eje (2) al tiempo que se desplaza por dicho eje (2) en el interior de un contenedor (1) lleno de un fluido, y medios de elevación (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) del al menos un generador (9), caracterizándose el sistema por que los medios de elevación (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) comprenden un dispositivo elevador (13) que se desplaza a lo largo de un canal configurado en el eje (2). El canal longitudinal del eje está formado por un orificio longitudinal (10) y una abertura longitudinal (11).

Debe entenderse por generador cualquier dispositivo configurado para rotar ante el empuje de un fluido. En un modo de realización, el al menos un generador es una turbina (9). Debe entenderse por turbina (9), en su significado normal, cualquier dispositivo rotatorio dotado de un rodete, rueda o rotor, operativamente conectado a un sistema de palas, álabes o cucharas en una disposición angular.

Los medios de elevación, además del dispositivo elevador (13), comprenden al menos un contrapeso (18) operativamente conectado, por ejemplo, mediante uno o más cables (12, 15, 17) en conjunción con un mecanismo de polea (14, 16), al dispositivo elevador (13). Cuando el al menos un generador (9) ha llegado al final de su descenso por el eje (2), el contrapeso (18) se halla en el punto más alto de su recorrido, momento en el cual debe comenzar a descender, para que el al menos un generador (9) comience a elevarse. Y al llegar el contrapeso (18) al final de su descenso, el al menos un generador (9) se encontrará en el punto máximo de su ascenso, por lo que deberá producirse un movimiento de ambos en sentido contrario, y así sucesivamente.

Para que el descenso del contrapeso (18) sea posible, es necesario que ejerza una fuerza hacia abajo superior a la fuerza ejercida en el mismo sentido por el al menos un generador (9). Y, al contrario, una vez dicho generador (9) ha subido, para que pueda descender deberá ejercer una fuerza superior a la del contrapeso (18). A tal fin, el contrapeso (18) comprende medios de evacuación (19, 20, 27) de una sustancia de contrapeso, que actúan en conjunción con unos medios de llenado (21, 22, 23). En el punto máximo del ascenso del contrapeso (18), los medios de llenado (21, 22, 23) descargan la sustancia, por ejemplo, agua, en el contrapeso (18), en una cantidad calculada para que el contrapeso (18) ejerza sobre el al menos un generador (9) una fuerza de empuje hacia arriba mayor a la resistencia presentada por el generador (9), con lo cual el contrapeso (18) bajará y provocará el ascenso del generador (9). Culminado el descenso del contrapeso (18) y el consiguiente ascenso del generador (9), la sustancia de llenado se descargará por los medios de evacuación (19, 20, 27), tras lo cual, el al menos un generador (9) ejercerá una fuerza de empuje hacia abajo mayor a la presentada por el al menos un contrapeso (18), de modo que el generador (9) comenzará su descenso, arrastrando hacia arriba al contrapeso (18) vacío.

El sistema de generación de energía puede realizarse mediante un conjunto de contenedores (1), que se dispondrían en forma concéntrica o en estrella, por ejemplo; y con un único contrapeso (18) que sería aprovechado por todos ellos. Este único contrapeso (18) se conectaría con cada uno de los dispositivos elevadores (13) dispuestos en los respectivos ejes rotatorios (2) de cada contenedor (1). No obstante, en los modos de realización que se describirán, el sistema comprende un único contenedor (1) del al menos un generador (9).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción se acompaña un juego de dibujos, que con carácter ilustrativo y no limitativo representan lo siguiente:

Figura 1.- Vista general del sistema de generación de energía.

Figura 2.- Vista en perspectiva del eje.

Figura 3.- Dispositivo de anclaje del eje a la pared interior del contenedor del generador.

Figura 4.- Corte en sección horizontal del segundo tramo, o tramo central, del eje.

Figura 5.- Detalle del dispositivo elevador y su enganche a un primer cable.

Figura 6.- Vista lateral de detalle de una parte del sistema que abarca parte del eje, un primer cable, la turbina y el dispositivo elevador.

Figura 7.- Detalle de los medios de apertura y cierre de la compuerta del contrapeso.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La Fig. 1 es una vista general esquemática de un modo de realización preferente del sistema de generación de energía.

El sistema comprende un contenedor (1), que la Fig. 1 representa en corte de sección vertical. En un modo de realización preferente, el contenedor es un silo cilíndrico (1), fabricado en hormigón armado impermeable. Puede fabricarse en otros materiales impermeables y resistentes a la oxidación, como acero inoxidable o aluminio. Sus dimensiones se calcularán en función del rendimiento que se quiera obtener del sistema. En este modo de realización, se propone un silo (1) de 30 metros de altura y un diámetro interior de 5,2 metros.

En el centro del silo (1), en sentido longitudinal, se dispone un eje (2). En su parte superior, el eje está sujeto a las paredes del silo (1) mediante un dispositivo de anclaje (3), cuyo detalle se muestra en la Fig. 3. Opcionalmente, un dispositivo de anclaje (3) igual al descrito puede acoplarse también a la parte inferior del eje (2). En su extremo inferior, independientemente de que se haya o no dispuesto un dispositivo de anclaje (3), el eje (2) descansa en un buje (4) dispuesto en la base del silo (1).

La longitud del eje (2) es de 32 metros, por lo que sobrepasa los 30 metros de altura del silo (1), del que sobresale por su parte superior. En este extremo superior del eje (2) se dispone un engranaje principal (5), el cual mediante un juego de engranajes (6), transmite el giro del eje (2) a un multiplicador (7) y este a un alternador (8), para generar energía eléctrica a partir de dicho giro. El eje (2) puede adoptar cualquier forma. En este modo de realización, el eje (2) es de sección cuadrada.

En el eje (2), por debajo de su dispositivo de anclaje (3), se inserta un generador, que en este modo de realización es una turbina (9). El experto en la materia podrá diseñar la turbina (9) para obtener el rendimiento deseado, estimándose que un mínimo de dos paletas o álabes, con una inclinación de entre 2° y 80°, es suficiente para los fines de esta invención, si bien en este modo de realización se propone una turbina (9) dotada de 16 paletas de 2,2 metros de longitud y 0,98 de anchura, y con un ángulo de inclinación de 10°. El diámetro de la turbina (9), sumando la longitud de dos paletas más el rotor, sería de 5 metros, dejando una distancia perimetral de 10 centímetros con respecto a la pared interior del silo (1). El peso de esta turbina, construida preferentemente en aluminio, sería de aproximadamente tres mil kilogramos. En el rotor de la turbina (9) se practica un orificio cuadrado, a fin de que en él pueda insertarse el eje (2).

Como se aprecia en detalle en la Fig. 4, el eje (2) presenta un orificio (10) de forma circular, que lo recorre longitudinalmente sustancialmente por su centro. Además, en uno de los lados del eje (2) se ha practicado una abertura longitudinal (11), que comunica con el orificio (10), configurando un canal cuya base sería el orificio (10) y los laterales, la abertura (11).

Volviendo a la Fig. 1, por el orificio (10) del eje (2) discurre un primer cable (12). En su extremo inferior, el primer cable (12) está conectado a un dispositivo elevador (13) siendo la conexión del modo que en detalle muestra la Fig. 5. Por su otro extremo, el primer cable (12) emerge del eje (2) y se fija a un sistema de polipasto (14), preferentemente de cuatro poleas. Del sistema de polipasto sale un segundo cable (15), que en su extremo opuesto se fija al tambor de menos diámetro de un torno (16) de dos tambores. Del tambor de mayor diámetro del torno (16) sale un tercer cable (17), que en su otro extremo está conectado a un contrapeso (18).

El polipasto (14) y el torno (16) estarán convenientemente fijados a una estructura de soporte del sistema (no mostrada). Mediante el empleo de un sistema de polipasto (14) en combinación con un torno (16), de manera conocida en el estado de la técnica, se conseguirá elevar la turbina (9) mediante un contrapeso (18) de mucho menor peso que la turbina (9). En concreto, la turbina (9) propuesta en este modo de realización, de un peso estimado de 3.000 kilogramos, podrá elevarse mediante un contrapeso de unos 1.000 kilogramos. El experto en la materia podrá seleccionar cualesquiera otros sistemas de poleas, polipastos y, en su caso, tornos, para adecuarlos a las características del sistema y específicamente, al peso de la turbina escogida o a la diferencia de altura que pueda existir entre turbina y contrapeso.

En un modo de realización, el contrapeso es un recipiente (18), cuyo peso en vacío puede ser, en un modo de realización, de 300 kilogramos, y calculado para albergar 700 kilogramos de una sustancia de contrapeso. La sustancia de contrapeso, en una realización preferente, es agua, debido a la facilidad de evacuación. En otras realizaciones, puede ser arena o gravilla.

El recipiente de contrapeso (18) está dotado de medios de evacuación, que comprenden una compuerta (19) que al abrirse libera la sustancia de contrapeso, tal y como se representa en la Fig. 7.

El recipiente de contrapeso (18) actúa en conjunción con unos medios de llenado, que en un modo de realización comprenden un depósito de llenado (21). Para mayor eficiencia y sostenibilidad del sistema, puede usarse como depósito (21) un represamiento de agua de un río (piscina fluvial), de donde la sustancia de contrapeso, esto es, el agua, se conduciría por gravedad al recipiente de contrapeso (18), a través de una tubería. O puede construirse un depósito que se abastezca del agua de un curso fluvial. En estos dos modos de realización, el recipiente de contrapeso (18) podría liberar el agua en el mismo curso fluvial, directamente o reconduciéndola desde el punto de liberación mediante una tubería o canal. De no ser esto posible, el agua evacuada se bombearía al depósito (21).

Otras materias de contrapeso, como la arena o grava, por su mayor densidad permitirían construir un depósito (21) y un recipiente de contrapeso (18) de menores dimensiones. En tal realización, la materia sólida de contrapeso sería devuelta al depósito de llenado (21) mediante un elevador sinfín o una draga.

El depósito (21) está dotado de una válvula (22) que es abierta por presión al contacto físico de un activador (23) situado en el recipiente de contrapeso (18), cerrándose la válvula (22) cuando el activador (23) deja de hacer contacto, esto es, cuando el recipiente de contrapeso (18) comienza su descenso una vez lleno.

La Fig. 2 es una vista en perspectiva del eje (2), en el que se han separado tres tramos. En un primer tramo o superior, se inserta el engranaje principal (5) y a continuación el dispositivo de anclaje (3) del eje (2) a la pared del silo (1), dispositivo (3) que no se muestra en esta Fig. 2, sino en la Fig. 3. Este primer tramo del eje (2) está atravesado longitudinalmente por el orificio (10) por el que discurre el primer cable (12). Un segundo tramo, o tramo central, está también atravesado por el orificio (10) y además por la abertura longitudinal (11), formándose el canal por el que se desplaza el dispositivo elevador (13) de la turbina (9). Un tercer tramo, o inferior, es macizo, ya que por él no se desplaza ningún elemento. Este tramo acaba en una punta cónica, la cual se inserta en el buje (4), provisto de un rodamiento. De este modo, el eje (2), el cual recibe el movimiento giratorio de la turbina (9), podrá girar libremente sobre el buje (4). En este tramo inferior se puede opcionalmente instalar un dispositivo de anclaje (3) del eje (2). El eje (2) puede construirse de una sola pieza, o en varias partes, preferiblemente una parte por cada tramo, las cuales se unirían posteriormente por cualquier medio que ofrezca la suficiente resistencia, como unas placas de unión sujetas por tornillería.

La Fig. 3 muestra el dispositivo de anclaje (3), dispuesto en el primer tramo o superior del eje (2). El mecanismo comprende unos segmentos (24), preferiblemente metálicos, que por un extremo están fijados a la pared interior del silo (1), por tomillería o soldadura. Y por el otro, son solidarios de un rodamiento (25), en el cual el eje (2) podrá girar libremente.

La Fig. 4 es un corte en sección horizontal del segundo tramo, o tramo central, del eje (2), que permite apreciar el orificio (10) que recorre longitudinalmente este tramo (al igual que atraviesa el primer tramo o superior); así como la abertura longitudinal (11) característica de este tramo central y que, junto al orificio (10) conforma el canal por el que se desplaza el dispositivo elevador (13). Este dispositivo (13) emerge de la abertura (11), conformando una superficie de apoyo de la turbina (9).

La Fig. 5 representa el dispositivo elevador (13), que en un modo de realización adopta una forma sustancialmente rectangular, y que en una parte anterior sobresale de la abertura longitudinal (11), conformando un apoyo para la turbina (9), que de este modo es elevada por el dispositivo elevador (13). La parte posterior del dispositivo elevador (13) se ubica en el interior del orificio longitudinal (10) del eje (2), por lo cual adopta una forma cilíndrica. Por esta parte posterior, el dispositivo (13) se conecta al primer cable (12) mediante un enganche de giro libre (26), de modo que el dispositivo elevador (13), que se encuentra inserto en el eje (2) y por tanto gira con él, no transmita este giro al primer cable (12), pues ello provocaría una torsión que lo quebraría o imposibilitaría el buen funcionamiento de todo el sistema. El primer (12), segundo (15) y tercer (17) cables descritos en este modo de realización serán preferiblemente de acero.

La Fig. 6 es una vista lateral que representa una parte del sistema y en la que se aprecia que el primer cable (12) se introduce en el eje (2) por el extremo del primer tramo, lo atraviesa y continua por el tramo central del eje (2), para unirse al dispositivo elevador (13), como se ha mostrado en la Fig. 5. El dispositivo elevador (13) sobresale de la abertura longitudinal (11) del eje (2), contactando con un área situada en el rotor de la turbina (9). Cuando el recipiente de contrapeso (18) esté lleno y descienda, empujará hacia arriba el dispositivo elevador (13), que arrastrará consigo a la turbina (9). La elevación se produce por contacto del dispositivo elevador (13) con la turbina (9), por lo que no es necesario que ambos elementos (9, 13) estén fijamente unidos, aunque en un modo de realización puede disponerse que lo estén, por ejemplo, mediante soldadura.

Cuando la turbina (9) alcance el punto máximo de su ascenso, el recipiente de contrapeso (18) habrá llegado al punto máximo de su descenso y evacuará su sustancia de contrapeso, con lo cual la turbina (9), por su peso mayor que el recipiente (18) vacío, comenzará su descenso a lo largo del eje (2), arrastrando al dispositivo elevador (13), que mediante el sistema de cables (12, 15, 17), polipasto (14) y torno (16) provocará el ascenso del recipiente de contrapeso (18).

La Fig. 7 es un detalle de los medios de apertura y cierre de la compuerta (19) del recipiente de contrapeso (18), que comprenden un tope (20), que se fija al suelo en un punto por el que haya de pasar el recipiente de contrapeso (18) cuando esté llegando al final de su trayectoria descendente. La compuerta (19) del contrapeso (18) se desplaza sobre unos raíles y en ella se dispone una barra (27) que sobresale perpendicularmente. En la Fig. 7a el recipiente (18) se encuentra en fase de descenso, con la compuerta cerrada y, por consiguiente, lleno de la materia de contrapeso. En la Fig. 7b, el contrapeso está próximo a alcanzar el final de su trayectoria, momento en que la barra (27) contacta con el tope (20), lo que provoca el desplazamiento hacia arriba de la compuerta (19) y la evacuación de la sustancia de contrapeso, lo cual, como se ha descrito, provocará que, por acción del peso de la turbina (9), el recipiente de contrapeso (18) comience a elevarse, con lo cual su compuerta (19) se cerrará por su propio peso.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de generación de energía que comprende al menos un generador (9) ubicado en el interior de un contenedor (1) sustancialmente lleno de un fluido; y medios de elevación (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) del al menos un generador (9), caracterizado porque el al menos un generador (9) describe un movimiento rotatorio sobre un eje (2) al tiempo que se desplaza longitudinalmente por dicho eje (2) y porque los medios de elevación (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) comprenden al menos un dispositivo elevador (13) que se desplaza a lo largo de un canal longitudinal configurado en el eje (2), estando el al menos un dispositivo elevador (13) operativamente conectado con al menos un contrapeso (18) mediante al menos un cable (12, 15, 17) en conjunción con al menos un mecanismo de polea (14, 16), y estando configurado el sistema para que el al menos un contrapeso (18) ejerza sobre el al menos un generador (9) una fuerza de empuje hacia arriba mayor a la resistencia presentada por el al menos un generador (9); y sucesivamente, el al menos un generador (9) ejerza una fuerza de empuje hacia abajo mayor a la resistencia presentada por el al menos un contrapeso (18).

2. Sistema de generación de energía según la reivindicación 1, caracterizado porque el canal longitudinal está formado por un orificio longitudinal (10) y una abertura longitudinal (11).

3. Sistema de generación de energía según la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un contrapeso (18) comprende medios de evacuación (19, 20, 27) de una sustancia de contrapeso, en conjunción con medios de llenado (21,22, 23) de dicha sustancia.