WO2006108901A1 - Sistema de generación de energía eléctrica utilizando generadores en forma de anillo - Google Patents

Sistema de generación de energía eléctrica utilizando generadores en forma de anillo Download PDF

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Definitions

  • a new method is proposed to transform the kinetic energy of a moving fluid into electrical energy, using several types of turbines, especially those of open center, and several types of non-watertight, magnetoelectric or variable reluctance generators , especially those installed in the form of a ring (although independent generators could also be used).
  • Nozzles preferably convergent-divergent, can also be used. All this as will be explained below.
  • the inductor must be constituted by an element that does not need to have an electric current, which can be achieved using rotors without winding, such as those of variable reluctance generators and non-tight magnetoelectric generators.
  • ring-shaped generators are also proposed, with a different geometry and arrangement, such as those to be described. DESCRIPTION OF THE DRAWINGS. (None of the drawings are to scale).
  • Fig. 1 and 2 represent a section of the stator and rotor rings of a ring-shaped variable reluctance generator, mounted in this case on the outer periphery of the turbine impeller impeller, and in two different positions during its turn.
  • (1) represents magnets or pieces of high magnetic permeability (with one or more magnets inside) and (2) stator windings, (5) teeth or portions with high magnetic permeability of the rotor, (6) blades of the turbine and (8) the ring to which the magnets with stator windings have been fixed.
  • Fig. 3 represents one of the stator magnets, with reference to Fig. 1 and 2.
  • Fig. 4 and 5 are a more detailed version of Fig. 1 and 2, with the difference that the ring-shaped variable reluctance generator has been mounted this time on the inner periphery of the turbine blade impeller.
  • (1) represents the magnets or pieces of high magnetic permeability (with one or more magnets inside) and (2) the stator windings, (5) the portions of material with high magnetic permeability of the rotor and (4) those of low, (6) the blades of the turbine, (7) the pieces of non-magnetizable material to keep the magnets rigidly joined together, (3) a non-magnetizable material that fills the spaces between magnets and (8) the ring to that the magnets with stator windings have been fixed.
  • Figs. 6, 7 and 8 represent different positions of the rotor and the stator of a permanent magnet generator not ring-shaped, with the magnets joined together by their N poles and their S poles, forming a crown (in Ia explanation, case a).
  • (1) are the magnets of the rotor, (2) the stator coils and (3) their cores.
  • Fig. 9 represents the rotors and stators of a non-tight ring-shaped magnetoelectric generator, placed as explained in case d), and on the outer and inner periphery of the blade impeller of an open center turbine in the form of reel with drum of curved blades. (9) are the rotor magnets, (10) the stator coils and (6) the turbine blades.
  • Fig. 10 and 11 represent one of the rotor magnets and one of the coils (showing one of its possible specific shapes) of the stator of a non-watertight ring-shaped magnetoelectric generator, placed as explained in case d).
  • (1) are the rotor magnets, (2) the stator coils, (3) their cores and (6) the turbine blades.
  • Fig. 12 and 14 represent possible ways of installing a turbine with a drum of curved blades in the critical section of a nozzle, which in Fig. 14 is convergent-divergent and for submerged installation (sea currents) and anchored to the bottom marine, and in Fig. 12 it is to install floating (waves).
  • (12) represents the low density material plate to facilitate its flotation and (2) the impeller blade of the turbine.
  • the turbines have ring-shaped generators installed (only one ring is shown), with the rotor (14) on the outer periphery of the blade impeller and the stator (15 and 11) on the wall of the nozzle in its critical section, in Fig. 12 only in the upper part (15) and in Fig.
  • Fig. 13 and 15 represent possible ways of installing a reel-shaped open center turbine and with a curved blade drum, in the critical section of a convergent-divergent nozzle, which in Fig. 13 is for installing floating or semi-floating (waves) and in Fig. 15 it is for submerged installation (sea currents).
  • the turbines have ring-shaped generators installed (only one ring is shown), with the rotor on the outer periphery of the blade impeller (13) and the stator (11 and 15) on the wall of the nozzle.
  • Fig. 16, 17 represents a reel-shaped open-center turbine with a curved blade drum installed in the critical section of a convergent-divergent nozzle, with two sectors of stator rings and a rotor ring of a generator Variable ring-shaped reluctance mounted on the outer periphery of the blade impeller.
  • (5) represents the portions of material with high magnetic permeability of the rotor and (4) those of low
  • the blades of the turbine (8) the ring sector to which the magnets with stator windings have been fixed and (16) the stator ring sector.
  • the blades are mounted on the periphery of a cylindrical drum, while in
  • Fig. 17 carries buckets.
  • Fig. 18 represents the case with buckets, but having also installed a pair of rotor-stator rings in the periphery of the area of smaller radius of the turbine rotor.
  • FIG. 19 shows an open center turbine in the form of a reel and with a curved blade drum installed in the critical section of a convergent-divergent nozzle, with a pair of rotor-stator rings (17) of a variable reluctance generator in ring shape, mounted on the periphery of the area of smaller radius of the rotor (13) of the turbine.
  • the small circle indicates the area that has been enlarged in Figs. 4 and 5.
  • Fig. 20 and 21 represent a cycloidal turbine and Fig. 22 and 23 a cycloidal turbine with a circular crown.
  • Fig. 24 represents an open center turbine in the form of a reel and with a drum of curved blades (6), installed in the critical section of a convergent-divergent nozzle (22), with two pairs of rotor-stator rings of a generator ring-shaped magnetoelectric (case a), mounted one in the periphery of the area of smaller radius (17) and another in the one of greater radius (10) of the turbine rotor.
  • Fig. 25 and 26 represent an open center turbine in the form of a reel and with articulated blade drum installed in the critical section of a convergent-divergent nozzle, with a rotor ring (17) and two sectors of stator rings ( 16) of a ring-shaped variable reluctance generator mounted on the outer periphery of the blade impeller (Fig. 25) or with a pair of rotor-stator rings of a ring-shaped variable reluctance generator mounted on the inner periphery (17) of the blade impeller (Fig. 26).
  • (S) represents the portions of material with high magnetic permeability of the rotor and (4) those of low, (8) the ring sector to which the magnets with stator windings have been fixed and (16) the stator ring sector .
  • (24), (25) and (26) represent the flat blades that have been brought by the current to a radial position and that rotate the drum.
  • (27) and (28) represent the flat blades that have been brought by the current to a position such that they do not oppose resistance to the passage of the fluid.
  • (29) represents the stops that prevent the articulated blades move beyond them and that rotate the turbine.
  • Fig. 27 and 28 represent an open center turbine in the form of a reel and with articulated blade drum installed in the critical section of a convergent-divergent nozzle (22), with a pair of rotor-stator rings of a magnetoelectric generator in ring shape mounted one on the outer periphery (10) and one on the inside (17) of the blade impeller.
  • FIg. 27 represents a generator case a) and 28 the case d).
  • Fig. 29 represents an example of an independent three-phase non-waterproof permanent magnet generator.
  • (1) is the magnet, (2) the coils of the armature, with their cores (3), (30) the insulating material in which they are embedded and (36) the axis of the rotor.
  • Fig. 30 represents the simplest possible example of a gear multiplier system.
  • 31, 32, 33 and 34 represent sprockets, (35) the axis of the turbine rotor, (36) the axis of the generator rotor and (37) the axis of the sprockets 32 and 33.
  • Figs. 31, 32 and 33 represent examples of independent non-watertight variable reluctance generators.
  • Fig. 31 (38) it represents the magnets and in Figs. 32 and 33 the pieces of high magnetic permeability with a magnet (1) or more (39 and 40) inside; (2) represents the stator windings, (5) the teeth of material with high magnetic permeability of the rotor and (4) the holes or portions of low permeability of the rotor, (41) the center of the rotor with its axis of rotation (36 ).
  • Figs. 34 and 35 represent a vane wheel type turbine.
  • Fig. 36 and 37 represent an axial turbine in the form of a helix with an open center, which in Ia
  • Fig. 38 is installed in the critical section (50) of a convergent-divergent nozzle (22) (in this case a circular section).
  • Fig. 39, 40, 41, 42, 43 and 44 represent an open center helix-shaped axial turbine with a non-tight permanent ring-shaped magnet generator.
  • 41, 42, 43 and 44 (51) are the braces that connect the inner fixed ring to the outer one.
  • the rotor-stator pair is installed in Fig. 39 on the inner periphery (17) of the blade impeller, in Fig. 40 on the outer periphery (10), and in Fig. 41, 42, 43 and 44 in both of them.
  • Fig. 43 the outline of the mouth of the nozzle (22) can be seen.
  • case a) is represented, in cases 42 and 43, case b), in case 44, case d).
  • 45 and 46 represent an axial turbine in the form of an open center propeller with a variable ring-shaped reluctance generator, which in FIG. 45 is installed in the inner periphery (17) of the blade impeller, and in Fig. 46 in the outer periphery (10).
  • Fig. 47 represents an example of a ring-shaped permanent magnet generator in case c).
  • (1) are the magnets, (2) the coils with their cores (3) and (53) the high magnetic permeability material that connects the magnets to each other.
  • Fig. 48, 49 and 50 represent examples of independent non-waterproof permanent magnet generators installed in the form of a ring, in which (36) is the axis and (41) the central rotating disk. GENERATORS IN THE FORM OF A RING.
  • non-sealed ring-shaped generators which can be magnetoelectric or of variable reluctance
  • Its configuration, particular geometry and special installation mode, are specially designed to be used basically with the turbine models proposed in this patent, whose configuration and operation will be detailed below.
  • the stator is formed (fig. 1 and 2, or in detail fig. 4 and 5) by a ring (8) to which a series of magnets (1) or pieces made of a material of high magnetic permeability with one or more magnets (38 in figs. 32 and 33) inside (it may be the place of placement of the magnets either along the piece, and even carry one on each side of the air gap).
  • Said pieces (38) (or magnets, if they consist of a single magnet) may have a horseshoe, toroidal, toroidal shape of square section, or another, and in all cases they will have an air gap (52). In each of these pieces (or magnets, as the case may be), a winding (2) will be wound.
  • the rotor of this type of generator is formed by a ring on whose periphery alternate portions of high magnetic permeability material (5 in figs. 1, 2, 3, 4, 5.31, 32 and 33) and low have been fixed (4 in fig. 4, 5, 31, 32 and 33).
  • the portions of low permeability will preferably be diamagnetic and those of high ferromagnetic, although the ring could simply carry "teeth" of high permeability material (5) and holes (4).
  • the ferromagnetic portions (5) should be integrated by a large number of thin sheets of the material, superimposed one on top of the other and isolated from one another by means of a lacquered or varnished rubber bath and strongly compressed, to minimize eddy currents.
  • Each piece (38) (or magnet (1), if complete) of the stator with the material that it has at all times in the air gap (52) will form a magnetic circuit whose reluctance will vary at the rate of rotation of the rotor, which will give origin of a flux variation in the magnetic circuit, since
  • stator magnets could be mounted with alternating polarity (which would keep the ring centered), and it should also be coated with a material that allows the rotation easily, avoid friction and also be non-stick, to avoid biofouling (for example a fluoroplastic, or similar).
  • Small bearings could also be used - preferably not metallic (to avoid its inconveniences, for example that they are magnetic), but made of another material sufficiently resistant (a polymer, for example) - or another system if it is considered necessary (it will depend mainly on the size of the turbine, instead of installation, type of water, etc.).
  • the alternating portions of material with high (5) and low (4) magnetic permeability that form the rotor can in principle have any thickness, size and geometry. It should be the same size and shape as the air gap section (52), so that it fits perfectly in it, and with its edges parallel to each other and to the ends of the poles (as in Figures 3, 31, 32 and 33) , but they could also have different sizes and shapes, and be for example thinner towards the center of the ring and thicker towards the outside, being parallel to the surfaces of the poles on both sides of the air gap, etc., being obtained with the different geometries Different waveforms. As for the pieces (38) of the stator, as we have said, it is not necessary that they be whole magnets.
  • each piece (38) of the stator of a material of high magnetic permeability (Fig. 32 and 33) is that they are easier to handle and assemble, since the forces are lower magnetic between them, interesting thing especially when they are going to mount many adjacent and very close (the number can vary, according to the cases) around the route of rotation of the rotor ring. It is simpler, faster and therefore cheaper assembly and maintenance.
  • the pieces (38) can be held rigidly joined together by pieces (7 in fig. 4) of a non-magnetizable material.
  • the rotor is formed by a rotating ring to which a series of permanent magnets (1) are attached (preferably in the form of a horseshoe, although it may be another).
  • the stator will be formed by a ring to which a series of coils (2) with a core (3) are formed, formed by a magnetizable material without remaining magnetism and high permeability (for example, a large number of very thin sheets of silicon iron, isolated each other and strongly compressed).
  • the magnets pass in front of the different coils with their cores, so that there is a variation of magnetic flux through them, originating an f.e.m. induced.
  • a pair of wires (9) will flow from each coil through which the generated current will circulate, and those of the different coils can be connected to each other in a suitable way so that the generated electrical energy can be extracted from the system by a single pair of cables.
  • stator coils In each case, the stator coils must be properly placed in the ring, that is, in cases a), b) and c) longitudinally, and in d) transversely.
  • the number of magnets surrounding the turbine making a complete circle can be varied in each case, but in order to function properly in cases a), c) and d) the 360 ° must be surrounded by a number of them always even.
  • both the rotor and the stator should be embedded in a non-magnetizable resistant material that fills the spaces between them (J in fig. 5), for example a plastic material, which would also have The advantage of protecting them against corrosion, preventing the introduction of foreign substances between them (which would mean less breakdown and maintenance) and preventing the formation of small turbulence.
  • the rings can be complete or not, depending on what is most convenient in each case.
  • the stators could be constituted only by one or two sectors of the ring (one in the upper wall and one in the lower one of its critical section, for example), as in Figs. 12, 13, 14 and 15; but nevertheless if they are of type 3, they should be complete rings (FIg. 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 and 46).
  • It consists of a drum (13) of curved blades that can rotate around an axis, as indicated in Figures 12 and 14, these being concave, convex or even flat.
  • the current of fluid (19) pushes the vanes by rotating the drum around the drive shaft (35).
  • the number of blades can vary, as well as the curvature, dimensions and specific shape thereof.
  • the turbines can be as described in the previous point, but with the difference that the central part has been eliminated, that is, both the central axis with the bearing system, and the part closest to the center and of lower blade radius.
  • This has advantages, since Ia that the zone of the blades that produces the greatest power is the extreme zone or of greater radius ( Figures 13 and 15). In this way, and having also eliminated the heaviest part of the turbine, great performance will be obtained at a much lower cost than in the previous case, also requiring less maintenance, since the axis and other elements of the area closest to the Axis are the most expensive to manufacture and those that may need more maintenance (cleaning of embedded materials, bonded, or even rolled seaweed to it, etc).
  • these turbines consist of a drum (13) on whose periphery a series of blades are mounted (the number of which may vary) , which could be concave, convex or flat, fixed or articulated, and of variable shape and dimensions. Having eliminated the center, the number of blades can be greatly increased.
  • the blades are articulated (fig. 25, 26,27 and 28), they will have articulations at the ends by which they are attached to the rotating drum, and may have stops (29) at the most extreme points of the turning radius ( preferably at the lateral ends of the cylindrical crown and a pair for each blade).
  • part of the blades (24, 25 and 26 in Hg. 25 and 26), driven by the current, will tend to be located in radial direction and perpendicular to it, so that they will rotate the drum, while the others (27 and 28 in figs.
  • the drum of vanes or buckets can rotate around a fixed tube or cylinder (open or closed, hollow or not), or around a system of rings joined together by a series of axial braces (the rings and / or braces they can be solid or hollow - and in this case filled or not). Wearing only a ring system with braces, in addition to making the system lighter, has the advantage of greatly reducing friction.
  • This ring system can also be installed on the periphery of an inner cylinder, if the only thing that is intended is to reduce friction.
  • the fixed element that performs the functions of the axis of rotation is open at its sides (cylinder bases, if applicable), it is appropriate that it has a protective grid so that foreign substances do not accumulate inside. If it is closed it has the advantage that foreign substances will not accumulate inside, and in this case it can go empty or completely or partially filled with a type of low density material that facilitates its flotation (for example of the type of polyurethane foam, or polystyrene).
  • turbines could thus be installed directly, it is convenient that they be installed inside a nozzle (preferably in the critical section of a convergent-divergent nozzle (22), as in Figures 13 and 15, for example), and in this case the drum of vanes or buckets could even rotate freely, (that is, without the need of any set of hoops or fixed cylinder inside that act as a turning axis).
  • Open center turbines of larger size than in the previous case can be built, installed and used, and also larger than that of conventional turbines, conventional Kaplan or Francis used in traditional hydroelectric power plants, since they are not efficient in these nor profitable to make them large.
  • Another advantage of these open center turbines is to eliminate the problem of turbulence that occurs near the center, which is very convenient since they cause a decrease in yield, absorb fish and foreign substances inside and cause modifications environmental factors that affect wildlife nearby.
  • These types of turbines also have a lower manufacturing and maintenance cost.
  • turbines will be in the form of those represented in fig. 34 and 35, that is, axial propeller-shaped turbines with open center.
  • TURBINES OF THE WHEEL TYPE OF PALLETS. (Fig. 34 and 35). They consist of a drum that has a series of rotating vanes (43, 45, 46, 47, 48 and 49)
  • the fluid drives the vanes, so that if the current (19) comes from left to right, the vanes of the upper part of the semicircle (45, 46 and 47) swing around the pivots and are brought to be located parallel to the direction of the flow, so that they do not oppose resistance to the passage of the fluid, while the vanes of the lower part (48, 49 and 50) of the semicircle pivot with respect to its hinge and rotate until they are stopped by the stops ( 29 and 44), being placed in radial position and thus offering resistance to the passage of the fluid. In this way, the vanes of the lower part rotate the drum, while the rest do not act.
  • the corresponding blades will be placed in a perpendicular direction (18-a and 18-b) to the flow of the current (19) and will turn the disk (53) to which they are connected, while those that are not in the appropriate direction (20-a, 20b and 20c) do not act, since while the fluid drives them to stand perpendicular to the current, the diametrically opposed will have been brought by the current to the horizontal position, in which they do not present any resistance to the passage thereof. Because of this, the disc will always rotate in the same direction.
  • Cycloidal turbines with circular crown are turbines like cycloidal ones but with the difference that the articulated blades, instead of being connected to a rotating disk, are placed in a circular crown (21).
  • the blades can be flat, concave or convex, and their shape, dimensions and curvature can be variable in each case.
  • the rotating drum of vanes or buckets of the turbine should be installed in the critical section of a nozzle, preferably convergent-divergent (22) (for turbines of the type described in points 1, 2, 4 and 5, of the type indicated in Figures 12, 13, 14 and 15, and for axial turbines such as those described in point 3, as indicated in Figures 38 and 43), so that The mouth of the convergent part through which the moving fluid enters (19) is a fairly large distance from the critical section thereof and has a section much larger than this. This has a double objective:
  • the divergent outlet part of the nozzle can be of a different length and opening angle than the convergent inlet, being able to be concave, convex or flat.
  • nozzles shown in the drawings are a possible embodiment of them, without this meaning that we should limit our to the use of that particular geometry and dimensions, since their shape and size admit many variations.
  • floats for use, for example, with waves, even in the area of breakers, and in this case the entrance opening must have a height of a suitable size at the usual height of the waves in the place of installation
  • low density material for example extruded or expanded polystyrene
  • grilles or nets are convenient to place in the mouths of the nozzles to prevent the entry of foreign substances that can block or hinder the rotation of the drums.
  • These grilles or nets can be made of various types of material, but they should be light and simple to remove for cleaning. They could be placed in pairs and mounted, for example, in a pair of parallel and close grooves, so that while cleaning one another it will continue to protect the inlet of the nozzle. This will also prevent the fish from entering, thus preventing them from being dragged to the rotor blades (which, in addition to causing their death, could block it and slow its operation).
  • the nozzles could be divided into cross sections, so that each one has a height in the critical section for example approximately equal to the distance between each two blades or buckets, to better direct the flow of water to each of them.
  • the nozzles could also carry guide vanes in cases where it is considered necessary.
  • the ring system with braces or the fixed inner cylinder around which the impeller or bucket rotates can be attached by its ends to the side walls of the nozzle. If the blades are articulated, the stops can also be located on the side walls of the nozzle. In the open center axial turbines, the central ring can be attached by braces to the walls of the nozzle.
  • each nozzle and / or each drum
  • there can be several pairs of rings in which the cables that come out of each pair can be properly connected to each other so that Each unit has a single pair of cables.
  • the rotor rings of the generator (14 in figs. 12, 13, 14 and 15) will be fixed to the outer (10) or inner (17) periphery of the turbine blade impeller, as the case may be, or both. If they are not open center turbines, obviously they can only be fixed to the outer periphery.
  • stator rings may be fixed (or better embedded) in the ring or ring system with braces or fixed inner cylinder that acts as an axis, as appropriate. Whether they are open center or not, if it has rotor rings on the outside (10) of the impeller Blades of the turbine, each ring of stators can be fixed or embedded in a ring of non-magnetizable resistant material, which can be fixed inside a C-shaped housing or similar (into which the rotor can enter a little, serving at the same time of subjection to avoid that it "falls”) if it is independent turbines.
  • stator rings may be fixed (or better embedded) in the wall of the nozzle in its critical section, and in this case, in the case of the turbine 3 will be complete rings, but in the case of turbines of types 1, 2, 4 and 5 it is not appropriate that they be complete rings but sectors of the same size as the parts of the nozzle in which they will be installed (for this, the curvature of the nozzle in its critical section must be equal to that of the outer circumference of the turbine rotor). In either case they must be installed in a position such that the rotors, when turning, pass in front of the stators (or through the air gap, as the case may be). They can also carry systems of stators and rotors in both areas (interior and exterior) simultaneously.
  • the C-shaped housing that carries the ring of stators will be the one that is fixed, hung or anchored.
  • bearings can be used, to avoid friction between the rotor and the fixed parts, "spacer" magnets or electromagnets (conveniently insulated) of suitable size to that of the turbine can be placed, which can be regularly spaced, some in the rotating part and others in the fixed ones (C-shaped pseudo-ring housing that carries the ring of stators or nozzle and / or cylinder or ring system or ring system with inner braces - and in this case, for example, in the braces that join the rings - ), with the same polarity, so that equal poles face and repel each other.
  • the mentioned turbines can also be used with independent non-waterproof, magnetoelectric or variable reluctance generators.
  • independent generators can be used for each nozzle and turbine, or one for every two units, for example, putting it in the middle, in the central axis between both nozzles, taking into account that, if so, they should be used differential elements to avoid the stress that the axis would suffer in case of local variations in the speed of the current that would affect the speed of rotation of each of the turbines of the torque with a common generator.
  • the generator shaft can be connected directly to the turbine, or by means of a multiplier (for example, that of fig. 30), which should be conveniently isolated.
  • the purpose of the multiplier is to obtain a rotation speed much higher than that of the turbine (35) in the generator rotor (36), so that although the turbine rotates at a low speed, we can obtain higher rotational speeds in the rotor of the generator, and with it higher values of induced electromotive force.
  • Figure 30 represents the most simplified example possible of a gear multiplier system that, together with the shaft (35) of the drum, by means of the shaft (36) transmits the rotation to the rotor of a generator.
  • Said system is constituted by a series of gears formed by cogwheels (31, 32, 33 and 34) with different radii so that the speed of rotation increases, the number of cogwheels and axles desired can be intercalated, with the appropriate radius to obtain the desired rotation speed of the shaft (36) of the rotor.
  • the axle (36) of the last gearwheel (34) will be the one that moves the generator rotor, which in the case of the one represented in fig. 29 would be constituted by a permanent magnet (1). Its different elements may be constructed (and coated) of any material deemed appropriate.
  • Fig. 29 represents, by way of example, a three-phase permanent magnet generator that does not need to be airtight.
  • the rotor is formed by a permanent magnet (1) that can rotate around an axis (36).
  • the armature consists of a set of coils with cores of a magnetizable material with no remaining magnetism and high permeability, jointly and severally bonded to a ring of high permeability material and without remaining magnetism (for example, a large number of very thin sheets of silicon iron, isolated from each other and strongly compressed).
  • a three-phase generator of outgoing poles is represented, any other with any number of poles could be used.
  • Permanent magnet generators of the type of the ring-shaped ones described above but installed independently could also be used, for which it will be necessary to place in the central area of the inductor-induced rings a disc of suitable thickness (or a braces structure) with its axis, and around which the rings are fixed, as in figures 48 ⁇ 49; for example.
  • the magnets can be installed in any of the ways described above, and the same considerations mentioned above must be taken into account. In this case the axis of the turbine or turbines and that of the generator should be connected by means of a speed multiplier.
  • VARIABLE RELUCTANCE GENERATOR VARIABLE RELUCTANCE GENERATOR.
  • FIGS 31, 32 and 33 represent practical examples of realization of variable reluctance generators.
  • the rotor (41) could be constituted by a cogwheel (which revolves around an axis) of non-magnetized material of high magnetic permeability, or better by a wheel of another material (preferably non-magnetizable and lightweight so that the rotation speed the same is greater when having less mass) surrounded by a ring formed by alternating portions of low and high magnetic permeability material (not magnetized), or simply with teeth (5) of high magnetic permeability material not magnetized on its periphery.
  • the gaps (4) between the teeth (5) can be filled with a material of low magnetic permeability, preferably light (if we use a material of great diamagnetism, the variation of flow will be greater).
  • teeth or portions of high magnetic permeability material (5) should be formed by a large number of very thin sheets, isolated from each other and strongly compressed.
  • the stator may be constituted by a variable number of permanent magnets (1), preferably in the form of a horseshoe, although they may also be toroidal with a gap or otherwise deemed convenient, which form the core of the winding of the coils of the induced (2). It is not essential that (38) be constituted entirely by a magnet (1), the magnet being able to be only in a certain area (54 in fig. 32), and anywhere in the path of (38), being the remainder constituted simply of a material of high permeability. You could also put, for example, two small magnets (39 and 40) with opposite poles on both sides of the air gap, as shown in fig. 33.
  • Variable reluctance generators have many advantages over conventional generators and even permanent magnet generators (both independent and ring-shaped ones). In addition to the advantages over conventional ones of having no collectors or brushes, neither being formed in them or arcs or sparks, being quieter, more efficient (largely due to the elimination of the primary current), heating less, etc. ., they also have advantages with respect to permanent magnets, since they do not have magnets in the rotor, such as that they can be lighter and with the same turbine reach the rotor faster, they do not produce the complete inversion of the magnetic field, Since in them the losses due to hysteresis and eddy currents are lower, the output has less harmonics, less peaks and transients that reduce the quality and efficiency of the output, etc. In addition, production and maintenance are cheaper than those of permanent magnets, because to mount magnets whose fields are in opposition, it is necessary to overcome the magnetic forces, which makes large-scale production and maintenance more expensive.
  • H c high coercivity
  • _? HJ energy product
  • suitable materials are available in the market, among which, just as an example, we can mention several kinds of Alnico and Cunife, and various Aluminum alloys with carbon, etc.
  • diamagnetic material if used, it is desirable that they have a high diamagnetism (such as pyrolytic graphite, for example),
  • Both the rotors and the stators with the coils of the armature must be protected by another type of material that prevents corrosion, the formation of small turbulence, and prevents the introduction of foreign substances.
  • the turbines could be constructed of a lightweight material that is resistant to corrosion and the unfavorable conditions of the marine environment (for example, fiberglass or carbon fiber, better if it is reinforced, for example with epoxy, or better still reinforced PEEK, etc. ). Depending on the type of material chosen, it might be convenient to carry some type of material that facilitates its buoyancy mixed or in its composition.
  • Any of these equipment could be installed in many ways, for example anchored directly to the seabed, or hung from bridges or anchored platforms, floating or not, which also have the advantage of allowing its lifting for maintenance. Small units could also be installed in any type of ship.
  • the nozzle can be anchored, and mounted in its upper part, in its critical section, a sector as a cover bolted to it with the dimensions corresponding to the turbine-generator group, in order to be able to lift said group without the need to act on the nozzle, thus facilitating maintenance work.
  • the cylinder or the ring or ring system with braces, as the case may be
  • it is filled with a low density material such as those proposed above, that would help buoyancy, and less additional flotation systems would be needed.
  • the fixing system of the cylinder or ring or ring system with braces should be connected and disconnected by remote control (and / or by means of robots), so that at the time you want to proceed with maintenance you can release and the floats make the turbine-generator groups rise to the surface.
  • a ballast could be attached to the bottom, which could be disconnected once connected to the permanent anchor, if appropriate.
  • Another way would be to hook them to a kind of closed chain, so that once on the surface, pulling the other end, it can be taken back to its place. Its connection and / or disconnection can be helped by means of a system of magnets or electromagnets.
  • the inner cylinder is hollow and closed on both sides, for example with double doors such as those of submarines, keeping air inside. In this way, and with a "tube" of sufficient size, it could be entered inside for maintenance, making possible repairs much easier.
  • Both the opening and the extraction could be done even from the surface, by remote control and / or by means of robots, being in general more simple the replacement of a complete stator half-ring, repairing the damaged one on the surface or on the mainland if considered convenient
  • the same system could be applied to the stators of the inner rings, being able in this case to carry for each ring for example two "caps" of the dimensions of the half of the ring, and go in the inner cylinder (the ring could be constituted by two half-rings joined, for example, to facilitate their extraction and replacement), or, to wear a ring system with braces, make them so that the rings are individually removable from the set (in one or several pieces).
  • variable reluctance generators In the case where one of the types of variable reluctance generators is used, the placement of the material of low magnetic permeability between the teeth of the wheel or the rotating ring (depending on the case), in addition to preventing turbulence, that the variation of the flow is greater, especially if the material used is a high diamagnetism material.
  • the most resistant and most suitable in general would be those of open center axial turbines for high current speeds, and those of curved blade turbines of open center with convergent-divergent nozzle of suitable shape and dimensions to the size of the turbine for lower current speeds, both with variable ring-shaped reluctance generator.
  • the main advantage is that, due to the nozzle, greater power can be obtained from smaller units, being more profitable (especially in places where the speed of the current is not very large).
  • the nozzle involves a larger initial outlay for its installation, the fact of being able to use smaller turbines makes it profitable. It must be taken into account that, once installed, they do not require any fuel expense, so that the electricity obtained would be really economical. In addition, the nozzle would be the only really profitable possibility for locations with lower speeds of water currents.
  • This type of systems can be used to obtain electric power not only from marine and river currents, but also in any case where there is a relative movement of the system with respect to any fluid that turns the turbine and with it the generator.
  • Another possible use of this equipment would be to use the electrical energy generated to obtain hydrogen and oxygen from the water.
  • the current obtained could be used to cause the electrolysis of the water.
  • Both could be stored for future use and hydrogen could be used as fuel.
  • the hydrogen obtained could be used directly, liquefied, sent to the ground by means of gas pipelines, or stored at the place where it was obtained, having there a possible refueling station for vehicles (marine or river, for example) that can use it as fuel. If we install small units that can be located within the current from the hull of ships, submarines, bathyscaphs (for which oxygen generated from water electrolysis could be very useful for example) or any marine vehicle, We can use it as an auxiliary power source.
  • the vehicle would have to have an adequate system to locate it in the proper position and direction and within the sea current, from which energy could be obtained.
  • the equipment could be located in a compartment near the hull, which would open when you wanted to use it to take it outside and place it within the current. It should have an orientation system and a dynamic positioning rotation system that allows it to change its orientation and fix it at an angle and a certain distance. This type of installation and use can also be done with any type of non-watertight magnetoelectric or variable reluctance generator, any type of turbines, and with or without a nozzle. They could also be used to desalinate seawater.

Abstract

Sistemas de generación de energía eléctrica utilizando generadores en forma de anillo, formados básicamente por turbinas y generadores, pudiendo llevar toberas convergente-divergentes. Las turbinas puede tener o no: su centro abierto, sus alabes curvados y/o articulados, o pueden ser: turbinas axiales, o turbinas en forma de carrete de centro abierto, o cicloidales, o cicloidales con corona circular, o ruedas de paletas, u otras. Los generadores pueden ser de imanes permanentes o de reluctancia variable, no estancos, e independientes o no. El inductor puede estar formando un anillo (de imanes o de zonas alternativamente de alta y baja permeabilidad magnética) alrededor de los alabes, y el inducido (imanes con bobinado, o bobinas con núcleo de alta permeabilidad) formando un arco o anillo instalado en la carcasa o en la tobera y/o en el cilindro o anillo (o sistema de anillos con tirantes) interior fijo si son de centro, abierto.

Description

SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO.
En Ia presente invención se propone un nuevo método para transformar Ia energía cinética de un fluido en movimiento en energía eléctrica, utilizando para ello varios tipos de turbinas, especialmente las de centro abierto, y varios tipos de generadores no estancos, magnetoeléctricos o de reluctancia variable, especialmente los instalados en forma de anillo (aunque también podrían usarse generadores independientes). Pueden también utilizarse toberas, preferiblemente convergentes- divergentes. Todo ello como se explicará a continuación.
Aunque podrían utilizarse en general con cualquier tipo de fluido en movimiento, están diseñados especialmente para los casos en que se quiera conseguir energía eléctrica a partir de grandes masas de agua en movimiento, como es el caso de las corrientes marinas, ya que en ellas hay una gran cantidad de energía cinética que puede ser transformada fácilmente en energía eléctrica. Todo ello de una forma limpia, sin impacto nocivo medioambiental alguno, es decir, sin dañar en absoluto a Ia fauna de Ia zona, sin estropear el paisaje, sin generar residuos ni producir contaminación. Además se pretende que el coste de fabricación y de mantenimiento sea bajo, para obtener energía eléctrica a precios competitivos con los de Ia obtenida a partir de combustibles fósiles, a Io que contribuye además el hecho de que no requieren ningún gasto de combustible para su funcionamiento, pues las corrientes marinas y fluviales se mueven de forma natural. No se necesita tampoco construir embalses, diques, presas o sistemas de desviación del fluido. Todo el control del sistema puede hacerse desde tierra firme y el eventual mantenimiento podría incluso hacerse desde Ia superficie. Al ir los equipos sumergidos en el caso de las corrientes marinas, no son afectados apenas por los temporales (que podrían destruir o dañar sistemas de obtención de energía a partir de las olas)
También se propone utilizar Ia energía generada para Ia obtención de hidrógeno a partir del agua, cosa que podría hacerse incluso en el lugar de su instalación (que puede ser en medio del mar, cerca o lejos de Ia costa), con Io que se propone paralelamente un método para obtener hidrógeno a precios competitivos. Asimismo Ia energía obtenida podría utilizarse para Ia desalinización del agua del mar.
Para obtener energía de las corrientes oceánicas es suficiente con sumergir en ellas una turbina hidráulica convenientemente orientada que accione un generador eléctrico. Se propone utilizar generadores no estancos, con inducido fijo e inductor móvil para resolver el mayor problema que suele presentase cuando se quiere obtener energía eléctrica a partir de corrientes marinas o fluviales, y que reside en que el agua podría inutilizar elementos delicados del dispositivo, debido a Ia dificultad que entraña conseguir un aislamiento adecuado del sistema eléctrico, ya que Ia estanqueidad de los aparatos, en especial Ia del eje del rotor del generador, es imperfecta y siempre acaba fallando. Con los generadores no estancos propuestos, el sistema eléctrico (tanto de las bobinas del inducido como los bornes de salida) es fijo, con Io que podrán estar perfectamente aislados. El inductor ha de estar constituido por un elemento que no necesite disponer de corriente eléctrica, Io que se puede conseguir utilizando rotores sin devanado, como los de los generadores de reluctancia variable y generadores magnetoeléctricos no estancos. En esta invención se proponen también generadores en forma de anillo, con una geometría y disposición diferente, como los que se van a describir. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS. (Ninguno de los dibujos está a escala).
Las Fig. 1 y 2 representan una sección de los anillos de estator y rotor de un generador de reluctancia variable en forma de anillo, montado en este caso en Ia periferia exterior del rodete de alabes de una turbina, y en dos posiciones diferentes durante su giro. (1) representa los imanes o piezas de alta permeabilidad magnética (con uno o más imanes en su interior) y (2) los bobinados del estator, (5) los dientes o porciones con alta permeabilidad magnética del rotor, (6) los alabes de Ia turbina y (8) el anillo al que se han fijado los imanes con bobinados del estator. La Fig. 3 representa uno de los imanes del estator, con referencia a las Fig. 1 y 2.
Las Fig. 4 y 5 son una versión más detallada de las Fig. 1 y 2, con Ia diferencia de que el generador de reluctancia variable en forma de anillo se ha montado esta vez en Ia periferia interior del rodete de alabes de Ia turbina. (1) representa los imanes o piezas de alta permeabilidad magnética (con uno o más imanes en su interior) y (2) los bobinados del estator, (5) las porciones de material con alta permeabilidad magnética del rotor y (4) las de baja, (6) los alabes de Ia turbina, (7) las piezas de material no magnetizable para mantener a los imanes rígidamente unidos entre sí, (3) un material no magnetizable que rellena los espacios entre imanes y (8) el anillo al que se han fijado los imanes con bobinados del estator.
Las Fig. 6, 7 y 8 representan distintas posiciones del rotor y el estator de un generador de imanes permanentes no estanco en forma de anillo, con los imanes unidos entre sí por sus polos N y sus polos S, formando una corona (en Ia explicación, caso a). (1) son los imanes del rotor, (2) las bobinas del estator y (3) los núcleos de las mismas.
La Fig. 9 representa los rotores y estatores de un generador magnetoeléctrico no estanco en forma de anillo, colocados según se explica en el caso d), y en Ia periferia exterior e interior del rodete de alabes de una turbina de centro abierto en forma de carrete con tambor de alabes curvados. (9) son los imanes del rotor, (10) las bobinas del estator y (6) los alabes de Ia turbina.
Las Fig. 10 y 11 representan uno de los imanes del rotor y una de las bobinas (mostrando una de sus posibles formas específicas) del estator de un generador magnetoeléctrico no estanco en forma de anillo, colocados según se explica en el caso d). (1) son los imanes del rotor, (2) las bobinas del estator, (3) los núcleos de las mismas y (6) los alabes de Ia turbina.
Las Fig. 12 y 14 representan posibles formas de instalación de una turbina con tambor de alabes curvados en Ia sección crítica de una tobera, que en Ia Fig. 14 es convergente-divergente y para su instalación sumergida (corrientes marinas) y anclada al fondo marino, y en Ia Fig. 12 es para instalar flotante (olas). En Ia Fig. 12, (12) representa Ia plancha de material de baja densidad para facilitar su flotación y (2) el rodete de alabes de Ia turbina. Las turbinas llevan instalados generadores en forma de anillo (se muestra sólo un anillo), con el rotor (14) en Ia periferia exterior del rodete de alabes y el estator (15 y 11) en Ia pared de Ia tobera en su sección crítica, en Ia Fig. 12 sólo en Ia parte superior (15) y en Ia Fig. 14 en Ia parte superior (15) e inferior (11). Las Fig. 13 y 15 representan posibles formas de instalación de una turbina de centro abierto en forma de carrete y con tambor de alabes curvados, en Ia sección crítica de una tobera convergente- divergente, que en Ia Fig. 13 es para instalar flotante o semiflotante (olas) y en Ia Fig. 15 es para su instalación sumergida (corrientes marinas). Las turbinas llevan instalados generadores en forma de anillo (se muestra sólo un anillo), con el rotor en Ia periferia exterior del rodete de alabes (13) y el estator (11 y 15) en Ia pared de Ia tobera.
La Fig. 16, 17 representan una turbina de centro abierto en forma de carrete y con tambor de alabes curvados instalada en Ia sección crítica de una tobera convergente-divergente, con dos sectores de anillos de estator y un anillo de rotor de un generador de reluctancia variable en forma de anillo montado en Ia periferia exterior del rodete de alabes. (5) representa las porciones de material con alta permeabilidad magnética del rotor y (4) las de baja, (6) los alabes de Ia turbina, (8) el sector de anillo al que se han fijado los imanes con bobinados del estator y (16) el sector de anillo de estator. En Ia Fig. 16 los alabes van montados en Ia periferia de un tambor cilindrico, mientras que en
Ia Fig. 17 lleva cangilones. La fig. 18 representa el caso con cangilones, pero habiendo instalado también un par de anillos rotor-estator en Ia periferia de Ia zona de menor radio del rotor de Ia turbina.
La Fig. 19 representan una turbina de centro abierto en forma de carrete y con tambor de alabes curvados instalada en Ia sección crítica de una tobera convergente-divergente, con un par de anillos rotor-estator (17) de un generador de reluctancia variable en forma de anillo, montados en Ia periferia de Ia zona de menor radio del rotor (13) de Ia turbina. El pequeño círculo señala Ia zona que ha sido ampliada en las Fig. 4 y 5.
Las Fig. 20 y 21 representan una turbina cicloidal y las Fig. 22 y 23 una turbina cicloidal con corona circular.
La Fig. 24 representa una turbina de centro abierto en forma de carrete y con tambor de alabes (6) curvados, instalada en Ia sección crítica de una tobera convergente-divergente (22), con dos pares de anillos rotor-estator de un generador magnetoeléctrico en forma de anillo (caso a), montados uno en Ia periferia de Ia zona de menor radio (17) y otro en Ia de mayor radio (10) del rotor de Ia turbina.
La Fig. 25 y 26 representan una turbina de centro abierto en forma de carrete y con tambor de alabes articulados instalada en Ia sección crítica de una tobera convergente-divergente, con un anillo de rotor (17) y dos sectores de anillos de estator (16) de un generador de reluctancia variable en forma de anillo montado en Ia periferia exterior del rodete de alabes (Fig. 25) o con un par de anillos rotor-estator de un generador de reluctancia variable en forma de anillo montado en Ia periferia interior (17) del rodete de alabes (Fig. 26). (S) representa las porciones de material con alta permeabilidad magnética del rotor y (4) las de baja, (8) el sector de anillo al que se han fijado los imanes con bobinados del estator y (16) el sector de anillo de estator. (24), (25) y (26) representan los alabes planos que han sido llevados por Ia corriente a una posición radial y que hacen girar el tambor. (27) y (28) representan los alabes planos que han sido llevados por Ia corriente a una posición tal que no oponen resistencia al paso del fluido. (29) representa los topes que impiden que los alabes articulados se muevan más allá de los mismos y que hacen girar Ia turbina.
Las Fig. 27 y 28 representan una turbina de centro abierto en forma de carrete y con tambor de alabes articulados instalada en Ia sección crítica de una tobera convergente-divergente (22), con un par de anillos rotor-estator de un generador magnetoeléctrico en forma de anillo montados uno en Ia periferia exterior (10) y otro en Ia interior (17) del rodete de alabes. La FIg. 27 representa un generador caso a) y Ia 28 el caso d).
La Fig. 29 representa un ejemplo de generador de imán permanente no estanco trifásico independiente. (1) es el imán, (2) las bobinas del inducido, con sus núcleos (3), (30) el material aislante en que van incrustadas y (36) el eje del rotor.
La Fig. 30 representa el ejemplo más simple posible de un sistema de engranajes multiplicador. 31, 32, 33 y 34, representan ruedas dentadas, (35) el eje del rotor de Ia turbina, (36) el eje del rotor del generador y (37) el eje de las ruedas dentadas 32 y 33.
Las Fig. 31, 32 y 33 representan ejemplos de generadores de reluctancia variable no estancos independientes. En Ia Fig. 31 (38) representa los imanes y en las Fig. 32 y 33 las piezas de alta permeabilidad magnética con un imán (1) o más (39 y 40) en su interior; (2) representa los bobinados del estator, (5) los dientes de material con alta permeabilidad magnética del rotor y (4) los huecos o porciones de baja permeabilidad del rotor, (41) el centro del rotor con su eje de giro (36).
Las Fig. 34 y 35 representan una turbina del tipo rueda de paletas. Las Fig. 36 y 37 representan una turbina axial en forma de hélice con centro abierto, que en Ia
Fig. 38 está instalada en Ia sección critica (50) de una tobera (22) convergente-divergente (en este caso de sección circular).
Las Fig. 39, 40, 41, 42, 43 y 44 representan una turbina axial en forma de hélice de centro abierto con un generador de imanes permanentes no estanco en forma de anillo. En las fig. 39, 41, 42, 43 y 44 (51) son los tirantes que conectan el anillo fijo interior con el exterior. El par rotor-estator está instalado en Ia Fig. 39 en Ia periferia interior (17) del rodete de alabes, en Ia Fig. 40 en Ia periferia exterior (10), y en las Fig. 41, 42, 43 y 44 en ambos. En Ia fig. 43 se puede apreciar el contorno de Ia boca de Ia tobera (22). En las Fig. 39, 40 y 41 se representa el caso a), en las 42 y 43, el caso b), en Ia 44 el caso d). Las Fig. 45 y 46 representan una turbina axial en forma de hélice de centro abierto con un generador de reluctancia variable no estanco en forma de anillo, el cual en Ia fig. 45 está instalado en Ia periferia interior (17) del rodete de alabes, y en Ia Fig. 46 en Ia periferia exterior (10).
La Fig. 47 representa un ejemplo de generador de imanes permanentes en forma de anillo en el caso c). (1) son los imanes, (2) las bobinas con sus núcleos (3) y (53) el material de alta permeabilidad magnética que conecta los imanes entre sí.
Las Fig. 48, 49 y 50 representan ejemplos de generadores de imanes permanentes no estancos independientes instalados en forma de anillo, en que (36) es el eje y (41) el disco central giratorio. GENERADORES EN FORMA DE ANILLO.
En esta invención se propone especialmente el uso de generadores no estancos instalados en forma de anillo, que pueden ser magnetoeléctricos o de reluctancia variable. Su configuración, geometría particular y especial modo de instalación, están pensadas especialmente ser utilizados básicamente con los modelos de turbinas propuestas en esta patente, cuya configuración y funcionamiento se detallarán a continuación.
1. GENERADOR DE RELUCTANCIA VARIABLE EN FORMA DE ANILLO.
Se dará Ia explicación de su funcionamiento en referencia a las figuras 1, 2, 3, 4, 5, 31, 32, 33, 45 y 46.
El estator está formado (fig. 1 y 2, ó en detalle fig. 4 y 5) por un anillo (8) al que se han fijado una serie de imanes (1) o de piezas hechas de un material de alta permeabilidad magnética con uno o más imanes (38 en las fig. 32 y 33) en su interior (pudiendo ser el lugar de colocación de los imanes cualquiera a Io largo de la pieza, e incluso llevar uno a cada lado del entrehierro). Dichas piezas (38) (o imanes, si constan de un solo imán) podrán tener forma de herradura, toroidal, toroidal de sección cuadrada, u otra, y en todos los casos tendrán un entrehierro (52). En tomo a cada una de estas piezas (o imanes, según el caso) irá arrollado un bobinado (2).
El rotor de este tipo de generador está formado por un anillo en cuya periferia se han fijado porciones alternadas de material de permeabilidad magnética alta (5 en las fig. 1, 2, 3, 4, 5,31, 32 y 33) y baja (4 en fig. las 4, 5, 31, 32 y 33). Las porciones de baja permeabilidad serán preferiblemente diamagnéticas y las de alta ferromagnéticas, aunque el anillo podría llevar simplemente "dientes" de material de alta permeabilidad (5) y huecos (4). Al girar el rotor, estas porciones de alta y baja permeabilidad irán pasando por el entrehierro (52) del imán. Las porciones ferromagnéticas (5) conviene que estén integradas por un gran número de láminas delgadas del material, superpuestas una sobre Ia otra y aisladas entre sí mediante un baño de goma laca o barniz y fuertemente comprimidas, para minimizar las corrientes de Foucault.
Cada pieza (38) (o imán (1), si es completo) del estator con el material que tenga en cada momento en el entrehierro (52) formará un circuito magnético cuya reluctancia irá variando al ritmo de giro del rotor, Io que dará origen a una variación de flujo en el circuito magnético, y a
Ia generación de una fuerza electromotriz inducida en las bobinas. Aunque Ia f.e.m. inducida en cada una de los devanados sea pequeña, si los conectamos entre sí de forma adecuada, las contribuciones de cada uno se sumarán, obteniéndose en consecuencia una cantidad apreciable de energía eléctrica. De todo el conjunto puede salir simplemente un par de cables que transportarán Ia energía eléctrica generada.
Para evitar que el anillo de material de alta y baja permeabilidad magnética y los bordes del entrehierro rocen entre sí, podrían montarse los imanes del estator con polaridad alternada (Io que mantendría el aro centrado), y además convendría revestirlo también de un material que permita el giro fácilmente, evite rozamientos y que además sea antiadherente, para evitar el biofouling (por ejemplo un fluoroplástico, o similar). También podrían usarse pequeños cojinetes - preferiblemente no metálicos (para evitar sus inconvenientes, por ejemplo que se magneticen), sino hechos de otro material suficientemente resistente (un polímero, por ejemplo) - u otro sistema si se considera necesario (dependerá sobre todo del tamaño de Ia turbina, lugar de instalación, tipo de aguas, etc.).
Las porciones alternadas de material con alta (5) y baja (4) permeabilidad magnética que forman el rotor, pueden en principio tener cualquier grosor, tamaño y geometría. Convendría que tuvieran el mismo tamaño y forma que Ia sección del entrehierro (52), para que encajara perfectamente en él, y con sus bordes paralelos entre sí y a los extremos de los polos (como en las figuras 3, 31, 32 y 33), pero también podrían tener tamaños y formas distintas, y ser por ejemplo más delgadas hacia el centro del anillo y más gruesos hacia el exterior, siendo paralelos a Ia superficies de los polos a ambos lados del entrehierro, etc., obteniéndose con las distintas geometrías distintas formas de onda. En cuanto a las piezas (38) del estator, como ya hemos dicho, tampoco es necesario que sean imanes enteros. La ventaja de utilizar imanes más pequeños y estar constituida el resto de cada pieza (38) del estator de un material de elevada permeabilidad magnética (Fig. 32 y 33), es que son más fáciles de manejar y montar, al ser menores las fuerzas magnéticas entre ellos, cosa interesante sobre todo cuando se van a montar muchos adyacentes y muy cercanos (el n° puede variar, según los casos) en torno al recorrido de giro del anillo del rotor. Es más sencillo, rápido y por tanto más barato su montaje y mantenimiento. Las piezas (38) pueden mantenerse unidas rígidamente entre sí mediante piezas (7 en Ia fig. 4) de un material no magnetizable.
2. GENERADORES DE IMANES PERMANENTES NO ESTANCOS EN FORMA DE ANILLO. Se dará Ia explicación de su funcionamiento en referencia a las figuras 6, 7, 8, 9, 10, 11, 24, 27,
28, 39, 40, 41, 42, 43 y 44.
El rotor está formado por un anillo giratorio al que van fijados una serie de imanes permanentes (1) (preferentemente en forma de herradura, aunque puede ser otra). El estator estará formado por un anillo al que van fijadas una serie de bobinas (2) con núcleo (3) formado por un material magnetizable sin magnetismo remanente y de gran permeabilidad (por ejemplo un gran número de láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas). Al girar el rotor los imanes van pasando frente a las distintas bobinas con sus núcleos, con Io que hay una variación de flujo magnético a través de ellas, originándose una f.e.m. inducida. De cada bobina saldrá un par de hilos (9) por los que circulará Ia corriente generada, pudiéndose conectar los de las distintas bobinas entre sí de forma adecuada para que Ia energía eléctrica generada pueda ser extraída del sistema por un único par de cables.
Dependiendo de Ia forma de los imanes y del modo en que los coloquemos en el anillo del rotor, hay varias posibilidades, entre las que podemos señalar los siguientes casos, entre otros: a) Imanes en forma de herradura instalados longitudinalmente en torno a Ia periferia del anillo con sus polos norte adyacentes entre sí y sus polos sur adyacentes entre sí, formando una corona multipolar, como en las fig. 6, 7, 8, 24, 27, 39, 40 y 41, por ejemplo. b) imanes en forma de herradura instalados longitudinalmente en torno al anillo y separados entre sí, como en las Fig. 42 y 43. c) Imanes en forma de barra independientes situados en torno al anillo a una cierta distancia entre ellos, con polaridad alternada (de modo que si un imán está unido al anillo por su polo
N, el siguiente Io esté por el S) conectados entre sí por un material de alta permeabilidad magnética. d) Imanes en forma de herradura fijados al anillo transversalmente y con polaridad alternada (es decir, que si en un imán el polo N mira al frente, el del siguiente mirará en dirección opuesta, como en las fig. 9, 10, 11, 28 y 44).
En cada uno de los casos, las bobinas del estator deben estar colocadas de forma adecuada en el anillo, esto es, en los casos a), b) y c) longitudinalmente, y en el d) transversalmente.
El número de imanes que rodea a Ia turbina haciendo un círculo completo puede ser variado en cada caso, pero para que funcione adecuadamente en los casos a), c) y d) los 360° deberán estar rodeados por un número de ellos siempre par.
En todos los generadores en forma de anillo, tanto el rotor como el estator conviene que vayan incrustados en un material resistente no magnetizable que rellene los espacios entre ellos (J en Ia fig. 5), por ejemplo un material plástico, Io que además tendría Ia ventaja de protegerlos frente a Ia corrosión, evitar que se introduzcan substancias extrañas entre ellos (Io que supondría menos averias y mantenimiento) y evitar que se formen pequeñas turbulencias.
Los anillos pueden ser completos o no, dependiendo de Io que más convenga en cada caso. Por ejemplo, si los generadores en forma de anillo se van a instalar en Ia periferia exterior de las turbinas de los tipos 1,2 4 y 5 que se describirán más adelante y éstas se van a instalar en toberas, los estatores podrían estar constituidos sólo por uno o dos sectores del anillo (una en Ia pared superior y otra en Ia inferior de su sección crítica, por ejemplo), como en las Fig. 12, 13, 14 y 15; pero sin embargo si son de las tipo 3, deberían ser anillos completos (FIg. 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 y 46).
El hecho de que las f.e.m. obtenidas en cada una de las bobinas esté desfasada con respecto a Ia de Ia siguiente no presenta ningún problema, ya que simplemente se podrían poner en fase intercalando un pequeño circuito electrónico que cambie su fase. Luego habría que sumar las contribuciones de cada bobina de forma adecuada antes de llevar Ia tensión resultante a un transformador elevador para su transporte.
TURBINAS PROPUESTAS.
Cualquiera de los tipos de generadores propuestos se pueden utilizar con muchos tipos diferentes de turbina. A continuación se explica el posible modo de instalación en varios ejemplos de turbinas que se proponen.
1. TURBINAS CON TAMBOR DE ALABES CURVADOS (fig. 12 y 14).
Consta de un tambor (13) de alabes curvados que puede girar alrededor de un eje, como se indica en las figuras 12 y 14, pudiendo ser éstos cóncavos, convexos o incluso planos. La corriente del fluido (19) empuja a las paletas haciendo girar el tambor alrededor del eje de transmisión (35). El número de alabes puede variar, así como Ia curvatura, dimensiones y forma específica de los mismos.
2. TURBINAS DE CENTRO ABIERTO EN FORMA DE CARRETE.
En este caso las turbinas pueden ser como las descritas en el punto anterior, pero con Ia diferencia de que se ha eliminado Ia parte central, es decir, tanto el eje central con el sistema de cojinetes, como Ia parte más cercana al centro y de menor radio de los alabes. Esto tiene ventajas, ya que Ia que Ia zona de los alabes que produce mayor potencia es Ia zona extrema o de mayor radio (Figuras 13 y 15). De este modo, y al haber eliminado además Ia parte más pesada de Ia turbina, se obtendrán un gran rendimiento a un coste mucho menor que en el caso anterior, necesitando también menor mantenimiento, pues el eje y demás elementos de Ia zona más cercana al eje son los más costosos de fabricar y los que podrían necesitar un mayor mantenimiento (limpieza de materiales incrustados, adheridos, o incluso algas enrolladas al mismo, etc).
En general estas turbinas (Figuras 13, 15, 16, 17, 18, 19, 24, 25, 26, 27 y 28) constan de un tambor (13) en cuya periferia se montan una serie de alabes (cuyo número puede variar), que podrían ser cóncavos, convexos o planos, fijos o articulados, y de forma y dimensiones variables. Al haber eliminado el centro, se puede aumentar mucho el número de alabes.
Si los alabes son articulados (fig. 25, 26,27 y 28), tendrán unas articulaciones en los extremos por los que se unen al tambor giratorio, y pueden llevar unos topes (29) en los puntos más extremos del radio de giro (preferiblemente en los extremos laterales de Ia corona cilindrica y un par para cada alabe). Dependiendo de Ia dirección del flujo del fluido (19) y siempre que se sitúe de forma adecuada, parte de los alabes (24, 25 y 26 en las Hg. 25 y 26), impulsados por Ia corriente, tenderán a situarse en dirección radial y perpendicularmente a Ia misma, por Io que harán girar al tambor, mientras que los demás (27 y 28 en las fig. 25 y 26) serán impulsados por el flujo de Ia corriente a situarse en una posición horizontal o tangente al cilindro del tambor en Ia que no oponen resistencia al paso del fluido. Los alabes no se sitúan en Ia dirección radial hasta que el cilindro ha girado Io suficiente como para quedar en una posición tal como los (24), (25) y (26) de las fig. 25 y 26, por Io que el cilindro girará siempre en el mismo sentido. Los topes (29) impiden que los alabes articulados puedan girar más allá de los mismos y, al ser empujados por los alabes en movimiento, hacen girar el tambor.
El tambor de alabes o cangilones puede girar en torno a un tubo o cilindro fijo (abierto o cerrado, hueco o no), o en torno a un sistema de aros unidos entre sí por una serie de tirantes axiales (los aros y/o tirantes pueden ser macizos o huecos - y este caso rellenos o no). El llevar sólo un sistema de aros con tirantes, además de hacer el sistema más ligero, tiene Ia ventaja de disminuir mucho el rozamiento. Este sistema de aros puede instalarse también en Ia periferia de un cilindro interior, si Io único que se pretende es disminuir el rozamiento. Si el elemento fijo que hace las funciones de eje de giro (aunque su tamaño puede ser muy grande y tener un gran diámetro) va abierto por sus laterales (bases de los cilindros, si es el caso), conviene que lleve una rejilla de protección para que no se acumulen sustancias extrañas en su interior. Si va cerrado tiene Ia ventaja de que no se acumularán sustancias extrañas en su interior, y en este caso puede ir vacío o relleno total o parcialmente de un tipo de material de baja densidad que facilite su flotación (por ejemplo del tipo de Ia espuma de poliuretano, o poliestireno).
Aunque estas turbinas podrían instalarse así directamente, conviene que vayan instaladas en el interior de una tobera (preferiblemente en Ia sección crítica de una tobera convergente-divergente (22), como en las figuras 13 y 15, por ejemplo), y en este caso el tambor de alabes o cangilones podría incluso girar libremente, (es decir, sin necesitar ningún sistema de aros o cilindro fijo en su interior que hagan de eje de giro).
Pueden construirse, instalarse y utilizarse turbinas de centro abierto de mayor tamaño que en el caso anterior, y también mayor que el de las turbinas de hélice, las Kaplan o Francis convencionales usadas habitualmente en las centrales hidroeléctricas tradicionales, ya que en éstas no resulta eficiente ni rentable fabricarlas de gran tamaño. Otra de las ventajas de estas turbinas de centro abierto es Ia de eliminar el problema de las turbulencias que se producen cerca del centro, cosa muy conveniente ya que provocan una disminución del rendimiento, absorben a los peces y substancias extrañas a su interior y provocan modificaciones medioambientales que afectan a Ia fauna en sus cercanías. Este tipo de turbinas tienen también un menor coste de fabricación y de mantenimiento.
3. TURBINAS AXIALES DE CENTRO ABIERTO. (Rg. 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 y 46).
En este caso las turbinas serán de Ia forma de las representadas en las fig. 34 y 35, es decir, turbinas axiales en forma de hélice con centro abierto.
4. TURBINAS DEL TIPO RUEDA DE PALETAS. (Fig. 34 y 35). Constan de un tambor que dispone de una serie de paletas giratorias (43, 45, 46, 47, 48 y 49)
(cuyo número puede ser variable, así como el material de que estén construidas y del que puedan o no estar recubiertas y Ia forma específica de cada una) las cuales pueden girar alrededor de un eje (36) y que están articuladas mediante pivotes (42) colocados en un punto intermedio (preferentemente más cercano al eje central que a los extremos), llevando un sistema de topes situados unos en Ia parte de mayor (29) y otros en Ia de menor radio (44). El fluido impulsa a las paletas, de tal modo que si Ia corriente (19) viene de izquierda a derecha, las paletas de Ia parte superior del semicírculo (45, 46 y 47) basculan en torno a los pivotes y son llevadas a quedar situadas paralelamente a Ia dirección del flujo, por Io que no oponen resistencia al paso del fluido, mientras que las paletas de Ia parte inferior (48, 49 y 50) del semicírculo pivotan respecto a su gozne y giran hasta que son frenadas por los topes (29 y 44), quedando situadas en posición radial y ofreciendo así resistencia al paso del fluido. De este modo, las paletas de Ia parte inferior hacen girar el tambor, mientras que el resto no actúan.
5. TURBINAS CICLOIDALES Y TURBINAS CICLOIDALES CON CORONA CIRCULAR (Fig. 20, 21, 22, 23). Las turbinas cicloidales constan de una serie de paletas (18) articuladas montadas en torno a un disco (19), como se muestra en las figuras 20 y 21. Dependiendo de Ia dirección de Ia corriente y siempre que se sitúe de forma adecuada, los alabes correspondientes se situarán en dirección perpendicular (18-a y 18-b) al flujo de Ia corriente (19) y harán girar el disco (53) al que están conectados, mientras que los que no están en dirección adecuada (20-a,20b y 20c) no actúan, ya que mientras a unos el fluido los impulsa a situarse perpendicularmente a Ia corriente, los diametralmente opuestos habrán sido llevados por Ia corriente a Ia posición horizontal, en Ia cual no presentan ninguna resistencia al paso de Ia misma. Debido a ello, el disco girará siempre en el mismo sentido.
Las turbinas cicloidales con corona circular (fig. 22 y 23), son turbinas como las cicloidales pero con Ia diferencia de que los alabes articulados, en vez de estar conectados a un disco giratorio, Io están a una corona circular (21).
En ambos casos, los alabes pueden ser planos, cóncavos o convexos, pudiendo su forma, dimensiones y curvatura ser variables en cada caso.
TOBERAS.
Aunque las turbinas podrían utilizarse sin tobera, se necesitarían tamaños de turbina mucho más grandes y costosos para obtener Ia misma cantidad de energía que con otras unidades más pequeñas que se utilizasen en el interior de una tobera. Por ese y otros motivos, el tambor giratorio de alabes o cangilones de Ia turbina, conviene que vaya instalado en Ia sección crítica de una tobera, preferiblemente convergente-divergente (22) (para las turbinas del tipo de las descritas en los puntos 1, 2, 4 y 5, del tipo de las indicadas en las figuras 12, 13, 14 y 15, y para las turbinas axiales como las descritas en el punto 3, como Ia indicada en las fig. 38 y 43), de modo que Ia boca de Ia parte convergente por Ia que entra el fluido en movimiento (19) esté a una distancia bastante grande de Ia sección critica de Ia misma y tenga una sección mucho mayor que ésta. Esto tiene un doble objetivo:
1) Aumentar Ia velocidad del fluido por efecto venturi, ya que cuanto más disminuya Ia sección tanto más aumentará Ia velocidad del fluido.
2) Canalizar hacia Ia sección crítica una gran cantidad de fluido. La masa de agua canalizada, para un tamaño dado del tambor, será tanto mayor cuanto mayor sea Ia sección de Ia boca de entrada.
La sección crítica de Ia tobera que mostramos en el dibujo para las turbinas de los tipos 1, 2, 4 y
5, donde está instalado el tambor, es rectangular (fig. 13, 14 y 15), y las de las turbinas del tipo 3 es circular (Fig. 38 y 43). La parte divergente de salida de Ia tobera puede ser de una longitud y ángulo de abertura diferentes que Ia convergente de entrada, pudiendo ser cóncavas, convexas o planas.
Las toberas mostradas en los dibujos son una posible forma de realización de las mismas, sin que eso signifique que debamos limitarnos al uso de esa geometría y dimensiones particulares, ya que su forma y tamaño admiten muchas variaciones. En concreto las de las fig. 12 y 13 serían adecuadas para instalarlas flotantes (para usarlas, por ejemplo, con olas, incluso en zona de rompientes, y en este caso Ia abertura de entrada ha de tener una altura de un tamaño adecuado a Ia altura habitual de las olas en el lugar de su instalación), en cuyo caso podrían llevar una plancha en su base (12 en Ia fig. 12) de material de baja densidad (por ejemplo poliestireno extrusionado o expandido) para facilitar Ia flotabilidad. Sería ideal para mares en los que no hay mareas, tales como el Mediterráneo, ya que al no variar apenas el nivel del mar siempre estaría en Ia posición adecuada. En el caso de ubicarlo en zonas de mareas, debería tener un sistema especial de anclaje que permita Ia variación de la altura de flotación para que ésta sea siempre Ia adecuada. Las representadas en las figuras 14 y 15 serían adecuadas para instalarlas sumergidas y usarlas, por ejemplo, con corrientes marinas.
Es conveniente colocar en las bocas de las toberas unas rejillas o redes para evitar Ia entrada de sustancias extrañas que puedan bloquear o entorpecer el giro de los tambores. Estas rejillas o redes pueden estar hechas de diversos tipos de material, pero conviene que sean ligeras y simples de retirar para proceder a su limpieza. Podrían ponerse por pares y montadas por ejemplo en un par de ranuras paralelas y cercanas, para que mientras se limpia una Ia otra siga protegiendo Ia entrada de Ia tobera. Esto también impedirá que entren los peces, evitando así que sean arrastrados a las paletas del rotor (con Io que además de provocar su muerte, podría atascarlo y frenar su funcionamiento).
Sobre todo en el caso de unidades de gran tamaño que lleven muchos alabes o cangilones, las toberas podrían ir divididas en secciones transversales, de modo que cada una tenga una altura en Ia sección crítica por ejemplo aproximadamente igual a Ia distancia entre cada dos alabes o cangilones, para así dirigir mejor el flujo de agua hacia cada uno de ellos. Las toberas podrían llevar también paletas directrices en los casos en que se considerase necesario.
En las turbinas de centro abierto en forma de carrete, el sistema de anillos con tirantes o el cilindro interior fijo en torno al cual gira el rodete de alabes o cangilones, puede estar sujeto por sus extremos a las paredes laterales de Ia tobera. Si los alabes son articulados, los topes pueden también ir ubicados en las paredes laterales de Ia tobera. En las turbinas axiales de centro abierto, el anillo central puede ir sujeto por unos tirantes a las paredes de Ia tobera.
Excepto para las turbinas tipo 3, en el interior de cada tobera (y/o de cada tambor) puede haber varios pares de anillos (par inducido- inductor), y los cables que salgan de cada par pueden conectarse adecuadamente entre sí para que de cada unidad salga un único par de cables. Estos pueden ir o no conectados con los de otras posibles unidades instaladas en zonas cercanas, para tener finalmente un único par de cables que irán a un transformador elevador, en el cual se elevará el voltaje de forma adecuada para su transporte al lugar de utilización o a Ia red eléctrica para su distribución.
MODO DE INSTALACIÓN EN LAS TURBINAS DE LOS GENERADORES.
1. GENERADORES EN FORMA DE ANILLO.
Los anillos de rotores del generador (14 en las fig. 12, 13, 14 y 15) irán fijados a Ia periferia exterior (10) o interior (17) del rodete de alabes de Ia turbina, según el caso, o a ambas. Si no son turbinas de centro abierto, obviamente sólo podrán ir fijados a Ia periferia exterior.
En las turbinas de centro abierto, y si lleva anillos de rotores en Ia parte interior (17) del rodete de alabes de Ia turbina, los anillos de estatores podrán ir fijados (o mejor incrustados) en el anillo o sistema de aros con tirantes o cilindro interior fijo que Ie hace de eje, según el caso. Tanto si son de centro abierto como si no Io son, si lleva anillos de rotores en Ia parte exterior (10) del rodete de alabes de Ia turbina, cada anillo de estatores podrá ir fijado o incrustado en un anillo de material resistente no magnetizable, que puede ir fijado en el interior de una carcasa en forma de C o similar (en cuyo interior el rotor pueda entrar un poco, sirviendo al mismo tiempo de sujeción para evitar que "caiga") si se trata de turbinas independientes. Si las turbinas van instaladas en Ia sección crítica de una tobera (22), los anillos de estatores podrán ir fijados (o mejor incrustados) en la pared de Ia tobera en su sección crítica, y en este caso, en el caso de Ia turbina 3 serán anillos completos, pero en el caso de las turbinas de los tipos 1, 2, 4 y 5 no conviene que sean anillos completos sino sectores de los mismos de igual tamaño que las partes de Ia tobera en Ia que van a ir instalados (para ello, Ia curvatura de Ia tobera en su sección crítica ha de ser igual a Ia de Ia circunferencia exterior del rotor de Ia turbina). En cualquiera de los casos deberán ir instalados en una posición tal que los rotores, al girar, pasen frente a los estatores (o por el entrehierro, según el caso). También podrán llevar sistemas de estatores y rotores en las dos zonas (interior y exterior) simultáneamente.
En el caso de turbinas independientes, Ia carcasa en forma de C que lleva el anillo de estatores será Ia que vaya fija, colgada o anclada. Aunque pueden usarse cojinetes, para evitar rozamientos entre el rotor y las partes fijas pueden ponerse unos imanes o electroimanes "distanciadores" (convenientemente aislados) de tamaño adecuado al de Ia turbina, que pueden ir regularmente espaciados, unos en Ia parte giratoria y otros en las fijas (carcasa en forma de seudoanillo en forma de C que lleva el anillo de estatores o tobera y/o cilindro o anillo o sistema de anillos con tirantes interior - y en este caso, por ejemplo, en los tirantes que unen los anillos -), con Ia misma polaridad, de modo que polos iguales se enfrenten y se repelan entre sí. De este modo no se produce contacto ni rozamiento alguno, ni radial ni axial, entre rotores y estatores, con Io cual se evitaría el tener que usar cojinetes. Los imanes o electroimanes "distanciadores" de Ia parte inferior del seudoanillo en forma de C o de Ia tobera y superior del cilindro o anillo interior deben ser más potentes que los de Ia parte contraria correspondiente, para compensar Ia tendencia a Ia caída del rodete de alabes debido a su propio peso. Asimismo, los de las partes posteriores (por donde sale Ia corriente) del seudoanillo en forma de C o de Ia tobera y anteriores (por donde entra Ia corriente) de los cilindros o anillos o sistemas de anillos, deben también ser más potentes (que los de la parte anterior del seudoanillo en forma de C o de Ia tobera y posterior del cilindro) para contrarrestar el empuje del fluido. De todos modos en Ia parte anterior por Ia que entra Ia comente no serían necesarios, ya que ésta empuja Ia turbina hacia atrás. Todo Io anterior es de aplicación sobre todo para las turbinas tipos 3, especialmente, que son las más adecuadas para mayores velocidades de fluido, las cuales podrían así girar libremente en el interior del seudoanillo en forma de C.
1. GENERADORES INDEPENDIENTES.
Las turbinas mencionadas pueden también utilizarse con generadores independientes no estancos, magnetoeléctricos o de reluctancia variable. En este caso, pueden utilizarse generadores independientes para cada tobera y turbina, o uno para cada dos unidades, por ejemplo, poniéndolo en ese caso en medio, en el eje central entre ambas toberas, teniendo en cuenta que, de hacerse así, deberán utilizarse elementos diferenciales para evitar el esfuerzo que sufriría el eje en caso de variaciones locales de velocidad de Ia corriente que afectaran a Ia velocidad de giro de cada una de las turbinas del par con generador común. Hay que tener en cuenta que, en las turbinas de centro abierto, habrá que conectar el eje del inductor al punto central de Ia base del tambor giratorio (sí es del tipo 2) o al centro geométrico de giro del tambor de alabes (si es del tipo 3) de Ia turbina o turbinas, cosa que puede hacerse mediante unos tirantes radiales que se unan en el centro de Ia base del tambor giratorio de Ia turbina, (en los laterales correspondientes de Ia tobera en los casos de turbinas tipo 1, 2, 4 y 5), o en el centro geométrico de giro del tambor de alabes en el caso de Ia turbina axial de centro abierto (tipo 3).
El eje del generador puede conectarse directamente a Ia turbina, o bien mediante un multiplicador (por ejemplo el de Ia fig. 30), el cual deberá ir convenientemente aislado. El multiplicador tiene por objeto obtener en el rotor del generador (36) una velocidad de rotación muy superior a Ia de Ia turbina (35), de modo que aunque Ia turbina gire a poca velocidad, podamos obtener mayores velocidades de giro en el rotor del generador, y con ello valores más elevados de fuerza electromotriz inducida. La figura 30 representa el ejemplo más simplificado posible de un sistema de engranajes multiplicador que, unido al eje (35) del tambor, por medio del eje (36) transmite Ia rotación al rotor de un generador. Dicho sistema está constituido por una serie de engranajes formados por ruedas dentadas (31, 32, 33 y 34) con radios diferentes para que aumente Ia velocidad de giro, pudiendo intercalarse el número de ruedas dentadas y ejes que se desee, con el radio adecuado para obtener la velocidad de giro del eje (36) del rotor que se desee. El eje (36) de Ia última rueda dentada (34) será el que mueva el rotor del generador, que en el caso del representado en Ia fig. 29 estaría constituido por un imán permanente (1). Sus distintos elementos pueden estar construidos (y recubiertos) de cualquier material que se considere adecuado.
En el caso de los generadores independientes habrá que tener en cuenta todas las consideraciones contempladas en el caso de los de anillo que les sean de aplicación. Aunque su construcción es más sencilla, su modo de funcionamiento es similar a los ya explicados. Cabe mencionar especialmente dos tipos:
a) GENERADORES DE IMANES PERMANENTES.
La fig. 29 representa, a título de ejemplo, un generador de imán permanente trifásico que no necesita ser estanco. El rotor está formado por un imán permanente (1) que puede girar en torno a un eje (36). Al girar el rotor, en las bobinas (2) se produce una variación de flujo magnético, que da lugar a una f.e.m. inducida. El inducido está formado por un conjunto de bobinas con núcleos de un material magnetizable sin magnetismo remanente y de gran permeabilidad, unidas solidariamente a un anillo de material de gran permeabilidad y sin magnetismo remanente (por ejemplo gran número de láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas). Aunque en Ia Fig. 29 se representa un generador trifásico de polos salientes, podría utilizarse cualquier otro con cualquier número de polos.
También se podrían utilizar generadores de imanes permanentes del tipo de los instalados en forma de anillo descritos anteriormente pero instalados de forma independiente, para Io cual será necesario poner en Ia zona central de los anillos de inductores-inducidos un disco de espesor adecuado (o una estructura de tirantes) con su eje, y en torno a la cual se fijen los anillos, como en las figuras 48 ^ 49; por ejemplo. Los imanes pueden instalarse de cualquiera de las formas descritas anteriormente, y habrá que tener en cuenta las mismas consideraciones mencionadas anteriormente. En este caso el eje de Ia turbina o turbinas y el del generador conviene conectarlos por medio de un multiplicador de velocidad. b) GENERADOR DE RELUCTANCIA VARIABLE.
Las figuras 31, 32 y 33 representan ejemplos prácticos de realización de generadores de reluctancia variable. El rotor (41) podría estar constituido por una rueda dentada (que gira en torno a un eje) de material no imantado de elevada permeabilidad magnética, o mejor por una rueda de otro material (preferiblemente no magnetizable y ligero para que la velocidad de rotación de Ia misma sea mayor al tener menor masa) rodeada de un anillo formado por porciones alternadas de material de permeabilidad magnética baja y alta (no imantadas), o simplemente con dientes (5) de material de elevada permeabilidad magnética no imantados en su periferia. Con objeto de evitar que al girar se produzcan remolinos, los huecos (4) entre los dientes (5) (cuya forma, espesor y dimensiones pueden variar según el caso) pueden estar rellenos de un material de baja permeabilidad magnética, preferiblemente ligero (si utilizamos un material de gran diamagnetismo, Ia variación de flujo será mayor). Para evitar las corrientes de Foucault, los dientes o las porciones de material de alta permeabilidad magnética (5) conviene que estén formados por un gran número de láminas muy delgadas, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas.
El estator podrá estar constituido por un número variable de imanes permanentes (1), preferiblemente en forma de herradura, aunque también pueden ser toroidales con un entrehierro o de otra forma que se estime conveniente, los cuales forman el núcleo del arrollamiento de las bobinas del inducido (2). No es indispensable que (38) esté constituido en su totalidad por un imán (1), pudiendo el imán estar sólo en una zona determinada (54 en Ia fig. 32), y en cualquier lugar del recorrido de (38), estando el resto constituido simplemente de un material de permeabilidad elevada. También se podrían poner, por ejemplo, dos pequeños imanes (39 y 40) con polos opuestos a ambos lados del entrehierro, como se muestra en Ia fig. 33. Los generadores de reluctancia variable tienen muchas ventajas con respecto a los generadores convencionales e incluso a los de imanes permanentes (tanto los independientes como los instalados en forma de anillo). Además de las ventajas respecto a los convencionales de no tener colectores ni escobillas, ni formarse por tanto en ellos ni arcos ni chispas, ser más silenciosos, más eficientes (en gran parte debido a Ia eliminación de Ia corriente primaria), calentarse menos, etc., también tienen ventajas con respecto a los de imanes permanentes, por no tener imanes en el rotor, como Ia de que pueden ser más ligeros y con una misma turbina alcanzar el rotor mayor velocidad, no producen Ia inversión completa del campo magnético, por Io que en ellos las pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault son menores, Ia salida tiene menos armónicos, menos picos y transitorios que reducen Ia calidad y eficiencia de Ia salida, etc. Además, Ia producción y el mantenimiento son más baratos que en los de imanes permanentes, pues para montar imanes cuyos campos están en oposición, se requiere vencer las fuerzas magnéticas, Io que hace que Ia producción a gran escala y su mantenimiento sean más costosas.
MATERIALES A UTILIZAR Y AISLAMIENTO. Sean cuales sean los generadores utilizados, las propiedades magnéticas más importantes que ha de tener el material empleado para los imanes son: elevadas coercitividad (Hc), retentividad (£r) y producto de energía (_?¿ HJ), para Io que se dispone en el mercado de materiales adecuados entre los que, sólo a titulo de ejemplo, podemos mencionar varias clases de Alnico y de Cunife, y diversas aleaciones de Aluminio con carbono, etc. En cuanto al material diamagnético, caso de utilizarse, conviene que tengan un diamagnetismo alto (como el grafito pirolítico, por ejemplo),
Tanto los rotores como los estatores con las bobinas del inducido deberán ir protegidos por otro tipo material que evite Ia corrosión, Ia formación de pequeñas turbulencias, e impida que se introduzcan substancias extrañas.
Las turbinas podrían estar construidas de un material ligero y resistente a Ia corrosión y a las condiciones desfavorables del medio marino (por ejemplo fibra de vidrio o fibra de carbono, mejor si está reforzada, por ejemplo con epoxy, o mejor aún reforzada PEEK, etc.). Dependiendo del tipo de material elegido, podría ser conveniente que llevara mezclado o en su composición algún tipo de material que facilitase su flotabilidad.
Todos los elementos del sistema que no vayan o no puedan ir hechos de un material del tipo de Ia fibra de carbono u otro de propiedades similares, y dependiendo de si el tipo de material Io necesita, deberían ir recubiertos de un material con poco coeficiente de rozamiento, características antiadherentes (para evitar el biofouling) y que los proteja frente a Ia corrosión (por ejemplo un fluoroplástico, material del tipo del Teflón, etc.). Esto se aplica especialmente a todos los elementos metálicos del sistema, que deberían ir así protegidos y además no entrar en contacto directo con Ia fibra de carbono para evitar Ia corrosión galvánica. Para reducir el rozamiento en las zonas en que Io necesite podría utilizarse Teflón ® PTFE Grease, por ejemplo, u otra sustancia de características similares.
Dadas las bajas temperaturas de las aguas marinas, en general no se necesitará ningún refrigerante para las bobinas del inducido, haciendo el agua de mar por sí misma esta función.
INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO.
Cualquiera de estos equipos podría ir instalado de muchas formas, por ejemplo anclado al fondo marino directamente, o colgado de puentes o de plataformas ancladas, flotantes o no, Io que además tienen Ia ventaja de permitir su izado para su mantenimiento. Unidades de pequeño tamaño podrían también instalarse en cualquier tipo de navio.
También convendría que llevasen un sistema que permitiera variar su orientación para el caso de corrientes variables (corregirla con los cambios estacionales, etc.). De ir instalados suspendidos de puentes o de plataformas, flotantes o no, éstas podrían llevar un sistema que permitiese el giro y el cambio en Ia profundidad a que estén sumergidos. De ir anclados al fondo marino, el sistema de orientación y sistema de giro podría ir sumergido y podría llevar por ejemplo una corona de orientación o posicionamiento dinámico, pudiendo incluso ser controlado por control remoto desde tierra firme, o desde una plataforma, un barco o similar que se desplazara eventualmente a Ia zona cuando se considerase necesario.
Convendrá instalarlos anclados al fondo marino si están ubicados cerca de (a costa y con fondos relativamente poco profundos. Si se instalan en zonas de mayores profundidades y alejados de Ia costa, es preferible hacerlo suspendiéndolos de plataformas adecuadas, las cuales conviene que lleven los medios adecuados para permitir su izado y mantenimiento. En esas ubicaciones muy alejadas de Ia costa, en alta mar, no hay inconveniente para transportar Ia energía eléctrica a tierra a través de cables submarinos, pero si se quieren utilizar para desalinizar el agua o para obtener hidrógeno a partir del agua de mar, es más conveniente generarlo cerca de Ia costa, pudiéndolo llevar a tierra a través de tuberías, que conviene que sean Io más cortas posibles. Como plataformas podrían utilizarse incluso las estructuras de antiguas plataformas petrolíferas que hubieran quedado en desuso.
Sl van anclados al fondo marino, puede anclarse Ia tobera, y montar en su parte superior, en su sección crítica, un sector a modo de tapa empernada a Ia misma con Ia dimensiones correspondientes al grupo turbina-generador, con objeto de poder levantar dicho grupo sin necesidad de actuar sobre Ia tobera, facilitando así Ia labor de mantenimiento. En los casos de turbinas de centro abierto, si el cilindro (o el anillo o sistema de anillos con tirantes, según el caso) interior ai tambor, va relleno de un material de baja densidad como los propuestos anteriormente, eso ayudaría a Ia flotabilidad, y se necesitarían menos sistemas de flotación adicionales. Para facilitar su izado también pueden llevar a mayores unas anillas o cabos o cadenas o sistema equivalente en Ia zona superior de Ia parte del sistema que se pretenda izar (o donde se estime más conveniente dependiendo de Ia geometría particular en cada caso y el tamaño del sistema). El sistema de fijación del cilindro o anillo o sistema de anillos con tirantes conviene que pueda ser conectado y desconectado por control remoto (y/o por medio de robots), de forma que en el momento en que se quiera proceder a su mantenimiento se pueda soltar y los flotadores hagan que los grupos turbina-generador suban a Ia superficie. Para luego sumergirlos de nuevo, podría enganchársele un lastre que los lleve al fondo, el cual podría desconectarse una vez conectado al anclaje permanente, si conviene. Otra forma sería engancharlos a una especie de cadena cerrada, de modo que una vez en Ia superficie, tirando del otro extremo, pueda llevarse de nuevo a su sitio. Puede ayudarse a su conexión y/o desconexión por medio de un sistema de imanes o electroimanes.
Hay que mencionar especialmente que en el caso de grandes unidades y especialmente con turbinas de centro abierto en forma de carrete, conviene que el cilindro interior vaya hueco y esté cerrado por ambos lados, por ejemplo con puertas dobles del tipo de las de los submarinos, manteniendo aire en el interior. De este modo, y con un "tubo" de suficiente tamaño, se podría entrar en su interior para su mantenimiento, haciendo las eventuales reparaciones mucho más sencillas.
Para facilitar el mantenimiento de los estatores, caso de ir unidos o incrustados en las paredes de las toberas en su sección crítica, sería conveniente que éstas llevaran una especie de tapas en las zonas de Ia sección critica en donde vayan instalados arcos o semianillos de estatores para que, abriéndolas, se puedan extraer éstos fácilmente. Tanto Ia apertura como Ia extracción podrían hacerse incluso desde Ia superficie, por control remoto y/o por medio de robots, siendo en general más conveniente Ia simple sustitución de un semianillo estator completo, reparando el averiado en Ia superficie o en tierra firme si se considera conveniente. El mismo sistema podría aplicarse a los estatores de los anillos interiores, pudiendo llevar en este caso para cada anillo por ejemplo dos "tapas" de las dimensiones de Ia mitad del anillo, e ir en el cilindro interior (el anillo podría estar constituido por dos semianillos unidos, por ejemplo, para facilitar su extracción y sustitución), o bien, de llevar un sistema de anillos con tirantes, hacerlos de tal modo que los anillos sean extraíbles individualmente del conjunto (en una o varias piezas).
CONSIDERACIONES GENERALES.
Dependiendo del diámetro de los tambores se podrá obtener mayor o menor cantidad de energía a partir de cada unidad. A pesar de todo, conviene utilizarlas en grupos, con Io que Ia "central hidroeléctrica oceánica submarina" constaría de un gran número de ellas agrupadas en una zona determinada, que podrían ser controladas desde tierra firme. Al instalarlas hay que dejar suficiente separación entre las distintas unidades, para evitar que las estelas de unas turbinas interaccionen con las de las otras.
Como Ia rotación de estas turbinas será lenta, ya que Ia velocidad de las corrientes marinas rara vez supera los 4,5 nudos, y además los campos magnéticos de los imanes son de pequeño valor y muy concentrados en los circuitos magnéticos, estos sistemas no presentan ningún peligro para Ia fauna o flora de los alrededores. Tampoco producen ningún tipo de contaminación.
Si se quiere aumentar Ia velocidad de giro de Ia turbina para aumentar Ia potencia, además de instalarlas en Ia sección crítica de una tobera convergente-divergente de tamaño adecuado al de Ia turbina, también pueden ubicarse en estrechamientos naturales donde el agua adquiere mayor velocidad de forma natural.
En el caso en que se utilice uno de los tipos de generadores de reluctancia variable, Ia colocación del material de baja permeabilidad magnética entre los dientes de Ia rueda o el anillo giratorio (según el caso), además de evitar que se produzcan turbulencias, hace que Ia variación del flujo sea mayor, especialmente si el material utilizado es un material de diamagnetismo elevado.
En los casos en que Ia forma de onda obtenida no sea alterna, habrá que añadir un sistema para transformar Ia corriente obtenida en alterna. En todos los casos hay que añadir un transformador elevador convenientemente aislado, para transportar Ia energía eléctrica obtenida a tierra firme donde puede ser conectada a Ia red eléctrica y llevada al lugar de su utilización. Todo ello sin perjuicio de que Ia energía eléctrica obtenida puede también ser utilizada directamente en el lugar de su generación para otros posibles usos.
De todos los diferentes sistemas de obtención de energía eléctrica a partir de corrientes marinas aquí descritos, en principio los más resistentes y más adecuados en general serían los de turbinas axiales de centro abierto para velocidades de corriente elevadas, y los de turbinas de alabes curvados de centro abierto con tobera convergente-divergente de forma y dimensiones adecuadas al tamaño de Ia turbina para velocidades de corriente más bajas, ambos con generador de reluctancia variable en forma de anillo. La principal ventaja es que, debido a Ia tobera, puede obtenerse mayor potencia de unidades de menor tamaño, siendo más rentables (sobre todo en los lugares en donde Ia velocidad de Ia corriente no sea muy grande). Aunque Ia tobera suponga un desembolso inicial mayor para su instalación, el hecho de poder utilizar turbinas más pequeñas hace que resulte rentable. Hay que tener en cuenta que, una vez instaladas, no requieren gasto alguno de combustible, con Io que Ia energía eléctrica obtenida sería realmente económica. Además, Ia tobera sería Ia única posibilidad realmente rentable para ubicaciones con velocidades menores de las corrientes de agua.
UΗLJZACION
Este tipo de sistemas puede usarse para obtener energía eléctrica no sólo a partir de corrientes marinas y fluviales, sino también en cualquier caso en que se produzca un movimiento relativo del sistema con respecto a cualquier fluido que haga girar Ia turbina y con ello el generador.
Otra posible utilización de estos equipos sería Ia de utilizar Ia energía eléctrica generada para obtener hidrógeno y oxígeno a partir del agua. Para ello podría utilizarse Ia corriente obtenida para provocar Ia electrólisis del agua. Ambos podrían almacenarse para uso futuro y el hidrógeno podría utilizarse como combustible. El hidrógeno obtenido podría utilizarse directamente, licuarlo, enviarse a tierra mediante gaseoductos, o almacenarse en el lugar de su obtención, teniendo allí una posible estación de reabastecimiento para los vehículos (marinos o fluviales, por ejemplo) que puedan utilizarlo como combustible. Si instalamos unidades de pequeño tamaño que puedan ubicarse en el seno de Ia corriente desde el casco de los barcos, submarinos, batiscafos (para los que podría ser muy útil por ejemplo el oxígeno generado a partir de electrólisis del agua) o cualquier vehículo marino, podremos utilizarlo como una fuente de energía auxiliar. Para ello el vehículo tendría que tener un sistema adecuado para ubicarlo en Ia posición y dirección adecuada y en el seno de la corriente marina, de Ia cual podría obtenerse energía. El equipo podría ir ubicado en un compartimento cerca del casco, que se abriría cuando se quisiera utilizar para sacarlo al exterior y ubicarlo en el seno de Ia corriente. Debería llevar un sistema de orientación y un sistema de giro de posicionamiento dinámico que permitiera cambiar su orientación y fijarla en un ángulo y a una distancia determinada. Este tipo de instalación y uso puede hacerse también con cualquier tipo de generador no estanco magnetoeléctrico o de reluctancia variable, cualquier tipo de turbinas, y con o sin tobera. También podrían utilizarse para desalinizar el agua del mar. Si se utilizara para obtener hidrógeno para su uso como combustible en vehículos marinos o fluviales, se abarataría mucho el coste del transporte por vías marinas o fluviales, pues el hidrógeno es posiblemente Ia fuente de energía más importante del futuro, y una de las mayores dificultades y Io que Io encarece más, son los procesos de compresión y de licuación para su transporte, y el envío al lugar de consumo. Así que, combinando ambas tecnologías (unidades turbina-generador como las mencionadas, con Ia obtención de hidrógeno), se obtendría energía a precios más competitivos, Io que llevaría aparejados grandes beneficios.
Aunque Ia invención haya sido descrita con referencia a una forma y realización preferida, es evidente que no está en modo alguno limitada, y que pueden aportarse a Ia misma todas las modificaciones deseables, en particular de forma, dimensiones, materiales, posible revestimiento protector y geometría específica de cada uno de los elementos del sistema, del tipo de fluido con que se utilice, del modo y lugar de instalación, y de utilización y distribución de Ia energía obtenida (sea cual sea Ia causa que provoque el giro de Ia turbina) , sin que se salga por ello ni de su marco ni de esencialidad.

Claims

REIVINDICACIONES:
1. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTIQZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, caracterizado por poder utilizar turbinas cuyo centro puede o no estar abierto, cuyos alabes pueden o no estar curvados, cuyos alabes pueden o no estar articulados, o una turbina cicloidal o una turbina cicloidal con corona circular, o una turbina axial de centro abierto, o una rueda de paletas, u otro tipo de turbina; y generadores magnetoeléctricos independientes, o generadores independientes de reluctancia variable, o generadores de reluctancia variable en forma de anillo, o generadores de imanes permanentes no estancos instalados en forma de anillo, sea cual sea Ia forma de instalación de los anillos y de los imanes en el anillo.
2. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, caracterizado por poder utilizar una turbina de centro abierto en forma de carrete, estando ésta caracterizada /?cvque se ha eliminado Ia parte central, es decir, tanto el eje central con el sistema de cojinetes como Ia parte central más interior de los alabes, constando ésta de un tambor (cuyo tamaño puede variar así como Ia forma específica de su sección) en Ia periferia del cual se montan una serie de alabes o cangilones, cóncavos, convexos, o planos, que pueden ser articulados o no (sea cual sea el sistema de articulación de los mismos), cuyo número puede variar, así como Ia curvatura, Ia posición, el tamaño y Ia forma específica de cada uno, y el material de que están fabricados y/o recubiertos tanto el tambor como los alabes y sistema de articulación que se utilice. Dicho tambor de alabes o cangilones puede girar libremente, o bien en torno a un cilindro o tubo central que hace de eje, o en torno a un sistema de anillos unidos entre sí por tirantes axiales, o en torno a un cilindro con un sistema de anillos en su periferia, cuyo diámetro y demás dimensiones pueden ser variables, así como el material de que estén constituidos y el material de que puedan o no estar recubiertos. Si llevan un tubo o cilindro central, con o sin un sistema de anillos, éste puede ir abierto o cerrado, pueden estar huecos o no, y podrían ir llenos de aire o rellenos total o parcialmente de otro material, como por ejemplo espuma de poliuretano, poliestireno o cualquier otro material, preferentemente de poca densidad y que facilite su flotabilidad.
3. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE CORRIENTES MARINAS UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, caracterizado por poder utilizar una turbina cicloidal con corona circular, estando dicha turbina caracterizada por constar de una serie de alabes articulados por su base, conectados dichos alabes por medio de una articulación en su base a una corona circular (cuyo espesor puede ser variable) que puede girar. Dichos alabes pueden ser planos, cóncavos o convexos, pudiendo ser variables su curvatura, sus dimensiones, forma específica, materiales de que estén realizados y materiales de que puedan estar recubiertos. Dicha corona circular (a Ia que hacen girar los alabes) puede girar en torno a un anillo fijo central que hace de eje o puede girar libremente en el interior de un seudoanillo fijo (con sección en forma de C o similar, para que pueda entrar un poco en su interior) que Ia rodea. El diámetro y demás dimensiones de los anillos pueden ser variables, así como los materiales de que estén constituidos y los materiales de que puedan o no estar recubiertos. Estos anillos pueden estar huecos o no, y podrían ir rellenos total o parcialmente de otro material, preferentemente de poca densidad y que facilite su flotabilidad, por ejemplo espuma de poliuretano o poliestireno.
4. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, caracterizado por poder utilizar una turbina cicloidal en Ia que el disco al que hacen girar los alabes puede girar libremente en el interior de un seudoanillo fijo (con sección en forma de C o similar, para que pueda entrar un poco en su interior) que rodea el disco. El diámetro y demás dimensiones del anillo pueden ser variables, así como el material de que esté constituido y los materiales de que pueda o no estar recubierto. Este seudoanillo, puede estar hueco o no, y podría ir relleno total o parcialmente de otro material, preferentemente de poca densidad y que facilite su flotabilidad, por ejemplo espuma de poliuretano o poliestireno.
5. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, en el cual Ia turbina puede ser una turbina de alabes curvados, o una turbina de centro abierto en forma de carrete (según Ia reivindicación 2), o una turbina cicloidal con corona circular (según Ia reivindicación 3), o una turbina cicloidal (según Ia reivindicación 4), o una turbina axial de centro abierto, o una rueda de paletas, u otra, y en el cual el generador está caracterizado por ser un generador de reluctancia variable en forma de anillo, cuyo rotor está formado por un anillo en cuya periferia se han fijado alternadamente porciones de material de permeabilidad magnética alta (no imantado) y baja (preferentemente de elevado diamagnetismo) - aunque podría tener simplemente "dientes" de material de alta permeabilidad (no imantados) y huecos -, estando las porciones de alta permeabilidad preferentemente formadas por un gran número de láminas delgadas del material, superpuestas una sobre Ia otra, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas, o con cualquier otro sistema adecuado para minimizar las corrientes de Foucault; y el estator está formado por un anillo al que se han fijado una serie de imanes o de piezas hechas de un material de alta permeabilidad magnética con uno o más imanes en su interior (pudiendo ser el lugar de colocación de los imanes cualquiera a Io largo de Ia pieza, e incluso llevar uno a cada lado del entrehierro), cuyas piezas podrán tener forma de herradura, toroidal, toroidal de sección cuadrada, u otra, y en todos los casos tendrán un entrehierro, y en torno a cada una de las cuales irá arrollado un bobinado. Al girar el rotor, las porciones de alta y baja permeabilidad irán pasando por el entrehierro del imán, generándose una f.e.m. inducida. Los imanes del estator se instalarán preferiblemente alternando Ia polaridad entre piezas adyacentes para mantener centrado al rotor en su giro. Tanto el rotor como el estator pueden ir incrustados en un material resistente no magnetizable.
ó. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, en el cual Ia turbina puede ser una turbina de alabes curvados, o una turbina de centro abierto en forma de carrete (según Ia reivindicación 2), o una turbina cicloidal con corona circular (según Ia reivindicación 3), o una turbina cicloidal (según Ia reivindicación 4), o una turbina axial de centro abierto, o una rueda de paletas, u otra, y en el cual el generador está caracterizado por ser un generador de imanes permanentes no estanco instalado en forma de anillo, cuyo rotor está formado por un anillo giratorio al que van fijados una serie de imanes permanentes (cuyo número puede ser variable), y cuyo estator está formado por un anillo al que van fijadas una serie de bobinas con núcleo de un material magnetizable sin magnetismo remanente y de gran permeabilidad (por ejemplo núcleo formado por un gran número de láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas). Los imanes del rotor pueden ser de distintas formas, tamaños y materiales, e ir colocados de varios modos, por ejemplo: a) Imanes en forma de herradura instalados longitudinalmente en torno a Ia periferia del anillo con sus polos norte adyacentes entre sí y sus polos sur adyacentes entre sí, formando una corona multipolar, b) Imanes en forma de herradura instalados longitudinalmente en torno al anillo y separados entre sí, c) Imanes en forma de barra situados en torno al anillo a una cierta distancia entre ellos, por ejemplo con polaridad alternada, de modo que si un imán está unido al anillo por su polo N, el siguiente Io esté por el S, conectados entre sí por un material de alta permeabilidad magnética, d) Imanes en forma de herradura fijados al anillo transversalmente y con polaridad alternada (es decir, que si en un imán el polo N mira al frente, el del siguiente mirará en dirección opuesta), etc. En cada uno de los casos, las bobinas del estator deben estar colocadas de forma adecuada en el anillo, esto es, en los casos a), b) y c) longitudinalmente y en el d) transversalmente. Tanto el rotor como el estator pueden ir incrustados en el interior de un anillo macizo de material resistente no magnetizable (por ejemplo un material plástico).
7. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UHLIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, en el cual Ia turbina puede ser una turbina de alabes curvados, o una turbina de centro abierto en forma de carrete (según Ia reivindicación T)1 o una turbina cicloidal con corona circular (según Ia reivindicación 3), o una turbina cicloidal (según Ia reivindicación 4), o una turbina axial de centro abierto, o una rueda de paletas, u otra, y en el cual el generador puede ser un generador no estanco instalado en forma de anillo de reluctancia variable (según Ia reivindicación 5) o de imanes permanentes (según Ia reivindicación 6), caracterizado porque si las turbinas son de centro abierto, los rotores pueden instalarse en Ia parte más exterior del rodete de alabes de Ia turbina o en Ia de menor radio, o en ambas (y en las cicloidales de corona circular, en el contorno de Ia circunferencia exterior, o de Ia interior o de ambas), y los estatores en los elementos fijos exteriores (por ejemplo incrustados en Ia pared de una tobera en su sección crítica, o de carcasas en forma de seudoanillos en forma de C, si no llevan tobera) o interiores correspondientes (por ejemplo, incrustados en Ia pared exterior del cilindro o anillo o sistema interior de anillos con tirantes, en torno al cual gire el rotor de Ia turbina), y pcvque si las turbinas no tienen el centro abierto, los pares de anillos rotor-estator deberán ir instalados en Ia periferia exterior del rodete de alabes (o disco, si es cicloidal). Los anillos del generador pueden ser completos o no, dependiendo de cada caso. En las turbinas de alabes curvados o en forma de carrete de centro abierto o ruedas de paletas, cada turbina puede llevar uno o varios generadores en forma de anillo, pudiendo su número ser variable.
8. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, caracterizado porque el generador puede ser un generador no estanco de reluctancia variable Independiente, pudiendo usarse con cualquier máquina motriz, por ejemplo con una turbina de alabes curvados, o una turbina de centro abierto en forma de carrete (según Ia reivindicación X)1 o una turbina cicloidal con corona circular (según Ia reivindicación 3), o una turbina cicloidal (según Ia reivindicación 4), o una turbina axial de centro abierto, o una rueda de paletas, u otra; el rotor de cuyo generador está formado por una rueda que gira en torno a un eje y en cuya periferia se ha fijado un anillo formado por porciones alternadas de material de permeabilidad magnética alta (no imantado) y baja(preferentemente de elevado diamagnetismo), aunque simplemente podría tener "dientes" de material de alta permeabilidad (no imantados) y huecos, estando los dientes o porciones de alta permeabilidad formadas preferentemente por un gran número de láminas delgadas del material, superpuestas una sobre Ia otra, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas, o con cualquier otro sistema adecuado para minimizar las corrientes de
Foucault; y cuyo estator está formado por un anillo al que se han fijado una serie de imanes o de piezas hechas de un material de alta permeabilidad magnética con uno o más imanes en su interior (pudiendo ser el lugar de colocación de los imanes cualquiera a Io largo de Ia pieza, e incluso llevar uno a cada lado del entrehierro), cuyas piezas podrán tener forma de herradura, toroidal, toroldal de sección cuadrada, u otra, y en todos los casos tendrán un entrehierro, y en torno a cada una de las cuales Irá arrollado un bobinado. Al girar el rotor, las porciones de alta y baja permeabilidad irán pasando por el entrehierro del imán, generándose una f.e.m. inducida. Los imanes del estator se instalarán preferentemente alternando Ia polaridad entre piezas adyacentes para mantener centrado al rotor en su giro. Tanto el rotor como el estator pueden ir incrustados en un material resistente no magnetizable.
9. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, caracterizado porque el generador puede ser un generador Independiente de imanes permanentes no estanco instalado en forma de anillo pudiendo usarse con cualquier máquina motriz, por ejemplo con una turbina de alabes curvados, o una turbina de centro abierto en forma de carrete (según Ia reivindicación 2), o una turbina cicloidal con corona circular (según Ia reivindicación 3), o una turbina cicloidal (según Ia reivindicación 4), o una turbina axial de centro abierto, o una rueda de paletas, u otra; el rotor de cuyo generador está formado por un disco o estructura que gira en torno a un eje y a Ia cual se ha fijado un anillo al que van fijados una serie de imanes permanentes (cuyo número puede ser variable), y cuyo estator está formado por un anillo al que van fijadas una serie de bobinas con núcleo de un material magnetizable sin magnetismo remanente y de gran permeabilidad (por ejemplo núcleo formado por un gran número de láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas). Los imanes del rotor pueden ser de distintas formas, tamaños y materiales, e ir colocados de diversos modos, por ejemplo: a) Imanes en forma de herradura instalados longitudinalmente en torno a Ia periferia del anillo con sus polos norte adyacentes entre sí y sus polos sur adyacentes entre sí, formando una corona multipolar, b) Imanes en forma de herradura instalados longitudinalmente en torno al anillo y separados entre sí, c) Imanes en forma de barra situados en torno al anillo a una cierta distancia entre ellos, por ejemplo con polaridad alternada, de modo que si un imán está unido al anillo por su polo N, el siguiente Io esté por el S, conectados entre sí por un material de alta permeabilidad magnética, d) Imanes en forma de herradura fijados al anillo transversalmente y con polaridad alternada (es decir, que si en un imán el polo N mira al frente, el del siguiente mirará en dirección opuesta), etc. En cada uno de los casos, las bobinas del estator deben estar colocadas de forma adecuada en el anillo, esto es, en los casos a), b) y c) longitudinalmente y en el d) transversalmente. Tanto el rotor como el estator pueden ir incrustados en el interior de un anillo macizo de material resistente no magnetizable (por ejemplo un material plástico). El anillo del rotor irá fijado al disco o estructura giratoria y el del estator a una carcasa adecuada. Las dimensiones y materiales de que están construidos los distintos elementos pueden variar de unas unidades a otras.
10. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, en el cual el generador puede ser un generador Instalado en forma de anillo según las reivindicaciones anteriores, y Ia turbina puede ser una turbina de tambor de alabes curvados, estando dicha turbina caracterizada por constar de un tambor de alabes curvados instalado en Ia sección crítica de una tobera convergente-divergente y que puede girar alrededor de un eje, pudiendo ser éstos cóncavos, convexos o incluso planos, y cuyo número de alabes puede variar, así como Ia curvatura, dimensiones y forma específica de los mismos.
11. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, en el cual el generador puede ser un generador en forma de anillo según las reivindicaciones anteriores, y Ia turbina puede ser una rueda de paletas, caracterizada por constar de un tambor que dispone de una serie de paletas giratorias (cuyo número puede ser variable, así como su forma y el material de que estén construidas y del que puedan o no estar recubiertas) las cuales pueden girar alrededor de un eje y que están articuladas mediante pivotes colocados en un punto intermedio (preferentemente más cercano al eje central que a los extremos), llevando un sistema de topes situados unos en Ia parte de mayor y otros en Ia de menor radio. El fluido impulsa a las paletas, de tal modo que si Ia corriente viene de izquierda a derecha, las paletas de Ia parte superior del semicírculo basculan en torno a los pivotes y son llevadas a quedar situadas paralelamente a Ia dirección del flujo, por Io que no oponen resistencia al paso del fluido, mientras que las paletas de Ia parte inferior del semicírculo pivotan respecto a su gozne y giran hasta que son frenadas por los topes, quedando situadas en posición radial y ofreciendo así resistencia al paso del fluido. De este modo, las paletas de Ia parte inferior hacen girar el tambor, mientras que el resto no actúan.
12. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, en el cual Ia turbina puede ser una turbina de alabes curvados, o una turbina de centro abierto en forma de carrete (según Ia reivindicación 2), o una turbina cicloidal con corona circular (según Ia reivindicación 3), o una turbina cicloidal (según Ia reivindicación 4), o una turbina axial de centro abierto, o una rueda de paletas, caracterizado porque los generadores pueden ser generadores independientes, no estancos, de imanes permanentes instalados en forma de anillo (según Ia reivindicación 9) o no, o de reluctancia variable (según Ia reivindicación 8); pudiendo llevar multiplicadores de velocidad. Cada turbina puede llevar uno o más generadores, pudiendo incluso instalarse generadores comunes a cada dos turbinas en el eje común a ambas, siendo conveniente en ese caso instalar multiplicadores de velocidad y elementos diferenciales en el eje.
13. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las turbinas pueden ir instaladas en Ia sección crítica de una tobera diseñada especialmente para ellas, que puede ser preferentemente convergente-divergente. Cada una de las partes convergente o divergente de Ia tobera puede ser cóncava, convexa o plana, y su forma, curvatura y dimensiones pueden ser variables, así como su ángulo de abertura y el material de que estén constituidos sus diversos elementos y que puedan utilizarse como recubrimiento. Dichas toberas pueden tener Ia parte superior diferente de Ia inferior, pudiendo Ia parte inferior ser totalmente plana o con una cierta curvatura (cóncava o convexa), y pudiendo tener Ia parte superior un ángulo de apertura y una curvatura en Ia parte más cercana a Ia sección crítica mayores que las de Ia parte inferior, de tal forma que en Ia entrada el agua vaya más bien dirigida hacia Ia parte más inferior del rodete de alabes o cangilones de Ia turbina y no hacia Ia parte superior. También podría ir dividida en secciones, sobre todo para sistemas de gran tamaño con muchos alabes o cangilones, y tener por ejemplo las secciones una altura en Ia sección crítica aproximadamente igual a Ia distancia entre los alabes, para dirigir mejor el flujo hacia cada uno de ellos. También podrían llevar incluso paletas directrices en los casos en que se considerase necesario. En cada tobera pueden ir instaladas con un número variable de generadores en forma de anillo. También pueden llevar generadores independientes, que no necesitan ser estancos, de imanes permanentes o de reluctancia variable (según Ia reivindicación 8), preferentemente con multiplicadores de velocidad, pudiendo llevar incluso generadores comunes a cada dos toberas en el eje central común a ambas, siendo conveniente en ese caso instalar elementos diferenciales en el eje. Dichas toberas pueden llevar en su boca rejillas para evitar Ia entrada de elementos extraños.
14. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las turbinas pueden ir instaladas libremente de forma independiente, de tal modo que si llevan anillos de rotores en Ia parte exterior del rodete de alabes de Ia turbina, cada anillo de estatores puede ir fijado en el interior de una carcasa en forma de seudoanillo en forma de C o similar (en el cual el rotor pueda entrar un poco en su interior, sirviendo al mismo tiempo de sujeción para evitar que "caiga"), instalados en una posición tal que los rotores, al girar, pasen frente a los estatores (o por el entrehierro, según el caso). El seudoanillo en forma de C (o el sistema de anillos que pueden ir unidos por tirantes, según el caso) que lleva el anillo de estatores, será el que vaya fijado o anclado en una posición determinada para evitar que los arrastre Ia corriente, y debe estar hecho de un material resistente no magnetizable y preferentemente ligero. Esta carcasa en forma de C (o de seudoanillos en forma de C unidos por tirantes) deberá ir unida al anillo o sistema de anillos o cilindro interior fijo, si los lleva, por medio de tirantes adecuados u otro método. Aunque pueden usarse cojinetes, para evitar rozamientos entre el rotor y las partes fijas, pueden ponerse unos imanes o electroimanes "distanciadores" (convenientemente aislados) de tamaño adecuado al de Ia turbina, que pueden ir regularmente espaciados, unos en Ia parte giratoria y otros en las fijas, y con Ia misma polaridad, de modo que polos iguales se enfrenten y se repelan entre sí. De este modo no se produciría contacto ni rozamiento alguno, ni radial ni axial, entre rotores y estatores. Los imanes o electroimanes "distanciadores" de Ia parte inferior de los anillos en forma de C y superior del cilindro o anillo o sistema de anillos interior, deben ser más potentes que los de Ia parte opuesta correspondiente, para compensar Ia tendencia a bajar del rodete de alabes debido a su peso. También los de las partes posteriores de los anillos en forma de C y anteriores de los cilindros o anillos o sistemas de anillos, deben también ser más potentes (que los de Ia parte anterior del anillo en forma de C y posterior del cilindro) para contrarrestar el empuje del fluido.
De todos modos en Ia parte anterior por Ia que entra Ia corriente no serían necesarios, ya que ésta empuja Ia turbina hacia atrás.
15. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque si las turbinas van instaladas en la sección crítica de una tobera, y si llevan anillos de estatores en Ia parte exterior del rodete de alabes, dichos anillos podrán ir fijados (o mejor incrustados) en Ia pared de Ia tobera en su sección crítica, y en el caso de que Ia turbina sea axial podrán ser anillos completos pero en el caso de las turbinas de tambor de alabes curvados, o cicloidales, o en forma de carrete con centro abierto, o ruedas de paletas, es más conveniente que sean sectores de anillos de dimensiones adecuadas a las partes de Ia tobera en Ia que van a ir instalados (para ello, Ia curvatura de Ia tobera en su sección crítica ha de ser igual a Ia de Ia circunferencia exterior del rotor de Ia turbina), En cualquiera de los casos deberán ir instalados en una posición tal que los rotores, al girar, pasen frente a los estatores (o por el entrehierro, según el caso).
16. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado por poder llevar una serie de imanes o electroimanes "distanciadores" (en las paredes de las partes fijas de Ia carcasa en forma de seudoanillo en forma de C o de Ia tobera, y en el anillo o en el sistema de anillos - preferentemente en Ia parte exterior de los tirantes axiales que los unen - o en el cilindro interior fijo, según el caso) y otros de Ia misma polaridad en varias zonas en los contornos exterior e interior de Ia parte giratoria de Ia turbina, de modo que los imanes estén instalados de tal forma que se enfrenten polos iguales y, al repelerse, impidan el contacto y por tanto el rozamiento entre las partes giratorias y las fijas (de Ia carcasa en forma de seudoanillo en forma de C o de Ia tobera y del anillo o sistema de anillos o del cilindro fijo que hace de eje y en torno al cual gira Ia turbina).
17. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los imanes utilizados deberían estar hechos de materiales con elevadas coercitividad, retentividad y producto de energía y el material diamagnético, caso de usarse, conviene que tenga un diamagnetismo Io más elevado posible.
18. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las turbinas y las carcasas en forma de C, si es el caso, podrían estar construidas de un material fuerte, ligero y resistente a Ia corrosión y a las condiciones desfavorables del medio marino (por ejemplo fibra de carbono, mejor si está reforzada, por ejemplo con epoxy, o mejor aún reforzada PEEK, aluminio o aleación de aluminio doble pared con interior de poliestireno y protección antifoulíng, etc.). Dependiendo del tipo de material elegido, podría ser conveniente que llevara mezclado o en su composición algún tipo de material que facilitase su flotabilidad.
19. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque todos los elementos del sistema/dependiendo del tipo de material, deberían ir recubiertos de un material con poco coeficiente de rozamiento, características antiadherentes (para evitar el biofouling) y que los proteja frente a Ia corrosión (por ejemplo un fluoroplástico). Esto se aplica especialmente a todos los elementos metálicos del sistema, que deberían ir así protegidos y además no entrar en contacto directo con Ia fibra de carbono.
20. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado por poder ser instalado de formas muy diversas, por ejemplo: anclado al fondo marino directamente, colgado de un puente o de plataformas ancladas, flotantes o no, instalado en cualquier tipo de vehículos marinos, u otro. Podrá ir provisto de un sistema de posicionamiento dinámico que permita variar su orientación, profundidad y posición. Podrá llevar un sistema de flotación que permita su izado para su reparación y mantenimiento.
21. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado por poder ser construido de un tamaño tal que permita que los anillos de estatores interiores puedan ser reparados o sustituidos desde el interior del cilindro interior fijo, en el caso en que Io lleve. Si el sistema interior fijo fuera un anillo o un sistema de anillos, llevará un sistema que permita fácilmente su extracción completos o por secciones (por ejemplo por control remoto y/o por medio de robots) y flotación para su mantenimiento.
22. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado por poder llevar las toberas unas "tapas" en Ia sección crítica y/o unas "tapas" en las zonas específicas donde están los estatores, de modo que, abriendo éstas (por control remoto, o por medio de buzos y/o robots), puedan extraerse los grupos turbina-generador y/o los estatores completos o por secciones, según el caso, para su reparación y/o sustitución. Con ese motivo, podrán preverse un sistema de flotadores y/o un sistema de cabos o similar que facilite su izado y flotación. Los cilindros o elementos fijos interiores podrán llevar asimismo unas tapas o sistema similar que permita extraer los estatores de los mismos desde el interior.
23. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE CORRIENTES MARINAS UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado por llevar todos los elementos eléctricos, electrónicos, hidráulicos, neumáticos, etc. necesarios (transformador elevador, etc.) y los sistemas de instalación requeridos.
24. SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO GENERADORES EN FORMA DE ANILLO, con las características señaladas en las reivindicaciones anteriores, caracterizado por poder ser utilizado para obtener hidrógeno a partir del agua mediante electrólisis, para su empleo in situ, su almacenamiento, o para su envío a tierra mediante gaseoductos u otro método, y por poder ser utilizado para desalinizar el agua del mar.
Todo ello conforme se describe y reivindica en Ia presente memoria, que consta de 33 hojas por una sola de sus caras, 26 escritas y 7 hojas de dibujos con 50 figuras que Ia ilustran.
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