PROCEDIMIENTOS Y DISPOSITIVOS MEJORADOS PARA EXTRAER LA ENERGÍA POTENCIAL QUE PORTAN LAS CORRIENTES FLUVIALES.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Todas las corrientes o escurrimientos de los ríos y arroyos portan una energía que por su origen se denominaría fluvial, que puede manifestarse de dos maneras: la más conocida es la energía cinética que depende de la velocidad de las corrientes y que por lo general se captura mediante hélices o dispositivos similares que normalmente están totalmente sumergidos y que son de muy baja eficiencia. La otra energía es la denominada potencial, que se manifiesta de dos maneras: una es la de "altura" o elevación que se utiliza en las plantas hidroeléctricas, y la otra es la de "presión hidrostática" o de empuje horizontal que ejerce una masa líquida contra represas, muros o diques que interrumpan su libre escurrimiento, y que hasta ahora no ha sido explotada por la humanidad como fuente energética, ya que de haberlo sido, es tan grande su potencialidad, que sería la única que se estaría utilizando actualmente en todo el Planeta, pero como es aún desconocida, es a su explotación mundial a gran escala a la que estará dirigida la presente invención.
Dada la novedad de los conceptos hasta ahora no manejados, un breve ejemplo práctico aclarará su comprensión: si en el cauce de un río que tiene una pendiente de un metro por kilómetro se instalan normales al cauce varias represas vertedoras escalonadas de unos tres metros de peralte o altura, se creará una escalinata de agua con escalones a cada tres kilómetros que en cada caída portará una energía igual al gasto de la corriente por los tales tres metros de altura, que se estaría desperdiciando; pero si en lugar de represas fijas de concreto o de algún otro material adecuado, las construimos con una fila hermética de turbinas a base de ruedas de paletas confinadas para evitar que se fugue el agua, que tengan los mismos tres metros de altura, cuyo eje esté arriba de la superficie del río, y las mantenemos frenadas, el efecto sería el mismo; pero si liberamos los
frenos un poco antes de que el agua brinque, las ruedas de paletas comenzarán a girar produciendo un par motriz cuya potencia habrá que gobernar de manera que el tirante o altura del escalón permanezca invariable/ y que la energia que se aproveche sea la potencial que porte la corriente del rio cuyo gasto de entrada a la turbina sea el mismo a la salida. Esto se comprenderá fácilmente si cada una de las turbinas acciona un generador eléctrico, y todos los generadores están conectados en paralelo a un circuito eléctrico común: mientras el circuito eléctrico esté abierto, cada turbina y su generador girarán libremente en vacio, accionadas por la energia cinética de la corriente del río, cuyo nivel a la entrada de la turbina será el mismo que a la salida, y que se supondrá de un metro de altura; pero si se cierra el circuito eléctrico, aparecerá una repentina demanda de incremento de par motriz que la energia cinética no podrá cubrir y todas las turbinas dejarán de girar, provocando que se corte el escurrimiento de la corriente fluvial, y que por tanto se abata totalmente el nivel de aguas abajo hasta dejar totalmente libre para que descargue al vacío la paleta que se encuentre frenada dentro del confinador, mientras el nivel de aguas arriba se irá elevando, y si justo antes de que la corriente comience a brincar sobre las paletas opera un mecanismo gobernador del gasto regulado para esa altura que será la del peralte del escalón de la escalinata, y que habrá de mantener fija aumentando o disminuyendo la velocidad de giro de la rueda de paletas, a fin de no alterar el gasto que esté portando el río en ese lugar y en ese momento.
Por lo hasta aquí expuesto se deduce que a pesar de que las ruedas de paletas se conocen desde hace milenios, nunca se han utilizado para extraer la energía potencial total que porten las corrientes fluviales, con miras a aprovechar todas las cuencas fluviales del mundo, y de tal manera sustituir a la era del petróleo que está llegando a su fin y evitar la combustión de derivados carboníferos que siempre producirán el letal residuo de CO-2, con lo que se logrará la descontaminación atmosférica, y por otra parte, la energía de que se dispondrá será tan abundante, que sobrará para tratar las aguas contaminadas, que es el siguiente máximo problema grave a resolver
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Los detalles característicos de este novedoso procedimiento mejorado para explotar la energía potencial que portan los escurrimientos fluviales, se muestran claramente en la siguiente descripción y en los dibujos con referencias de identificación que la acompañan.
Como el propósito del presente invento es el de capturar toda la Energía Potencial por Presión Hidrostética totalmente renovable que portan todos los ríos y arroyos del mundo tanto en su cauce principal como en los de sus afluentes, la lógica indica que los cuerpos de las corrientes se deberán fraccionar de alguna manera para hacerlos explotables, por lo que uno de los objetos del presente invento consiste en convertir a todos los cauces de una cuenca fluvial, por definición inclinados, en unas especies de escalinatas de agua tanto en cada afluente como en el cauce principal, que habrán de constituir una multiplicidad de embalses o escalones independientes que tendrán sensiblemente la forma de prismas triangulares horizontales que en lo que seria el peralte de cada escalón estará una sección de control instrumentada, y conformada por una o por varias turbinas de paletas, que tendrá siempre una de tales paletas dentro de un confinador para evitar las fugas de agua; cada turbina accionará un generador eléctrico de corriente directa que estará conectado en paralelo a un circuito común- a todos los de esa sección de control; todas las turbinas de la sección descargarán sobre el siguiente escalón hacia abajo. En la Fig. 1-a se muestra la sección transversal o perfil de un tramo de cualquier rio, y en la 1-b la correspondiente vista en planta, en las que el (1) indica el cauce, con el (2) se señalan unos bordos o diques marginales para evitar desbordamientos y que se construirán donde se requieran; con el (3) se indican unas secciones de control conformadas por unas filas de turbinas a base de rotores de paletas confinadas unidas entre si, que se presentan de diferentes diámetros suponiendo que pudieran existir diferentes profundidades, el (4) indica la ubicación de alguna planta electrolizadora o de alguna instalación auxiliar. Obsérvese que los ejes de las turbinas deberán estar siempre arriba de la superficie del agua.
Para dar una idea clara sobre cómo funciona de manera general el procedimiento que se está patentando para capturar esta energía potencial, consideremos que de la Fig. 2 sigue a continuación la Fig. 3: en la Fig. 2, por estar más arriba, el gasto de la corriente es menor, y por tanto la altura del escalón, asi como el radio de la turbina serán menores en una unidad de altitud; en ésta se ilustran los croquis de cuatro turbinas a base de ruedas de paletas con sus respectivos generadores eléctricos que al estar conectados a un circuito abierto, de las cuales las cuatro primeras están girando libremente bajo la acción de la energía cinética que porta una corriente fluvial; pero a partir de la quinta se cerró el circuito eléctrico, y desde ésta hasta la séptima, al requerirse un par motriz mayor que la energía cinética de la corriente fluvial no pudo suministrar, todas estas dejaron de girar y el nivel del agua comenzó a subir del lado de llegada de la cinco, hasta que el flotador del gobernador marcado con (18) llegó a la altura prevista, que es el peralte del escalón, aflojó el freno y la turbina comenzó a girar y a generar energía eléctrica, dejando pasar exactamente la misma cantidad de agua que está llegando, conservando fija la altura del escalón: siguiendo esta misma rutina, por orden sucesivo se irán poniendo automáticamente en marcha las turbinas de todas las secciones de control que sigan hacia abajo. Como es natural, en la operación del sistema de ese rio, siempre será posible manejar de manera independiente a cada turbina de cada sección de control.
En la Fig. 4 se muestran unos croquis en perspectiva del rotor de paletas de la turbina Fig. a, en los que con el (5) se indican las paletas y con (6), Fig. b el confinador, dentro del cual estará siempre una de las paletas como se muestra en el conjunto armado Fig. 4-c.
El proyecto para el aprovechamiento energético de un rio debe basarse en los niveles máximos que hayan alcanzado o que se hayan determinado para las crecientes máximas ordinarias que hubiesen ocurrido durante una revolución solar de once años, (que por lo general rige los ciclos pluviales) en el mayor número posible de zonas características de la cuenca, para en función de esta información determinar en unidades redondeadas al metro, la altura de los escalones de ese tramo de
longitud de río. Según la Fig. 5, la mayor altura fija del tirante de la corriente "h", en el confinador, que será el peralte de los escalones de esa zona del río, dimensión que deberá conservar el gobernador (8) de cada sección de control, con lo que se obtendrá el radio de diseño de las ruedas de paletas, tomando en cuenta, en la modalidad preferida, la conveniencia de que el brazo de palanca "r" de la turbina tenga una longitud igual a la del tirante fijo (h) o peralte en metros redondeados a la unidad inmediatamente superior (r=h) , de los escalones de esa zona de la cuenca, en la que con el (7) se indica la losa donde se apoya cada sección de control completa.
La localización de las secciones de control se hará a partir de una sección base cuya elevación de piso esté dada en una unidad redondeada, digamos cota cien: si el trazo se realiza de aguas arriba hacia aguas abajo, se correrá esa cota cien hasta encontrar el sitio donde se pueda construir el piso base (7) de la siguiente sección de control con la altura de escalón prefijada (h) , y así sucesivamente; si el trazo es hacia aguas arriba, se marca primero la altura que corresponda a la zona de escalones que corresponda hacia atrás, y se procederá de manera similar, cuidando la precisión que se reflejará en la eficiencia del conjunto de la cuenca.
Según la Fig. 5, los empujes de las presiones hidrostáticas " F " de los prismas triangulares de sección (a-b-c) , estarán actuando simultáneamente en cada escalón contra la cara de aguas arriba de la paleta que se encuentre dentro de cada confinador, mientras que la cara de aguas abajo estará libre de todo obstáculo al haber descargado hacia el vacío, lado(a-b); por lo que al girar, cuando sale la paleta que ocupaba el confinador (6), será simultáneamente sustituida por la que le sigue, y por tanto la fuerza de empuje será constante y se estará capturando al mismo tiempo la suma de toda la energía que porte el río a cada instante en toda su cuenca; en esta misma figura y con el (8), esquemáticamente se indica el instrumento gobernador del gasto para mantener fijo el nivel "h" de la corriente dentro del confinador.
En la Fig. 6 se describen todos los componentes de la sección de control equipada con la turbina adecuada para operar sobradamente con los tirantes de las corrientes máximas ordinarias para la que en la
fig. (a) se muestra el frente, en {b) la vista en planta de la estructura de soporte (9) donde se instalarán las turbinas de rotores de paletas confinadas, que en (c) se muestra en vista transversal, en (d) en frontal, y (e), es una perspectiva del confinador (6) de las paletas del rotor, mientras que (f) indica la planta y corte transversal B-B del sistema de apoyo impermeable de la estructura de soporte sobre la losa de concreto en que descansa toda la sección de control; con el (10), se indican unos elementos flotadores cuya utilización se describirá más delante, y con el (11) se indica una plataforma sobre la estructura de soporte, que será un sitio adecuado para instalar el generador eléctrico (12) o algún otro dispositivo. En la (f) de la misma figura, y para facilitar el montaje y desmontaje del conjunto rotor confinador (5) y (6) , en las cabeceras de este último van adosados dos semi troncos piramidales (13) con los que quedarán fijos en las respectivas hembras (14) sobre la estructura de soporte, mientras que en la (f), que se refiere al corte B-B, con el (15) se indican unos bloques de hule neopreno o material similar instalados en ranuras que lleva la losa de cimentación para evitar filtraciones de la corriente por abajo de las bases de las estructuras de soporte (16) . En las figs. (g) y (h) , se muestran respectivamente en elevación y en planta vistas de la compuerta (17) que corre por las correderas (18), herramienta transportable de una turbina otra que se utilizaría para aislar la boca de entrada a cualquiera de las que requieran reparación o ser sustituidas, y de tal manera impedir que el agua se fugue.
En las Figs. 7 (a y b) se apreciará en sección transversal (a) y vista de frente (b) , una sección de control operando con una creciente máxima ordinaria, y en las de la Fig. 8 en (a) máxima ordinaria y en (b) una de las máximas extraordinarias en que las secciones de control flotarán mediante los flotadores (10) que para el efecto están previstos; como se requerirá que la estructura de soporte (9) y las turbinas permanezcan en el sitio, una modalidad preferida para ello, será el conectarlas a la losa de apoyo mediante la sujeción a tensión en paralelogramo (11) mediante la cual, aparte de la sujeción, las turbinas mantendrán la horizontalidad en el sentido de la corriente cuya creciente extraordinaria estaría escurriendo por debajo.
Para el caso de que los vientos actúen sobre las paletas que estén fuera del agua y tiendan a hacer girar a las . turbinas en sentido contrario, se deberán prever unas especies de bonetes o cubiertas (19) para protegerlas de esas acciones como se muestra en la Fig. 9.
Cada sección de control estará equipada con las instalaciones y dispositivos adecuados para su mantenimiento, como pueden ser grúas viajeras para sustituir rápidamente turbinas, generadores o ciertos otros equipos dañados
Buscando una mayor variedad de aprovechamientos para cada escalón de esta escalinata acuática constituida por una multiplicidad de embalses o almacenamientos de agua, que aparte de contener energia potencial, se ocurre que podrán ser en sí mismos, fuentes de grandes y diversas riquezas al ser utilizables para establecer varios tipos de desarrollos de carácter económico que habrán de surgir de manera automática sin afectar al energético, como pueden ser centros turísticos o deportivos acuáticos, criaderos piscícolas, cultivos hidropónicos, abastecedores de agua potable o de irrigación etc., y dado que los tirantes de agua mayores producirán fuerzas de presión hidrostática mayores y todos los embalses se operarán siempre a tirantes máximos ordinarios, ello pudiera también dar origen al establecimiento de rutas de navegación fluvial, previa la necesaria adaptación de los cauces que se dotarían con adecuados canales de navegación y esclusas.