WO2022079332A1 - Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable - Google Patents

Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable Download PDF

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention falls within the field of renewable energy production systems, specifically in the field of hydroelectric energy and devices for generating energy from water currents in rivers and seas.
  • renewable energy An example of renewable energy that has been used for centuries is the use of energy from water currents in rivers and canals, transformed into mechanical energy.
  • hydroelectric energy that is, the use of currents in waterfalls and their transformation into mechanical energy through turbines and in turn into electrical energy through alternators, is one of the main sources of renewable energy used in the present.
  • this equipment in general, is fixed in a rigid position, so it can suffer or cause damage due to possible external impacts. In addition, they usually require a support structure from the sea or river bottom with a high environmental impact. In some, the device blocks the flow of water, not maintaining a passage for fauna and hindering the passage of ecological flows in the case of being used in rivers.
  • the object of the present invention is to obtain an independent multiple hydrogenerator with a floating blade with a maximum thrust surface and self-orienting that generates electrical energy taking advantage of the sea and river currents regardless of their orientation and having little resistance to drift by the current.
  • Another object of the present invention is to obtain an independent multiple hydro generator with a floating blade with a maximum thrust surface and self-orienting that can be fixed in a flexible way, thus reducing damage to external impacts, and has a reduced environmental impact as it does not need a support structure. from the seabed or from the river and by not blocking the current, maintaining a passage for fauna and an ecological flow in the case of applications in rivers.
  • Another object of the present invention is to obtain an independent multiple hydro generator with a floating blade with a maximum thrust surface and self-orienting that allows its electrical connection, as well as its mechanical and electrical maintenance above the water surface, having several alternators that allow a major flexibility of use.
  • the independent multiple self-orienting floating blade hydrogenerator with maximum thrust surface that is the object of the present invention is formed, at least, by a floating blade-shaped structure with four arms at each end of which there is an electric generator whose shaft is driven by the device defined in document ES1140760U Mechanism for converting the linear movement of a fluid into the rotational movement of an axis, which we will call from now on "conversion mechanism".
  • each of the conversion mechanisms basically consists of a rotor with four arms fixed to a main rotation axis, at the ends of which it incorporates oscillating thrust pieces that act as blades.
  • each of them is configured for an alternate clockwise or counterclockwise rotation direction. That is, if one turns clockwise, the next one will turn counterclockwise, the next one clockwise, and the last one counterclockwise.
  • a tube is attached that is longer than the depth reached by the conversion mechanisms.
  • This tube is partially closed at its lower end and has a chain or mooring cable attached to its central axis to the anchor or dead bottom.
  • This tube has two openings for the input and output electrical cables.
  • the tube has a fixed plate attached to it along the entire length of its generatrix and located in the intermediate position of the imaginary line that joins two adjacent conversion mechanisms in a clockwise direction around the axis of the blade.
  • the forces acting on the fixed plate make the assembly rotate so that it always faces the entire cross section of the maximum thrust surface perpendicular to the direction of the water current, which enters through one of the sides of the imaginary square formed by the four conversion mechanisms.
  • Each of the electric generators is accessible out of the water through a hatch through the upper part of the floating structure in the form of a cross.
  • the cross-shaped floating structure has, in its center and outside the water, a dome that is also accessible through a hatch, inside which the connections, couplings and electrical treatment of the waves of electrical energy produced independently by each of the Electric generators.
  • the electrical waves produced by the four independent generators can be electrically treated and coupled in series, in parallel or in a mixed configuration, depending on the speed of the water current at any given time (even at low speeds) for maximum use of energy.
  • the device thus described presents the main advantages of the invention, as well as other additional ones, such as its lack of affectation to the seabed, its little visual impact and its simple construction, not requiring dams or civil works to channel water currents. .
  • the device provides space for power electronics elements, transformers, etc., making it possible to connect to the distribution network well. in direct current with the maximum possible voltage and transformation on the ground, or alternatively in alternating current with transformation in each group and output with the highest possible voltage or mains voltage.
  • Figure 1a shows an elevation view of a preferred embodiment of the self-orienting self-orienting multiple independent floating blade hydrogenerator object of the present invention.
  • Figure 1b shows a top plan view of a preferred embodiment of the self-orienting multiple independent floating blade hydrogenerator with maximum thrust surface, object of the present invention.
  • Figure 1c shows a bottom plan view of a preferred embodiment of the self-orienting self-orienting multiple independent floating blade hydrogenerator object of the present invention.
  • Figure 1d shows a side view of a preferred embodiment of the self-orienting multiple independent floating blade hydrogenerator with maximum thrust surface, object of the present invention.
  • Figure 2 shows a top perspective view of a preferred embodiment of the self-orienting multiple independent floating blade hydrogenerator with maximum thrust surface, object of the present invention.
  • the self-orienting self-orienting multiple independent floating blade hydro-generator with maximum thrust surface is formed by at least one floating blade-shaped structure (1) with four arms at each end of which there is a electric generator (2) driven by a conversion mechanism (3) of the linear movement of a fluid in the rotational movement of an axis.
  • each of them is configured for a clockwise or counterclockwise direction of rotation alternatively. That is, if one turns clockwise, the next one will turn counterclockwise, the next one clockwise, and the last one counterclockwise.
  • a tube (5) longer than the depth reached by the conversion mechanisms (3) is attached to the central part of the blade-shaped structure (1).
  • This tube (5) is partially closed at its lower end and has a mooring chain or cable attached to its central axis to the anchor or dead bottom.
  • Said tube (5) has two openings for the input and output electrical cables.
  • the tube (5) has a fixed plate (6) attached to it along the entire length of its generatrix and located in the intermediate position of the imaginary line that joins two mechanisms of conversion (3) adjacent in a clockwise direction around the axis of the blade (1).
  • Each of the electric generators (2) is accessible out of the water through a hatch (7) in the immediately upper part of the floating structure in the form of a blade (1).
  • the floating structure in the form of a cross (1) has in its center and outside the water a dome (4) also accessible through a hatch (8), inside which the connections, couplings and electrical treatment of the waves are made. of electrical energy produced independently by each of the electrical generators (2).
  • the electrical waves produced by the four independent generators (2) can be treated electrically and coupled in series, in parallel or in a mixed configuration, depending on the speed of the water current at each moment (even with speeds low) for maximum use of energy.

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Abstract

Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable que genera energía eléctrica aprovechando las corrientes marinas y fluviales independientemente de su orientación, no necesitando estructura soporte desde el fondo marino y permitiendo su mantenimiento por encima de la superficie del agua. El hidrogenerador objeto de la presente invención está formado, al menos, por una estructura flotante en forma de aspa (1) de cuatro brazos en cada uno de cuyos extremos hay un generador eléctrico (2) accionado por un mecanismo de conversión (3) del movimiento lineal de un fluido en el movimiento rotacional de un eje, y, estando los mecanismos de conversión (3) ordenados en sentido de las agujas del reloj alrededor del eje del aspa (1), cada uno está configurado para un sentido de giro horario o antihorario alternativamente, teniendo un tubo (5) fijado en la cara inferior del aspa con una plancha (6) adosada.

Description

D E S C R I P C I Ó N
HIDROGENERADOR MÚLTIPLE INDEPENDIENTE EN ASPA FLOTANTE DE MÁXIMA SUPERFICIE DE EMPUJE Y AUTOORIENTABLE
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se inscribe dentro del ámbito de los sistemas de producción de energías renovables, en concreto en el campo de la energía hidroeléctrica y los dispositivos para la generación de energía a partir de las corrientes de agua en ríos y mares.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La producción de energía mediante fuentes renovables ha ido adquiriendo con el tiempo una importancia cada vez mayor en la producción de energía global, siendo claves en la sostenibilidad del sistema energético y en la lucha contra el llamado cambio climático.
Un ejemplo de energía renovable que se ha empleado durante siglos es el aprovechamiento de la energía de las corrientes de agua en ríos y canales, transformada en energía mecánica. Especialmente, la llamada energía hidroeléctrica, esto es, el aprovechamiento de las corrientes en los saltos de agua y su transformación en energía mecánica a través de turbinas y a su vez en energía eléctrica mediante alternadores, es una de las principales fuentes de energía renovable empleadas en la actualidad.
En los mares y océanos existen también diversas formas de aprovechamiento de la energía hídrica, por ejemplo, aprovechando las mareas (energía mareomotriz), las olas (energía undimotriz) y las corrientes marinas. En estos casos el nivel de energía aprovechable en relación al coste económico y ambiental de los sistemas necesarios para su extracción han dificultado su implementation.
Especialmente en el caso del aprovechamiento tanto de las corrientes marinas como fluviales y su conversión en energía eléctrica, se han desarrollado diversos tipos de dispositivos, algunos a pequeña escala y otros a gran escala, dependiendo del entorno y el nivel de energía producida.
Normalmente estos dispositivos están basados en turbinas con rotores de diversas geometrías unidas a alternadores o generadores eléctricos. En general, se trata de elementos completamente sumergidos y fijados a los fondos oceánicos, marítimos o fluviales. Este tipo de diseño presenta el inconveniente de que, al encontrarse bajo la superficie del agua todo el equipo mecánico y eléctrico, se complican las labores de mantenimiento y aumenta el peligro de cortocircuitos y corrosión. Además, las conexiones eléctricas han de realizarse bajo el agua, lo que tiene una elevada complejidad y coste.
Por otra parte, en general estos equipos se fijan en una posición rígida, por lo que pueden sufrir o causar daños ante posibles impactos extemos. Además, suelen precisar una estructura soporte desde el fondo marino o fluvial con un elevado impacto ambiental. En algunos, el dispositivo bloquea la corriente agua, no manteniendo un paso para la fauna y dificultando el paso de caudales ecológicos en el caso de ser empleados en ríos.
Desde el punto de vista del rendimiento, los equipos existentes sólo suelen funcionar en una dirección y sentido de la corriente de agua, lo que limita el tiempo de aprovechamiento de la corriente y las ubicaciones en que pueden ser empleados. Por otra parte, los equipos existentes presentan una gran resistencia del conjunto al desplazamiento o “deriva’’ por la corriente de agua, lo que también dificulta su orientación respecto a dicha corriente.
Por ello, en el caso de permitir el cambio de orientación, son necesarias complicadas maniobras para la orientación óptima en dirección y sentido frente a la variación de las corrientes de agua.
Por último, en muchos casos los equipos suelen realizar la conversión de energía eléctrica en un único generador, lo que implica una menor flexibilidad de producción e inutilización total del sistema ante una avería. Es por todo ello, que se encuentra la necesidad en el mercado de producción de energía eléctrica a través de equipos que. aprovechando las comentes marinas y fluviales, superen los inconvenientes anteriormente descritos, permitiendo el aprovechamiento de las corrientes independientemente de su orientación y teniendo poca resistencia a la “deriva” por la corriente. Es deseable además que puedan fijarse de forma flexible y disminuyan su impacto ambiental sin necesitar estructura soporte desde el fondo marino o del río, y sin bloquear la corriente, manteniendo un paso para la fauna y un caudal ecológico en el caso de aplicaciones en ríos, y que permitan adicionalmente el mantenimiento mecánico y eléctrico por encima de la superficie del agua, con varios alternadores que permitan una mayor flexibilidad de uso.
Como antecedente, existe la invención ES1140760U sobre un mecanismo para la conversión del movimiento lineal de un fluido en el movimiento rotacional de un eje que, aunque por sí sola no tiene las características anteriormente descritas, puede formar parte de un dispositivo mayor que sí las posea.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es la obtención de un hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable que genera energía eléctrica aprovechando las corrientes marinas y fluviales independientemente de su orientación y teniendo poca resistencia a la deriva por la corriente.
Otro objeto de la presente invención es la obtención de un hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable que puede fijarse de forma flexible, disminuyendo así los daños ante impactos externos, y tiene un impacto ambiental reducido al no necesitar estructura soporte desde el fondo marino o del río y al no bloquear la corriente, manteniendo un paso para la fauna y un caudal ecológico en el caso de aplicaciones en ríos.
Otro objeto de la presente invención es la obtención de un hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable que permita su conexión eléctrica, así como su mantenimiento mecánico y eléctrico por encima de la superficie del agua, teniendo varios alternadores que permiten una mayor flexibilidad de uso.
El hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable objeto de la presente invención está formado, al menos, por una estructura flotante en forma de aspa de cuatro brazos en cada uno de cuyos extremos hay un generador eléctrico cuyo eje está accionado por el dispositivo definido en el documento ES1140760U Mecanismo para la conversión del movimiento lineal de un fluido en el movimiento rotacional de un eje, que denominaremos en adelante “mecanismo de conversión”.
Como está descrito en ES1140760U, cada uno de los mecanismos de conversión consiste básicamente en un rotor con cuatro brazos fijados a un eje principal de rotación en cuyos extremos incorpora unas piezas oscilantes de empuje que actúan como palas.
Considerando los mecanismos de conversión ordenados en sentido de las agujas del reloj alrededor del eje central del aspa, cada uno de ellos está configurado para un sentido de giro horario o antihorario de forma alternativa. Es decir, si uno gira en el sentido horario, el siguiente lo hará en antihorario, el posterior en horario y el último en antihorario.
Esta configuración de cuatro generadores y mecanismos conversores en aspa con giros opuestos permite aprovechar al máximo la superficie de empuje opuesta a la corriente de agua.
De la parte central de la estructura en forma de aspa por su cara inferior va fijado un tubo de longitud mayor a la profundidad que alcancen los mecanismos de conversión. Este tubo está parcialmente cerrado en su extremo inferior y lleva unida en su eje central una cadena o cable de amarre al ancla o muerto del fondo. Dicho tubo dispone de dos aperturas para los cables eléctricos de entrada y salida.
El tubo tiene adosada una plancha fija en toda la longitud de su generatriz y situada en la posición intermedia de la línea imaginaria que une dos mecanismos de conversión adyacentes en sentido de las agujas del reloj en tomo al eje del aspa. Las fuerzas que actúan sobre la plancha fija hacen girar al conjunto para que siempre enfrente toda la sección transversal de máxima superficie de empuje de forma perpendicular a la dirección de la corriente de agua, que entra por uno de los lados del cuadrado imaginario que formarían los cuatro mecanismos conversores.
La alternancia horaria antihoraria del sentido de giro de los mecanismos de conversión en la configuración de aspa con plancha fija obliga de esta forma al conjunto a orientarse ofreciendo uno de los lados del cuadrado imaginario que forman los cuatro generadores en la dirección del flujo de la corriente de agua, maximizando la superficie de empuje de dicha corriente y, por tanto, la producción de energía.
Cada uno de los generadores eléctricos es accesible fuera del agua mediante escotilla por la parte inmediatamente superior de la estructura flotante en forma de aspa.
La estructura flotante en forma de aspa tiene a su vez en su centro y fuera del agua una cúpula accesible también mediante escotilla, en cuyo interior se realizan las conexiones, acoplamientos y tratamiento eléctrico de las ondas de energía eléctrica producidas independientemente por cada uno de los generadores eléctricos.
Las ondas eléctricas producidas por los cuatro generadores independientes se pueden tratar eléctricamente y acoplar en serie, en paralelo o en configuración mixta, según la velocidad de la corriente de agua en cada momento (incluso con velocidades bajas) para un aprovechamiento máximo de la energía.
El dispositivo así descrito presenta las ventajas objeto principal de la invención, así como otras adicionales, tales como su falta de afectación al fondo marino, su escaso impacto visual y su construcción simple, no necesitando presas ni obra civil de encauce de las corrientes de agua.
Es además un sistema modular y conectable a otros equipos ¡guales, pudiendo producir energía de forma continua siempre que haya corriente de agua en cualquier dirección y sentido.
Finalmente, el dispositivo proporciona espacio para elementos de electrónica de potencia, transformadores, etc., posibilitando la conexión a la red de distribución bien en corriente continua con la máxima tensión posible y transformación en tierra, o bien en corriente alterna con transformación en cada grupo y salida con la mayor tensión posible o a tensión de red.
A Io largo de la descripción y de las reivindicaciones, la palabra «comprende» y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la invención y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración y no se pretende que restrinjan la presente invención. Además, la invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1a muestra una vista en alzado de una realización preferente del hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable objeto de la presente invención.
La Figura 1b muestra una vista en planta superior de una realización preferente del hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable objeto de la presente invención.
La Figura 1c muestra una vista en planta inferior de una realización preferente del hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable objeto de la presente invención.
La Figura 1d muestra una vista lateral de una realización preferente del hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable objeto de la presente invención. La Figura 2 muestra una vista en perspectiva superior de una realización preferente del hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable objeto de la presente invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Empleando la numeración adoptada en las Figuras 1 y 2 del presente documento para identificar los elementos que componen el hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable objeto de la presente invención, se procede a la descripción de dichos elementos para una realización preferente de la invención.
En una realización preferente de la invención, el hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable está formado, al menos, por una estructura flotante en forma de aspa (1) de cuatro brazos en cada uno de cuyos extremos hay un generador eléctrico (2) accionado por un mecanismo de conversión (3) del movimiento lineal de un fluido en el movimiento rotacional de un eje.
Considerando los mecanismos de conversión (3) ordenados en sentido de las agujas del reloj alrededor del eje central del aspa (1), cada uno de ellos está configurado para un sentido de giro horario o antihorario de forma alterativa. Es decir, si uno gira en el sentido horario, el siguiente lo hará en antihorario, el posterior en horario y el último en antihorario.
En una realización preferente de la invención, de la parte central de la estructura en forma de aspa (1) por su cara inferior va fijado un tubo (5) de longitud mayor a la profundidad que alcancen los mecanismos de conversión (3). Este tubo (5) está parcialmente cerrado en su extremo inferior y lleva unida en su eje central una cadena o cable de amarre al ancla o muerto del fondo. Dicho tubo (5) dispone de dos aperturas para los cables eléctricos de entrada y salida.
El tubo (5) tiene adosada una plancha fija (6) en toda la longitud de su generatriz y situada en la posición intermedia de la línea imaginaria que une dos mecanismos de conversión (3) adyacentes en sentido de las agujas del reloj en tomo al eje del aspa (1).
Las fuerzas que actúan sobre la plancha fija (6) hacen girar al conjunto para que siempre enfrente toda la sección transversal de máxima superficie de empuje de forma perpendicular a la dirección de la corriente de agua, que entra por uno de los lados del cuadrado imaginario que formarían los cuatro mecanismos de conversión (3).
La alternancia horaria antihoraria del sentido de giro de los mecanismos de conversión (3) en la configuración de aspa (1) con plancha fija (6) obliga de esta forma al conjunto a orientarse ofreciendo uno de los lados del cuadrado imaginario que forman los cuatro generadores en la dirección del flujo de la corriente de agua, maximizando la superficie de empuje de dicha corriente y, por tanto, la producción de energía.
Cada uno de los generadores eléctricos (2) es accesible fuera del agua mediante una escotilla (7) por la parte inmediatamente superior de la estructura flotante en forma de aspa (1).
La estructura flotante en forma de aspa (1) tiene a su vez en su centro y fuera del agua una cúpula (4) accesible también mediante una escotilla (8), en cuyo interior se realizan las conexiones, acoplamientos y tratamiento eléctrico de las ondas de energía eléctrica producidas independientemente por cada uno de los generadores eléctricos (2).
En una realización preferente de la invención, las ondas eléctricas producidas los cuatro generadores (2) independientes se pueden tratar eléctricamente y acoplar en serie, en paralelo o en configuración mixta, según la velocidad de la corriente de agua en cada momento (incluso con velocidades bajas) para un aprovechamiento máximo de la energía.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable que emplea una serie de mecanismos de conversión (3) del movimiento lineal de un fluido en el movimiento rotacional de un eje caracterizado porque comprende, al menos, una estructura flotante en forma de aspa (1) de cuatro brazos en cada uno de cuyos extremos hay un generador eléctrico (2) accionado por un mecanismo de conversión (3) y, estando los mecanismos de conversión (3) ordenados en sentido de las agujas del reloj alrededor del eje central del aspa (1), cada uno de ellos está configurado para un sentido de giro horario o antihorario de forma alternativa, es decir, si uno gira en el sentido horario, el siguiente lo hará en antihorario, el posterior en horario y el último en antihorario.
2. Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable según la reivindicación 1 caracterizado porque de la parte central de la estructura en forma de aspa (1) por su cara inferior va fijado un tubo (5) de longitud mayor a la profundidad que alcancen los mecanismos de conversión (3), al cual está adosada una plancha fija (6) en toda la longitud de su generatriz y situada en la posición intermedia de la línea imaginaria que une dos mecanismos de conversión (3) adyacentes en sentido de las agujas del reloj en torno al eje del aspa (1), de forma que las fuerzas que actúan sobre la plancha fija (6) hacen girar al conjunto para que siempre enfrente toda la sección transversal de máxima superficie de empuje de forma perpendicular a la dirección de la corriente de agua, que entra por uno de los lados del cuadrado imaginario que formarían los cuatro mecanismos conversores (3).
3. Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable según las reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el tubo (5) está parcialmente cerrado en su extremo inferior y lleva unida en su eje central una cadena o cable de amarre al ancla o muerto del fondo, disponiendo dicho tubo (5) de dos aperturas para los cables eléctricos de entrada y salida.
4. Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable según la reivindicación 1 caracterizado porque cada uno de los generadores eléctricos (2) es accesible fuera del agua mediante una escotilla (7) por la parte inmediatamente superior de la estructura flotante en forma de aspa (1).
5. Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable según la reivindicación 1 caracterizado porque la estructura flotante en forma de aspa (1) tiene a su vez en su centro y fuera del agua una cúpula (4) accesible también mediante una escotilla (8), en cuyo interior se realizan las conexiones, acoplamientos y tratamiento eléctrico de las ondas de energía eléctrica producidas independientemente por cada uno de los generadores eléctricos (2).
6. Hidrogenerador múltiple independiente en aspa flotante de máxima superficie de empuje y autoorientable según las reivindicaciones 1 y 5 caracterizado porque las ondas eléctricas producidas por los cuatro generadores (2) independientes se pueden tratar eléctricamente y acoplar en serie, en paralelo o en configuración mixta, según la velocidad de la corriente de agua en cada momento para un aprovechamiento máximo de la energía.
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