WO2007102727A1 - Sistema de producción de energía eléctrica con rotor de palas de ajuste automático - Google Patents

Sistema de producción de energía eléctrica con rotor de palas de ajuste automático Download PDF

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Eduardo Martin Betancourt Morales
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Betancourt Morales Eduardo Mar
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    • F03B17/065—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction the flow engaging parts having a cyclic movement relative to the rotor during its rotation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention is an electricity generation system that uses as a source the force of the sea currents or of any body of water or air flow in movement sufficient to allow its motive force to be used.
  • Figure 1 Plan view of one of the crowns with its three arms and the outer ring.
  • Figure 2 Plan view of one of the crowns with the automatic adjustment blades at different times of the rotation, the arrows indicate the direction of the flow of the current.
  • Figure 3 Front view of one of the posts with their blades. In the upper part of the figure the plan view of one of the blades is schematized.
  • FIG. 4 Front view of the electricity generation system. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the system in question comprises several components, which are: The rotor, the flotation mechanism and the electricity generation components.
  • the rotor has the function of being able to modify the linear flow of marine currents in rotational motion that is transmitted to a generator and thus be able to produce electricity.
  • Figure 1 is the plan view of one of the crowns that exemplifies both the number of arms (1) and the shape (each arm is a segment - rope - of a circumference of the same diameter as that of the outer ring of the rotor) and arrangement of each of these as well as their insertion into the outer ring (3).
  • Figure 2 shows, in the plan view, one of the crowns and the arrangement of the blades (2), in each of the arms (1), at different times of the rotary cycle of the rotor and the brakes that allow the blades remain closed to present resistance to the thrust of the water (7).
  • buoyancy device that is used (5), (said device will be able to make any system can be submerged or emerge at will for maintenance or security purposes for the system) and the ailerons (9) that open to change the direction of flow of the current and therefore greater resistance to it.
  • the generator tower In the center of the figure is the generator tower (4).
  • Figure 3 is the plan and front view of the blades (2) its shape and the arrangement of the bolt on which it rotates (8).
  • the material used in the blade may be plastic, metallic or ceramic depending on the particular needs of the moment.
  • Figure 4 shows the front view of the system being able to observe, the generator tower (4), the flotation system, at all levels (5), the steel cables (11) that structure the rotor, the immovable central axis ( 6) and Mooring cables (10) for anchoring the system to the place designated for it.
  • FIG. 5 is the front view of the generation system demonstrating the moment in which in the left part of the figure the blades (2) are closed opposing total resistance to the passage of water, while on the right side of it, they are open avoiding any resistance to water flow, the generator tower (4) is also observed.
  • the rotor that is of vertical axis is formed by two metal crowns, an upper and a lower one that have three arms (1) each and that end in an outer ring (3) also made of metal.
  • Each arm is attached to blades (2), which are rectangular in shape with bevels on each side and ribs in the shape of an arc, each of the blades has bolts (8) on both ends and on one of its sides. that enter the arms and that allow a free movement to the blade.
  • the efficiency in the work of the rotor consists in that its blades open and close automatically and without any adjustment mechanism, when coming into contact with the flow of the water stream, the blades of one of the halves of the rotor are closed and they are maintained in that position by means of posts that serve as brakes and the blades of the other half are opened, as seen in the plan view of Figure 2, in the lower part of the drawing it is denoted as the blades are closed to face the flow of current, while in the upper part of the drawing, the blades open to the current, allowing the liquid flow to pass and thus present the least resistance to it, thus, when only one side is faced with the flow, the rotation is carried out in that direction by moving the blades clockwise (seen from above), until the blades that are open reach the point where they begin to close and now they are the ones rent to the current and those that previously presented the resistance to flow, open, allowing the cycle to continue indefinitely as long as there is a stream of water.
  • the rotation produced by the rotor is used by its central axis (6) that is immobile to move to a speed multiplier that is in turn connected to the generator (4), which will produce the electricity (the generator can be synchronous or asynchronous , and the generation capacity will depend on the characteristics of the generators that are in the market and ultimately the diameter and therefore of the torque that could be generated by the rotor).
  • the whole rotor together with the generator tower are the ones that rotate, while the axis (6) is the one that is anchored to the seabed and still.
  • the flotation mechanism of the system will consist of one or several tubes that can be made of plastic or metallic material and that will be located in the upper and lower part of the rotor, above the outer ring and another ring in the middle part of the arms making two concentric rings, a small one in the middle of the rotor and a larger one in the outer part (5).
  • Said flotation mechanism will have the possibility of making the system submerged in the event of hurricanes for system security or it may cause the entire system to emerge in case of periodic maintenance of the system, in addition it is anchored to the sea floor through a group of cables that provide stability and mooring.
  • the shape of the arms as well as the joints of these with the outer ring have as one of their functions the structure of the rotor ( Figure 1 No. 1 and 3), although in the case of the arms, its shape also obeys a greater hydrodynamic efficiency, being able to change the angle of these depending on the intensities of the currents to which they will be subject.
  • the dimensions of the rotor, as well as the number of blades will be adjusted to the needs of production of electrical energy that are required, being able to have diameters of up to 60 meters or more.
  • Said rotor has a greater efficiency in the conversion of the linear kinetic energy of the marine current into rotational energy, so that the amount of energy that can potentially be produced is greater than that of other proposed prototypes and that are in the investigation phase and development throughout the world, all of them having totally different forms, concepts and ideas to the conceptualization of the rotor that is intended to be protected in this application.

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Abstract

Sistema de producción de energía eléctrica con rotor de palas de ajuste automático, a partir de una corriente de agua, que comprende un rotor de eje vertical con palas (2) que se ajustan automáticamente según la posición de cada pala (2) dentro del rotor, un sistema de flotación (5) y un generador de electricidad (4). Las palas (2) que entran en contacto con la corriente de agua se cierran, manteniéndose cerradas mediante unos frenos (7) y presentando así total resistencia al paso del agua; las palas (2) que no están en contacto con el agua se abren para tener la menor resistencia posible hasta que llegan al punto donde entran en contacto con la corriente y se cierran de nuevo, permitiendo reiniciar el ciclo. El rotor está formado por las palas (2) montadas sobre unos brazos (1) que se insertan en un anillo exterior (3) y que tienen en sus extremos unos alerones (9).

Description

ROTOR DE PALAS DE AJUSTE AUTOMÁTICO PARA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención es un sistema de generación de electricidad que utiliza como fuente Ia fuerza de las corrientes marinas o de cualquier cuerpo de agua o flujo de aire en movimiento suficiente como para que permita utilizar su fuerza motriz.
ANTECEDENTES
La creciente demanda de energía eléctrica en todos los sectores ya sea agrícola, industrial o doméstico a nivel mundial, ha promovido el aumento en Ia utilización de energéticos fósiles para su producción, con Ia consecuente contaminación de nuestro ambiente. Es por eso que el hombre ha vuelto su mirada a las fuentes de energía alternativas, las cuales si bien prometen ser limpias, tienen como grandes limitantes, entre otras, las enormes inversiones de capital y una producción eléctrica todavía incipiente. Dentro de estas fuentes se encuentra Ia energía de las corrientes marinas, Ia cual, es Ia que menor grado de desarrollo posee, debido sobre todo a que el medio acuático es muy agresivo con los materiales actualmente utilizados, por Io que éstos deben de tener gran resistencia tanto física como química, siendo éstos los factores que más incrementan los costos, además de otros factores externos a los equipos, como son los políticos, sociales y económicos.
Aún y cuando es una de las fuentes de energía alternativa más poco evolucionadas, Ia energía eléctrica a partir de las corrientes marinas promete ser de las más rentables en el futuro. En todo el mundo se investiga esta forma de energía y a Ia fecha existen más de mil patentes a nivel mundial sobre el tema.
Algunas muy imaginativas, otras poco afortunadas, pero todas tienen como característica en común, los altos costos para su desarrollo a nivel comercial.Actualmente se encuentra patentado un rotor que opera en forma parecida, pero cuyas características altamente imprácticas y rústicas Ie impedirían utilizarse en Ia práctica y menos a nivel comercial, dicho invento tiene el número de patente DE10061450 y cuya fecha de publicación fue el 2002-07-25, por Io que considero a mi invención no solamente diferente sino con una muy amplia cantidad de características que Ia hacen única. Existe otro rotor presentado en Ia Tercera Conferencia Europea sobre Energía realizado el 30 de septiembre al 2 de octubre de 1998, "Proposal for a large, vertical-axis nidal-stream generator with ring-cam hidraulics" de S H Salter, que presenta también algunas características afines, pero cuyo funcionamiento es totalmente disímil.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1 Vista en planta de una de las coronas con sus tres brazos y el anillo externo.
Figura 2 Vista en planta de una de las coronas con las palas de ajuste automático en los diferentes momentos de Ia rotación, las flechas indican Ia dirección del flujo de Ia corriente.
Figura 3 Vista frontal de uno de los postes con sus palas. En Ia parte superior de Ia figura se esquematiza Ia vista en planta de una de las palas.
Figura 4 Vista frontal del sistema de generación de electricidad. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El sistema en cuestión comprende varios componentes, los cuales son: El rotor, el mecanismo de flotación y los componentes de generación de electricidad. El rotor tiene como función el poder modificar el flujo lineal de las corrientes marinas en movimiento rotacional que sea trasmitida a un generador y así poder producir electricidad.
Los detalles de las características de este novedoso sistema se muestran claramente en Ia siguiente descripción y en las figuras que Ia acompañan. La figura 1 es Ia vista en planta de una de las coronas que ejemplifica tanto el número de brazos (1), como Ia forma (cada brazo es un segmento - cuerda- de una circunferencia de igual diámetro que Ia del anillo externo del rotor) y disposición de cada uno de estos así como su inserción al anillo externo (3). La figura 2 muestra, en Ia vista en planta, a una de las coronas y Ia disposición de las palas (2), en cada uno de los brazos (1), en los diferentes momentos del ciclo giratorio del rotor y los frenos que permiten a las palas mantenerse cerradas para presentar resistencia al empuje del agua (7). También se encuentra esquematizado el dispositivo de flotabilidad que es utilizado (5), (dicho dispositivo será capaz de hacer que todo sistema pueda sumergirse o emergerse a voluntad con fines de mantenimiento o de seguridad para el sistema) y los alerones (9) que se abren para cambiar el sentido del flujo de Ia corriente y por ende mayor resistencia a esta. En el centro de Ia figura se encuentra Ia torre del generador (4).
La figura 3 es Ia vista de planta y frontal de las palas (2) su forma y Ia disposición del perno sobre el cual gira (8). El material utilizado en Ia pala podrá ser plástico, metálico o cerámico dependiendo de las necesidades particulares del momento. La figura 4 muestra Ia vista frontal del sistema pudiéndose observar, Ia torre del generador (4), el sistema de flotación, en todos sus niveles (5), los cables de acero (11) que estructuran al rotor, el eje central inmóvil (6) y los cables de amarre (10) para el anclaje del sistema al lugar designado para éste.
La figura 5 es Ia vista frontal del sistema de generación demostrando el momento en que en Ia parte izquierda de Ia figura las palas (2) se encuentran cerradas oponiendo total resistencia al paso del agua, mientras del lado derecho de esta, están abierta evitando cualquier resistencia al flujo acuático, se observa también a Ia torre del generador (4). Con referencia a dichas figuras el rotor que es de eje vertical esta formado por dos coronas de metal, una superior y una inferior que presentan tres brazos (1) cada una y que rematan en un anillo externo (3) también de metal. Cada brazo sujeta a unas palas (2), las cuales son de forma rectangular con biseles en cada lado y unas costillas en forma de arco, cada una de las palas presenta, en ambos extremos y en uno de sus lados, pernos (8) que entran en los brazos y que Ie permiten un libre movimiento a Ia pala.
La eficiencia en el trabajo del rotor consiste en que sus palas se abren y se cierran automáticamente y sin ningún mecanismo de ajuste, al entrar en contacto con el flujo de Ia corriente de agua, las palas de una de las mitades del rotor se cierran y se mantienen en esa posición mediante unos postes que Ie sirven de frenos y las palas de Ia otra mitad se abren, como se aprecia en Ia vista de planta de Ia figura 2, en Ia parte inferior del dibujo se denota como las palas se cierran para enfrentarse al flujo de corriente, mientras que en Ia parte superior del dibujo, las palas se abren a Ia corriente, dejando pasar el flujo líquido y de esta forma presentar Ia menor resistencia a ésta, así, al únicamente enfrentarse al flujo un lado, Ia rotación se lleva a cabo en esa dirección desplazando a las palas en sentido de las manecillas del reloj (visto desde arriba), hasta que las palas que están abiertas llegan al punto donde se comienzan a cerrar para ser ahora ellas las que se enfrentan a Ia corriente y las que presentaban anteriormente Ia resistencia al flujo, se abren, permitiendo que el ciclo se continúe indefinidamente en tanto haya una corriente de agua. La rotación producida por el rotor es utilizada mediante su eje central (6) que se encuentra inmóvil para mover a un multiplicador de velocidad que esta conectado a su vez al generador (4), que producirá Ia electricidad (el generador podrá ser síncrono o asincrono, y Ia capacidad de generación dependerá de las características de los generadores que se encuentren en el mercado y en última instancia del diámetro y por ende del torque que se pudiera generar por el rotor). Dicho de otra forma, todo el rotor junto con Ia torre del generador son las que rotan, mientras que el eje (6) es el que está anclado al fondo marino e inmóvil. El mecanismo de flotación del sistema constara de uno o varios tubos que podrán ser de material plástico o metálico y que estarán localizados en Ia parte superior e inferior del rotor, arriba del anillo externo además de otro anillo en Ia parte media de los brazos haciendo dos anillos concéntricos uno pequeño en medio del rotor y otro mayor en Ia parte externa (5). Dicho mecanismo de flotación tendrá Ia posibilidad de hacer que el sistema pueda sumergirse en caso de huracanes para seguridad del sistema o podrá hacer que todo el sistema emerja en caso de que se vaya a realizar el mantenimiento periódico del sistema, además éste se encuentra anclado al suelo marino mediante un grupo de cables que Ie proporcionan estabilidad y amarre.
Para estructurar al rotor se utilizan barras que fijan a las dos coronas del rotor, dándole Ia distancia adecuada para que las palas se puedan posicionar, además de servir de apoyo, que permiten a cada una de las palas poder frenarse, apoyándose en ellas durante el ciclo de cerrado automático, además existen cables o barillas de acero que están dispuestos en forma de X como se muestra en Ia figura 4 (11) y que permiten estructurar y estabilizar a toda Ia estructura con mucha mayor eficiencia adicionando muy poco peso al rotor.
La forma de los brazos así como las uniones de estos con el anillo externo tienen como una de sus funciones Ia de estructurar al rotor (Figura 1 No. 1 y 3), aunque en él caso de los brazos, su forma también obedece a una mayor eficiencia hidrodinámica, pudiendo cambiar el ángulo de éstos dependiendo de las intensidades de las corrientes a los que estarán sujetos.
Aún y cuando en Ia presente descripción se ejemplifica al rotor con un solo piso o nivel de palas, en Ia práctica se utilizarán más niveles de iguales dimensiones y características al que se describe y situados debajo de éste, pudiendo según Ia profundidad aumentarlos para aprovechar todo el flujo de Ia corriente.
Las dimensiones del rotor, así como el número de palas se ajustarán a las necesidades de producción de energía eléctrica que se requieran, pudiendo llegar a tener diámetros de hasta 60 metros o más.
Dicho rotor presenta una mayor eficiencia en Ia conversión de Ia energía cinética lineal de Ia corriente marina en energía rotacional, por Io que Ia cantidad de energía que potencialmente se puede producir es mayor a Ia de otros prototipos propuestos y que se encuentran en fase de investigación y desarrollo en todo el mundo, teniendo todos ellos formas, conceptos e ideas totalmente diferentes a la conceptualización del rotor que se pretende proteger en Ia presente solicitud.
El casi nulo mantenimiento, el costo de las partes del rotor así como Ia disposición de estos dentro del rotor Ie permiten tener un costo de producción y mantenimiento mucho menor y por ende un tiempo de amortización de Ia inversión mucho más corto.
Su gran movilidad y bajo costo de instalación lo hacen altamente versátil para poderse instalar en casi cualquier parte de las costas, ya sea cerca de Ia costa o a kilómetros de ésta. Además al estar sobre Ia superficie del mar, el mantenimiento tanto del rotor como del generador y sus partes son muy económicas.

Claims

REIVINDICACIONES
Realizada Ia descripción de mi invención en forma suficiente, considero a ésta como una novedad y por Io tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad Io contenido en las siguientes cláusulas:
1.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua, que comprende un rotor con unas palas de ajuste automático que se cierran o se abren según el lugar donde se encuentren dentro del rotor y que permiten de esta forma oponer Ia máxima resistencia al flujo de Ia corriente marina en un lado y del lado opuesto se abren permitiendo de esta forma el flujo libre de Ia corriente marina. Este diferencial hace que el rotor gire, este sistema también posee un sistema de flotación y un generador de electricidad con todos los componentes para Ia generación de Ia misma. 2.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua como se reivindica en 1 , se debe a Ia efipiencia en el trabajo del rotor, que es de eje vertical, y que consiste en que sus palas se abren y se cierran automáticamente y sin ningún mecanismo de ajuste. Al entrar en contacto con el flujo de Ia corriente de agua las palas de una de las mitades del rotor se cierran y se mantienen así mediante frenos, presentando total resistencia al paso del agua y las palas de Ia otra mitad se abren, permitiendo el paso libre de Ia corriente de agua, teniendo Ia menor resistencia posible, así, al únicamente enfrentarse al flujo un solo lado, Ia rotación se lleva a cabo en esa dirección desplazando a las palas en sentido de las manecillas del reloj (visto desde arriba), hasta que las palas que están abiertas llegan al punto donde se comienzan a cerrar para ser ahora ellas las que se enfrentan a Ia corriente y las que presentaban anteriormente Ia resistencia al flujo, se abren, permitiendo que el ciclo se continúe indefinidamente.
3.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua como se reivindica en 1 , cuyo rotor esta conformado por los brazos, el anillo exterior (estos dos forman a Ia corona), las palas (que son las que se abren o se cierran oponiendo resistencia al flujo del agua), las barras (que unen a ambas coronas), los cables o barillas de acero (para unir, estructurar y estabilizar a las coronas) y por los alerones (en los extremos de los brazos). 4.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua cuyo rotor esta conformado, como se reivindica en 3, por los brazos, que serán de cualquier material que exista en el mercado que se adecué a las necesidades del rotor, pudiendo ser metálicos, plásticos, cerámicos, de fibra de vidrio o mixtos, y que pueden variar de número entre 3 y 6 brazos. 5.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua cuyo rotor esta conformado, como se reivindica en 3, por un anillo externo en donde se insertan los brazos que será de cualquier material que exista en el mercado que se adecué a las necesidades del rotor, pudiendo ser metálicos, plásticos, cerámicos, de fibra de vidrio o mixtos. El anillo externo con el que se unen los brazos permite aumentar en forma muy importante 1a resistencia del rotor a los embates del medio acuático. 6.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua cuyo rotor esta conformado, como se reivindica en 3, por las palas que pueden ser metálicas, plásticas, cerámicas, de fibra de vidrio o mixtas y que podrán variar en número y dimensiones según el tamaño del rotor. Las palas por tener forma plana, disminuyen su resistencia al flujo de agua, cuando están abiertas y presentan una alta resistencia a éste cuando están cerradas. T.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua cuyo rotor esta conformado, como se reivindica en 3, por las barras que unen a las coronas y que dan estructura y estabilidad al unir las dos coronas en muchos puntos. Las barras que van de una corona a otra dan estructura al rotor además de que cumplen con Ia función de servir de punto de frenado para que las palas se queden cerradas y presentar resistencia al flujo de Ia corriente de agua.
8.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua cuyo rotor esta conformado, como se reivindica en 3, por los cables o barillas de acero que van de una a otra barra de metal que une las coronas y que permiten con poco peso estructurar al rotor en forma muy eficiente.
9.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua cuyo rotor esta conformado, como se reivindica en 3, por los alerones de las puntas de cada uno de los brazos, por el ángulo con que se abre, modifica (>30°) en forma brusca al flujo de agua que viene corriendo a través de las palas del centro a Ia periferia, ocasionando de esta manera un impulso extra al movimiento del brazo y por ende del rotor.
10.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua como se reivindica en 1 , cuyo mecanismo de flotación, está conformado por una serle de tubos los cuales pueden variar sus diámetros así como los materiales que podrán ser plásticos o metálicos o de cualquier material que exista en el mercado y que se adecué a las necesidades del rotor. Dicho mecanismo poseerá un dispositivo para inundar a los tubos con agua o expeler el agua y de esa forma poder hacer que el sistema flote o se hunda. 11.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua como se reivindica en 1 , cuyo generador de electricidad se encuentra en Ia torre del generador, donde se encuentran además los demás aparatos y dispositivos para Ia generación de electricidad como son el multiplicador, sensores, dispositivos de medición y de seguridad, etc. 12.- Sistema para capturar Ia energía cinética del agua cuya torre del generador de electricidad como se reivindica en 11 , es una cámara hermética, para evitar Ia entrada del agua y que en caso de un siniestro, en el cual se hundiera el rotor, activaría un mecanismo, el cual Ia liberaría del sistema, quedando flotando. 13.- Todo el sistema para capturar Ia energía cinética del agua como se reivindica en 1, gira, únicamente su eje central, que es el que ancla a todo el sistema al fondo marino se encuentra inmóvil y es a través de éste que pasa el cable conectado a Ia subestación eléctrica.
14.- Todo el sistema para capturar Ia energía cinética del agua como se reivindica en 1 , al tener un mecanismo de flotación, presenta mucho mayor seguridad tanto en su instalación, en su vida media, así como en Ia versatilidad de su ubicación pudiéndose situar en casi cualquier lugar en los océanos.
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