GENERADOR ELÉCTRICO Y PROCEDIMIENTO DE FUNCIONAMIENTO ASOCIADO SECTOR DE LA TÉCNICA La presente invención se enmarca en el sector de la generación de energía. Más concretamente, se enmarca dentro de la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables, y más concretamente se enmarca dentro de los sistemas de generación de energía eléctrica que aprovecha la gravedad para la generación de energía eléctrica, considerada como la única fuente de energía renovable que se puede emplear las 24 horas del día, y los 365 días del año sin ningún tipo de fluctuación, con un reducido impacto ambiental y una mínima generación de residuos, que en su mayor parte pueden ser reciclados. OBJETO DE LA INVENCIÓN Uno de los objetos principales de la invención es la obtención de grandes cantidades de energía renovable de forma más eficiente, productiva y barata que con los medios actuales para tratar de frenar el cambio climático, algo que en este momento parece muy complicado debido a que la capacidad de generación de las energías renovables es muy inferior a las necesidades energéticas mundiales, lo que obliga a seguir utilizando las energías fósiles para cubrir ese déficit. Otro de los objetos de la invención es que, mediante la obtención de enormes cantidades de energía renovable y barata, se dinamice la economía mundial, y desaparezca la “pobreza energética”. Otro de los objetos de la invención es paliar la hambruna del tercer mundo, gracias a que mediante la energía abundante, limpia y barata que puede generar la invención, se podría transportar el agua del mar mediante grandes bombas a grandes distancias, en países donde la sequía provocada por el cambio climático está haciendo estragos, y construir multitud de desaladoras en lugares desérticos para que la salmuera desechada no perjudique ningún ecosistema y desde allí reconducir el agua para su uso para la población y los cultivos.
Otro de los objetos de la invención es impulsar la exploración espacial, gracias a que mediante su gran capacidad de generación de energía eléctrica, y su reducido tamaño en comparación con las placas solares que se utilizan actualmente en los satélites y en la Estación Espacial Internacional, permitiría el empleo de grandes propulsores iónicos, mucho más eficientes que los propulsores químicos, pero que necesitan una enorme cantidad de energía eléctrica, para poder proporcionar el empuje que necesitaría una gran nave espacial para viajar a otros planetas como Marte. Por último, otro de los objetos de la invención es reducir el impacto ambiental que implican algunas de las instalaciones de generación de energía renovable, como son las grandes extensiones de placas solares o el impacto visual de los aerogeneradores en el medio ambiente y el riesgo que conllevan para las aves debido a su enorme tamaño y altura, ya que los generadores eléctricos descritos en esta invención, tienen una capacidad de generación muy alta por m2 y se pueden ubicar en instalaciones subterráneas, con un mínimo impacto ambiental. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En la actualidad, es ampliamente conocido el problema energético mundial, en el que las únicas alternativas a la generación tradicional (centrales hidroeléctricas, centrales térmicas, o centrales nucleares), reside en la utilización de energías renovables, como la solar o la eólica. Por un lado, la combustión del gas y del carbón en las centrales térmicas genera una gran cantidad de emisiones contaminantes, que contribuyen al calentamiento global del planeta y al cambio climático, además de incrementar los riesgos para la salud de los seres vivos expuestos a dichas emisiones. Por otra parte, las centrales nucleares generan residuos radioactivos peligrosos, que requieren de un almacenamiento de alta seguridad en instalaciones preparadas para evitar que la radiación pueda escapar y alcanzar a los seres vivos. Todo esto supone unos costes muy elevados y un espacio que deberá de permanecer controlado durante cientos o miles de años, hasta que los residuos hayan perdido la mayor parte de su radioactividad. Por tanto, las energías renovables se imponen como la única solución para evitar o minimizar la generación de residuos o de emisiones contaminantes, y frenar el cambio climático. Es por ello que aparecen como alternativa clara y necesaria frente a la generación eléctrica tradicional, siendo tanto la energía solar, como la eólica, fuentes energéticas infinitas que no generan contaminación de manera directa.
Sin embargo, estas energías renovables son completamente dependientes de las condiciones climáticas, ya que la generación de energía está relacionada con las horas de radiación solar o con la existencia de viento dentro de unos parámetros de velocidad específicos. También es relevante destacar el impacto visual que provocan los generadores eólicos o los parques solares en el medio ambiente, incluyendo los riesgos que representan los generadores eólicos para las aves, debido a sus grandes dimensiones. Particularmente, una de las principales aplicaciones de la generación eléctrica anteriormente comentada, es la utilización de la electricidad para recargar baterías que permitan el funcionamiento de dispositivos eléctricos y/o electrónicos sin necesidad de estar conectados a la red eléctrica de manera continua. Concretamente, la utilización de la energía eléctrica para la recarga de baterías es fundamental en su aplicación en los vehículos de transporte, como pueden ser los automóviles, los trenes, o los barcos, que funcionan o podrían funcionar mediante la utilización de motores eléctricos, que deben estar alimentados mediante unos medios de almacenamiento de energía eléctrica, comúnmente baterías de litio o similar. Es por ello que una gran parte de la energía eléctrica generada mediante los métodos de generación eléctrica conocidos se destina directamente a la recarga de baterías que se utilizarán en dispositivos que no pueden estar conectados constantemente a la red eléctrica. Atendiendo al razonamiento anterior, y para poder cubrir las necesidades energéticas mundiales, se hace necesaria la aparición de un sistema de generación eléctrica, que no emita gases contaminantes y de efecto invernadero, que no dependa de recursos finitos, y que no subordine la generación eléctrica a unas condiciones climáticas definidas. En este sentido, pertenece al estado de la técnica el fenómeno de la piezoelectricidad, entendido como una característica de determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, adquieren en su masa una polarización eléctrica, apareciendo una diferencia de potencial con cargas en su superficie. Esto se debe a que los materiales piezoeléctricos carecen de centro de simetría, por lo que cualquier compresión provoca una disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas, apareciendo dipolos elementales y generando cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.
En el campo de los materiales piezoeléctricos, pertenecen al estado de la técnica las pilas piezoeléctricas, que comprenden una construcción cerámica monolítica de una pluralidad de capas piezoeléctricas delgadas, que puede conectarse eléctricamente tanto en paralelo, como en serie, obteniendo una alta eficiencia de conversión de energía, y una respuesta rápida. Así mismo, podemos encontrar también en el estado de la técnica, otros materiales con características similares a los piezoeléctricos, esto es, materiales que generan una diferencia de potencial a partir de una presión con su correspondiente deformación, como los ferroeléctricos. Pertenece también al estado de la técnica, la generación de energía eléctrica mediante elementos piezoeléctricos debido a la diferencia de potencial y a la corriente inducida en ellos cuando son sometidos a un ciclo de presión o deformación, seguido de una fase de relajación, durante un tiempo y una frecuencia definidos. A este fenómeno se le denomina comúnmente bombeo piezoeléctrico, y podría ser utilizado, por ejemplo, en la carga de una batería. Una de las posibles aplicaciones del bombeo piezoeléctrico se testó en Israel por la Asociación de Transporte Medioambiental de Inglaterra, mediante una instalación con multitud de elementos piezoeléctricos colocados bajo el asfalto de una autopista que, al ser atravesada por una gran cantidad de vehículos, fue capaz de generar una potencia de 400 KW. Este sistema, aprovechaba la fuerza peso y el desplazamiento de los vehículos para generar energía mediante el bombeo piezoeléctrico. En aplicación de los anteriores principios, se han desarrollado diferentes soluciones de generación piezoeléctrica destinados a ser incluidos en los neumáticos de un vehículo, con el objetivo de ofrecer una mayor autonomía a los vehículos eléctricos, o para alimentar algunos dispositivos como sensores de presión situados en los neumáticos ya que, durante el rodaje de los mismos se produce un constante cambio en el punto de apoyo, generando variaciones de presión que pueden ser utilizadas para generar el bombeo piezoeléctrico y la generación de electricidad. Es decir, estos sistemas tratan de utilizar la rotación de los neumáticos, que cada vez se apoyan en un punto diferente de su perímetro, para aplicar una presión alterna con una frecuencia determinada por la velocidad del vehículo, provocando el bombeo piezoeléctrico y logrando una generación de energía eléctrica.
En un ejemplo de lo anterior, la compañía Goodyear® presentó un prototipo de un neumático capaz de generar energía eléctrica, ya que su cubierta tiene la capacidad de transformar el calor, las deformaciones y las vibraciones que se generan durante el rodaje del vehículo en electricidad. Para lograrlo, la cubierta comprende dos tipos de materiales, uno termoeléctrico, que transforma el calor generado por el neumático en energía eléctrica, y otro piezoeléctrico, que convierte la deformación causada por la presión sobre el asfalto y las vibraciones en energía eléctrica. En otro ejemplo de aplicación de los elementos piezoeléctricos para la generación de energía eléctrica en los neumáticos de un vehículo, encontramos el documento ES1192308U, en el que se describe un sistema para generar energía eléctrica con módulos piezoeléctricos incorporados en un sistema situado entre el neumático y la llanta de un vehículo, que está caracterizado porque comprende al menos un módulo piezoeléctrico ubicado en la pared interna de un neumático, dispuesto para generar energía eléctrica a partir de la energía mecánica producida cuando gira dicho neumático y el contacto de este contra el suelo, que provoca una presión transmitida al citado módulo piezoeléctrico, dispuesto para dirigir la energía eléctrica hacia un sistema de extracción. Los sistemas anteriormente descritos requieren de un contacto directo entre la cubierta del neumático y el elemento piezoeléctrico, es decir, describen sistemas en los que los elementos piezoeléctricos se localizan en el perímetro del neumático, de manera que, para cada posición de giro del mismo, se presione un elemento piezoeléctrico determinado, liberándolo en una posición siguiente. Como se ha comentado anteriormente, esto logra que se aplique presión sobre los elementos piezoeléctricos con una frecuencia determinada y, por tanto, se consigue el bombeo piezoeléctrico. Sin embargo, la fuerza aplicada a los elementos piezoeléctricos está limitada por el peso del vehículo, y esto implica que la energía generada no sea suficientemente grande como para alimentar totalmente al motor eléctrico del vehículo. Por lo que, el sistema incrementaría la autonomía del vehículo, pero de forma muy limitada. Así mismo, al tener los elementos piezoeléctricos en el perímetro del vehículo, la frecuencia de aplicación de la presión sobre los mismos está determinada por la velocidad de giro del neumático, directamente relacionada con la velocidad de avance del vehículo. Esto quiere decir que la generación de energía eléctrica será diferente cuando el vehículo eléctrico circule por zona urbana o por una autopista. Pudiéndose dimensionar los elementos
piezoeléctricos para que funcionen en su punto óptimo únicamente para una velocidad de avance del vehículo determinada. Ante esta situación, se hace necesario un sistema de generación eléctrica mediante bombeo piezoeléctrico, aplicado a la alimentación de un vehículo eléctrico, que sea suficiente para lograr su completa autonomía. Es decir, que no únicamente sea un sistema de ayuda a la recarga de las baterías del vehículo, y a un aumento limitado de su autonomía, sino que logre incrementar su autonomía por encima de la de los vehículos con motor de combustión interna. De lo anteriormente explicado, se extrae la necesidad de un sistema de generación de energía eléctrica mediante elementos piezoeléctricos, que aproveche la atracción de la gravedad, a través de la fuerza peso, para la generación de electricidad, entendiendo que la atracción de la gravedad es una constante infinita, invariable e independiente de las condiciones climáticas, lo que la convierte gracias al fenómeno de la piezoelectricidad en la mayor fuente de energía renovable del planeta. EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN El generador eléctrico y el procedimiento de funcionamiento asociado que la invención propone se configura, pues, como destacable novedad dentro de su campo de aplicación, ya que, a tenor de su implementación y de manera taxativa se alcanzan los objetivos a continuación señalados, estando los detalles caracterizadores que lo hacen posible y que los distinguen, convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente descripción. Concretamente, la presente invención plantea lograr un generador eléctrico que utiliza la aplicación de presión y fuerza sobre elementos piezoeléctricos, u otros materiales de similares características, a partir de cualquier medio de aplicación de una presión, que puede ser, incluso, la utilización de la acción de la gravedad, a través de la fuerza de gravedad (peso). Para lograr la generación de energía eléctrica, la presente invención constará de dos sistemas diferentes: un sistema de recirculación de un fluido desde el perímetro de una carcasa cilíndrica hasta un elemento de distribución del flujo del fluido; y un sistema de aplicación de presión que actúa de forma alternativa sobre los elementos piezoeléctricos. En el primer caso, se empleará la rotación de una carcasa cilíndrica que sustenta una estructura cilíndrica hueca, que comprende medios de almacenamiento de un fluido, que en su conjunto conforman una pluralidad de compartimentos de almacenamiento de un fluido, que estarán en contacto directo con unos medios de aplicación de una presión, configurados para transmitir el
movimiento de rotación a la carcasa cilíndrica y para aplicar una fuerza y, por tanto, una presión sobre los medios de almacenamiento del fluido. Mediante el movimiento de rotación, y utilizando la fuerza aplicada por los medios de aplicación de una presión, se ejercerá una presión sobre los compartimentos llenos de fluido que se encuentren en la zona en contacto directo con los citados medios, provocando una reducción del volumen interior de los compartimentos, lo que a su vez provoca un incremento de la presión interna de los compartimentos, y un desplazamiento del fluido contenido en el interior de los compartimentos. Es decir, la carcasa cilíndrica comprende un movimiento de rotación accionado por los medios de aplicación de una presión que, además de trasladar el movimiento de rotación a la carcasa cilíndrica, aplican una presión sobre los medios de almacenamiento del fluido, de forma que el volumen interno de los compartimentos de almacenamiento se reduce por la acción de la fuerza aplicada por los medios de aplicación de una presión, provocando un incremento de la presión en el interior de los compartimentos y, por tanto, un desplazamiento del fluido contenido en su interior. Este fluido se redirige a través de unas conducciones hasta una válvula de distribución central, situada en el interior de la estructura cilíndrica hueca, que será la encargada de reconducirlo y distribuirlo de forma alternativa hasta los sistemas encargados de aplicar la presión sobre los elementos piezoeléctricos que, de forma preferente, aunque no limitativa serán cilindros hidráulicos. El segundo sistema parte, como se ha comentado, de la válvula de distribución, que recibe el fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento que en ese momento estén en contacto directo con los medios de aplicación de una presión, y que son los que soportan toda la presión ejercida por los medios de aplicación de una presión. Es necesaria la utilización de al menos dos cilindros hidráulicos para lograr una presión de forma alterna sobre los elementos piezoeléctricos, ya que, como es conocido en el estado de la técnica, es necesaria la aplicación de una carga, seguida de una posterior liberación de dicha carga para lograr la generación de electricidad. De esta forma, la válvula de distribución conducirá el fluido a un número determinado de cilindros hidráulicos, permaneciendo el resto liberados, de forma que los primeros presionarán sus correspondientes elementos piezoeléctricos, mientras que los restantes permanecerán en reposo. Para lograr este efecto, en cada posición de rotación de la carcasa cilíndrica, estarán
seleccionados los cilindros hidráulicos que deberán trabajar y los cilindros hidráulicos que deberán permanecer en reposo, alternándose esta característica en una posición siguiente. Esto permite lograr una carga y una liberación alternativa de los elementos piezoeléctricos. Con los dos sistemas anteriores, se genera energía eléctrica a partir de la rotación de una carcasa cilíndrica rodeada en su perímetro exterior por medios de almacenamiento con fluido en el interior de sus compartimentos, y la realización de una fuerza sobre los compartimentos de los medios de almacenamiento , ejercida por unos medios de aplicación de una presión, que giran de manera solidaria con la carcasa cilíndrica debido al contacto directo, el rozamiento y a la presión que ejercen sobre los medios de almacenamiento y sus compartimentos con fluido que rodean la carcasa cilíndrica. El generador eléctrico podrá ser utilizado tanto como sistema propio de generación de energía, conectándolo de manera directa a un dispositivo eléctrico o electrónico, como en combinación con una batería de almacenamiento de energía que alimenta al dispositivo eléctrico o electrónico para su correcto funcionamiento. En un modo de llevar a cabo la invención, se utiliza la propia acción de la gravedad, por medio de la fuerza de la gravedad, para aplicar la fuerza sobre los compartimentos de almacenamiento del fluido, de forma que la carcasa cilíndrica apoya directamente sobre un rodillo y, mediante el giro del rodillo, se hace girar la carcasa, de manera que se vayan presionando consecutivamente los compartimentos de almacenamiento del fluido por el propio peso del conjunto. Un ejemplo claro de aplicación de este primer modo de llevar a cabo la invención, lo encontramos en la instalación del generador en las ruedas de un vehículo, preferiblemente eléctrico, de manera que: se alojaría en el interior del neumático una cámara flexible con los compartimentos que contienen el fluido, y se alojarían en el hueco interior de la llanta los restantes elementos necesarios para la generación de electricidad anteriormente detallados. Para el correcto funcionamiento, será necesaria la utilización de una segunda cámara llena de aire a presión, cuya función sea el rellenado del hueco interior del neumático, de forma que la masa del fluido del interior de la cámara flexible sea la mínima imprescindible. De esta forma, mediante la rotación de las ruedas durante la circulación del vehículo sobre el asfalto, se genera la suficiente energía para alimentar el motor eléctrico que mueve el vehículo, y cualesquiera otros sistemas eléctricos incluidos en el vehículo, como puede ser el aire acondicionado o la utilización de sistemas de navegación, debiendo ser únicamente
imprescindible la batería para los momentos en los que el vehículo no está circulando, o para realizar el arranque del motor, hasta que éste se pone en movimiento. En otro modo de llevar a cabo la invención, la estructura comprende al menos un soporte para un rodillo que actuará como medio de aplicación de una presión al que se le aplica un movimiento de rotación mediante un motor eléctrico, motorreductor o similar, debido a que el rodillo se encuentra suspendido en la estructura mediante un eje y al menos un par de rodamientos. El movimiento de rotación, tal y como se ha comentado anteriormente, se trasladará a la carcasa cilíndrica debido a la presión y a la fuerza de rozamiento entre una cámara flexible que rodea el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica, y cuyo interior está dividido en una pluralidad de compartimentos que contienen un fluido y el rodillo. El motor que imprime el movimiento de rotación solidaria tanto a la carcasa cilíndrica, como al rodillo, podrá estar acoplado a cualquiera de ellos indistintamente. De acuerdo a este modo de llevar a cabo la invención, se tiene un rodillo que ejerce una fuerza contra los compartimentos de la cámara flexible, ejerciendo una presión que disminuye el volumen interno de los compartimentos de la cámara flexible; y que comprende un movimiento de rotación que se traslada a la carcasa cilíndrica, de manera que para cada posición de giro se estén presionando unos compartimentos diferentes. Así mismo, para obligar a que la cámara flexible esté en contacto continuo con el rodillo, logrando que el rodillo ejerza una presión constante sobre los compartimentos de la cámara flexible, la estructura comprenderá al menos dos vástagos, uno a cada lado de la carcasa cilíndrica, unidos mecánicamente con el soporte del rodillo, y estando al menos uno de ellos unido al eje del elemento cilíndrico, permitiendo el libre movimiento de rotación trasladado por el rodillo. Los vástagos comprenderán, de manera preferente, medios de variación de la distancia entre el eje de la carcasa cilíndrica y el rodillo, como por ejemplo un roscado en el vástago y una tuerca de apriete, de manera que al roscar la tuerca en el vástago se logre disminuir la distancia entre el eje de la carcasa cilíndrica y el rodillo, aumentando la presión ejercida sobre los compartimentos internos de la cámara flexible. Por otra parte, para mantener la estabilidad del conjunto, los vástagos estarán unidos en su parte superior, mediante un elemento longitudinal, como por ejemplo una placa metálica rígida, evitando el contacto con la carcasa cilíndrica para no interferir en el giro libre de la misma, y manteniendo el paralelismo entre los dos vástagos utilizados.
De esta manera logramos un generador eléctrico cuya capacidad de generación dependerá en parte de la presión ejercida sobre los compartimentos internos de la cámara flexible, lo que provocará un incremento de presión en el circuito hidráulico, y por tanto un incremento en la cantidad de energía generada. Esto depende de la presión entre el rodillo y los compartimentos de almacenamiento de fluido de la cámara flexible, que se regulará utilizando las tuercas y los vástagos con el extremo roscado. De forma que, conforme se aprieten las tuercas, se aumentará la presión en el interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido de la cámara flexible y, por tanto, se aumentará la cantidad de energía generada. Esta característica, en contra del primer modo de llevar a cabo la invención, permite al generador eléctrico trabajar en posición horizontal, y ser fabricado con materiales más ligeros, ya que en este caso la masa no influye en la cantidad de energía generada. Por lo que su ámbito de aplicación aumenta gracias a las posibilidades de instalación en cualquier vehículo. Un ejemplo claro de aplicación de este segundo modo de llevar a cabo la invención, lo encontramos en la instalación del generador eléctrico en el sector de la automoción y el transporte terrestre en general, donde el generador puede instalarse en posición horizontal en cualquier parte del vehículo, como por ejemplo el maletero, adaptando sus dimensiones finales al alojamiento en el que se instala. Lo que supone un ahorro en costes, ya que un solo generador podría generar suficiente energía eléctrica para abastecer al vehículo. De manera alternativa al modo de llevar a cabo la invención anterior, existen otras posibilidades descritas en la realización preferente de la presente memoria, como la utilización de un conjunto de cilindros hidráulicos perimetrales que son presionados por una rueda dentada. Otro ejemplo de aplicación se encuentra en la posibilidad de incluir una pluralidad de generadores en una instalación dedicada exclusivamente a la generación de electricidad, como se hace con los restantes sistemas de generación, alternativamente a la instalación de placas solares, o los generadores eléctricos instalados en las centrales térmicas o las centrales nucleares. En el caso que ocupa a la presente invención, se deberán instalar una pluralidad de sistemas anteriormente descritos, según cualquiera de los modos de llevar a cabo la invención, en el que se aplique una rotación a la pluralidad de medios de almacenamiento del fluido, que estarán en contacto directo con una pluralidad de medios de aplicación de una presión. Mediante este sistema, la obtención de energía sería prácticamente ilimitada, ya que no está
supeditada a las condiciones climáticas, la disponibilidad de combustible, el impacto ambiental o las horas de radiación solar. Se trataría de un sistema que podría encontrarse en cualquier lugar, incluso en una instalación enterrada bajo tierra, y que únicamente dependería de la aplicación del giro a la carcasa cilíndrica que contiene los sistemas antes mencionados (cilindros hidráulicos, elementos piezoeléctricos, etc.), donde la presión ejercida sobre los compartimentos internos de los medios de almacenamiento del fluido, únicamente dependerá de la regulación realizada mediante la estructura configurada para aplicar la presión. Otro ejemplo de aplicación lo encontramos en el sector marítimo, de manera que se genere energía eléctrica de manera independiente al balanceo del propio barco debido al oleaje del mar, las tormentas o las mareas. Otro ejemplo de aplicación lo encontramos en el sector aeroespacial, en el que una de las prioridades es asegurar que todos los componentes de cualquier aeronave, satélite, o cohete espacial, sean lo más ligeros posibles, debido a que influye principalmente en la maniobra de despegue. Particularmente, en determinados modos de llevar a cabo la invención en los que no influye la fuerza peso, los generadores eléctricos podrían utilizarse para alimentar los módulos de propulsión iónicos en satélites o naves espaciales, gracias a sus características constructivas, ya que no necesitan la fuerza de gravedad para la generación de energía eléctrica, gracias a que sólo dependen de la presión ejercida por el rodillo contra los medios de almacenamiento del fluido y sus compartimentos internos, para generar presión en el circuito hidráulico y por tanto energía eléctrica Por otra parte, y continuando en el ejemplo anterior, al poderse fabricar los generadores eléctricos utilizando aleaciones ligeras, como el aluminio o el titanio, sería posible su instalación en el interior de las naves espaciales, suministrando energía eléctrica a la nave en todo momento, especialmente cuando ésta se desacopla del módulo propulsor para posarse en algún planeta, satélite, etc. Un último ejemplo de aplicación lo encontramos en la instalación de los generadores eléctricos en el interior de unas unidades descarbonizadoras de la atmósfera, que se encargarían de absorber por unas rejillas el aire contaminado de las ciudades, para devolver aire limpio a la atmósfera, tras haber extraído y almacenado en depósitos los gases que provocan el efecto invernadero o que son perjudiciales para la salud, como el CO2, el dióxido de nitrógeno o el metano.
Uno de los principales problemas de los sistemas de limpieza del aire reside en el alto consumo de energía requerido. Y este problema se solucionaría mediante la utilización de los generadores objeto de la presente invención. Estas unidades de limpieza podrían ser móviles e instalarse en la parte trasera de autobuses urbanos, o cualquier vehículo urbano, que esté recorriendo las calles de las ciudades, de manera que se iría limpiando el aire de la ciudad mientras realizan sus recorridos normales. De acuerdo a la descripción realizada, la presente invención describe un generador eléctrico que aprovecha la fuerza ejercida por unos medios de aplicación de una presión que comprenden un movimiento de rotación, para presionar unos elementos piezoeléctricos, mediante la utilización de un sistema que comprende una carcasa cilíndrica cuyo perímetro exterior se encuentra rodeado de medios de almacenamiento de un fluido, de los que se extrae una parte del fluido contenido en su interior a través de una disminución del volumen de los compartimentos internos que almacenan el fluido, causada por la presión ejercida por los medios de aplicación de una presión, con los que se encuentra en constante contacto. Donde el fluido es redirigido a través de unas conducciones hasta los cilindros hidráulicos, que aplicarán la fuerza directamente sobre los elementos piezoeléctricos que, por la deformación sufrida, generarán una diferencia de potencial que inducirá una corriente que será recogida y rectificada para su ulterior utilización. El generador eléctrico, el procedimiento de funcionamiento asociado, y el conjunto de los elementos descritos, representan una innovación de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora, razones que, unidas a su utilidad práctica, le dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita. 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: Figura 1. Sección de un cilindro hidráulico. Figura 2. Vista general de un cilindro hidráulico.
Figura 3. Vista general de la primera realización preferente. Figura 4. Sección transversal de un generador eléctrico según la primera realización. Figura 5. Detalle de la cámara flexible y los compartimentos internos según la primera realización. Figura 6. Vista general de la segunda realización preferente. Figura 7. Vista general de la tercera realización preferente. Figura 8. Vista general de la cuarta realización preferente. Figura 9. Vista general del primer ejemplo de aplicación. Figura 10. Vista general del segundo ejemplo de aplicación. Figura 11. Vista general del tercer ejemplo de aplicación. Figura 12. Vista general del cuarto ejemplo de aplicación. Figura 13. Vista en detalle del cuarto ejemplo de aplicación (sin neumático). Figura 14.- Cilindro hidráulico con varias etapas de multiplicación de la presión. Figura 15.- Esquema del sistema de precarga para aplicación en vehículo eléctrico. Figura 16. Vista general del quito ejemplo de aplicación. Figura 17. Vista general del sexto ejemplo de aplicación. Figura 18. Vista del cuarto ejemplo de aplicación en una unidad móvil de descarbonización. Figura 19. Vista de una unidad de descarbonización acoplada a un autobús de línea. Relación de referencias y figuras: 1. Carcasa cilíndrica 2. Cámara flexible 3. Compartimentos internos 4. Válvula de distribución 5. Conducciones para el fluido 6. Superficie de apoyo (rodillo) 7. Cilindros hidráulicos 8. Elementos piezoeléctricos 9. Primera cámara del multiplicador de presión 10. Primer pistón del multiplicador de presión 11. Primera sección cilíndrica 12. Segunda sección cilíndrica 13. Segunda cámara del cilindro hidráulico 14. Segundo pistón del cilindro hidráulico 15. Racor entrada al cilindro hidráulico 16. Sistema de precarga
17. Regulador de presión 18. Válvula antirretorno 19. Cámara de distribución 20. Circuito de entrada 21. Circuito de retorno 22. Motor paso a paso del regulador de presión 23. Tornillo del regulador de presión 24. Rodillo 25. Vástago 26. Estructura 27. Electroválvula 28. Soporte 29. Tuercas de los vástagos 30. Nave espacial 31. Cilindros hidráulicos perimetrales 32. Rueda dentada 33. Estructura 34. Cámara de aire a presión 35. Rodillo inferior 36. Módulo propulsor 37. Alojamientos 38. Neumático del vehículo 39. Llanta de la rueda del vehículo 40. Unidad móvil del descarbonizador REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN En la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferentes, se hace referencia a los dibujos adjuntos que forman parte de esta memoria, y en los que se muestran a modo de ilustración realizaciones preferentes específicas en las que la invención puede llevarse a cabo. Estas realizaciones se describen con el suficiente detalle como para permitir que los expertos en la técnica lleven a cabo la invención, y se entiende que pueden utilizarse otras realizaciones y que pueden realizarse cambios lógicos estructurales, mecánicos, eléctricos y/o químicos sin apartarse del alcance de la invención. Para evitar detalles innecesarios y para permitir a los expertos en la técnica llevar a cabo la descripción detallada, no debe, por tanto, tomarse las siguientes realizaciones en un sentido limitativo.
Concretamente, la presente invención describe un generador eléctrico que está caracterizado porque comprende: • al menos una carcasa cilíndrica con medios de almacenamiento de un fluido ubicados en el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica, donde los medios de almacenamiento del fluido en su conjunto conforman una pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido; • medios de aplicación de una presión sobre la pluralidad de compartimentos, en contacto con la pluralidad de compartimentos del elemento cilíndrico (1), configurados para ejercer una fuerza sobre los compartimentos del elemento cilíndrico (1); • al menos una válvula de distribución (4) alojada en la parte central o sustancialmente central de la carcasa cilíndrica; • medios de conducción del fluido (5) desde los compartimentos de almacenamiento del fluido hasta la válvula de distribución (4); • al menos dos cilindros hidráulicos (7) conectados mediante conducciones con la válvula de distribución (4), con al menos un elemento piezoeléctrico (8) en cada cilindro hidráulico. Donde los medios de aplicación de una presión sobre la pluralidad de compartimentos están configurados para ejercer una presión sobre los compartimentos de almacenamiento del fluido, generar una deformación de compartimento de almacenamiento del fluido, y provocar un desplazamiento del fluido contenido en los compartimentos de almacenamiento del fluido. Donde el fluido desplazado es conducido hasta la válvula de distribución (4), que reconduce el fluido hasta al menos un cilindro hidráulico (7); Donde los cilindros hidráulicos (7) están configurados para realizar una presión sobre los elementos piezoeléctricos (8), en respuesta a la entrada del fluido desplazado en el cilindro hidráulico (7). Y donde la presión ejercida sobre los elementos piezoeléctricos (8) genera una diferencia de potencial, que induce una corriente, que se extrae del sistema para acondicionarla y su posterior utilización, almacenamiento y/o vertido a la red eléctrica general. De esta forma, se logra un generador eléctrico que utiliza la fuerza ejercida por un elemento en rotación, en contacto con unos compartimentos de almacenamiento del fluido, ubicados en el perímetro de la carcasa cilíndrica, para desplazar el fluido contenido en los compartimentos de
almacenamiento del fluido, donde el fluido será reconducido, a través de la válvula de distribución, hasta los cilindros hidráulicos, que presionarán unos elementos piezoeléctricos en respuesta a la entrada del fluido desplazado, logrando una generación de energía eléctrica en las caras de los elementos piezoeléctricos, que podrá extraerse para su posterior utilización. En una realización preferente, la válvula de distribución (4) estará configurada para alimentar de manera alternativa los diferentes cilindros hidráulicos (7), de forma que, durante una determinada posición de rotación de la carcasa cilíndrica, estén alimentados un número determinado de cilindros hidráulicos (7), quedando los restantes cilindros hidráulicos (7) sin alimentar, alternando esta situación en una posición siguiente de rotación de la carcasa cilíndrica. Por lo que, para todas las posiciones de rotación de la carcasa cilíndrica, siempre existirá al menos un cilindro hidráulico (7) alimentado, y al menos un cilindro hidráulico (7) sin alimentar, ejerciendo una presión de forma alterna sobre los elementos piezoeléctricos (8), y logrando una alternancia entre periodos de aplicación de presión y periodos de liberación de presión, que es necesaria para la generación eléctrica mediante los elementos piezoeléctricos (8). Teniendo en cuenta que, controlando con exactitud las revoluciones a las cuales gira la carcasa cilíndrica (1), y controlando el número de compartimentos de almacenamiento del fluido, se determina la frecuencia a la que se aplica la presión sobre los elementos piezoeléctricos (8); es posible diseñar las dimensiones y características de los elementos piezoeléctricos (8), para que su frecuencia de resonancia coincida con la frecuencia a la cual son sometidos a la presión ejercida por los cilindros hidráulicos, siendo la frecuencia de resonancia en la que se logra una mayor generación de energía eléctrica. En otra realización preferente, se utilizan unas electroválvulas conectadas con la salida de cada compartimento de almacenamiento del fluido, que se activarán gracias a la señal emitida por un sensor de presión que detectará cualquier incremento en la presión del fluido a la salida de cada compartimento de almacenamiento del fluido, que únicamente permitirá el paso del fluido contenido en los compartimentos hacia la válvula de distribución (4) cuando la presión en el interior del compartimento que en ese momento esté en contacto directo con los medios de aplicación de la presión, supere un valor previamente determinado. Esta realización permite aislar cada compartimento de almacenamiento del resto, evitando que una parte del fluido vaya a parar al resto de los compartimentos de almacenamiento sobre los que no se está ejerciendo una presión, lo que provocaría un descenso de la presión obtenida en la entrada de los cilindros hidráulicos en los cuales se está inyectando el fluido.
Preferentemente, se utilizarán elementos piezoeléctricos (8) comerciales, o fabricados exprofeso, que vienen previamente encapsulados y protegidos en el interior de un bastidor para su directa utilización. De manera alternativa, podrán utilizarse pilas piezoeléctricas como elementos piezoeléctricos (8), configuradas como un apilamiento de secciones piezoeléctricas conectadas en serie o en paralelo. En una realización preferente, los cilindros hidráulicos (7) podrán comprender al menos una etapa de multiplicación de la presión, comprendida por al menos: • una primera cámara (9), configurada para la recepción del fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento, a través del racor de entrada (15) de la válvula de distribución (4); • un primer pistón 10, con una primera sección cilíndrica (11) de mayor diámetro, en contacto directo con la primera cámara (9); y una segunda sección cilíndrica (12) de menor diámetro; • una segunda cámara 13, en contacto directo con la segunda sección cilíndrica (12) del primer pistón (10); • y un segundo pistón (14), en contacto directo por uno de sus lados con la segunda cámara (13); y configurado para presionar los elementos piezoeléctricos (8) por el otro de sus lados. De forma que, al alimentar la primera cámara (9) con el fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento, se produce un aumento de la presión en la cámara (9), que presiona y desplaza el primer pistón (10). Mediante el cambio de sección entre la primera sección cilíndrica (11) y la segunda sección cilíndrica (12), y mediante la aplicación de las siguientes fórmulas, referidas al cálculo de las presiones existentes en el multiplicador de presión:
Se tiene un aumento de la presión en la segunda cámara 13, que empujará el segundo pistón 14, ejercitando una mayor fuerza sobre el elemento piezoeléctrico 8 correspondiente, también según la aplicación de las siguientes fórmulas: ^3 =
*# !
+ , ^^^ ^^^^^ ^2 = ^3 × ^3 ^4 =
*# !
. , ^^^ ^^^^^ ^2 = ^4 × ^4 ^^^^^^^^^ ^^^^^ ^/^^^^^^^^^ ^3 × ^3 = ^4 × ^4 ^^ ^^^^^ ^^^, ^^^3 > ^4, ^^^^^^^^^4 > ^3 Particularmente, en una realización preferente de la anterior, en el espacio utilizado por el primer pistón (10) para su desplazamiento longitudinal se habrá hecho el vacío para minimizar la resistencia al avance del primer pistón (10), aprovechando al máximo la fuerza realizada. Alternativamente y de manera no preferida, podrá rellenarse mediante un fluido en circuito cerrado. En una realización alternativa, se incluye la utilización de un multiplicador de presión comercial en la entrada de los cilindros hidráulicos (7), en vez de la utilización del multiplicador de presión anteriormente descrito. De manera preferente, y bajo determinadas circunstancias como por ejemplo cuando el elemento en rotación esté acoplado a la cadena cinemática del motor de un vehículo, el generador eléctrico comprende un sistema de precarga (16), que comprende al menos dos circuitos hidráulicos paralelos, que comprenden cada uno: • una electroválvula (27), ubicada entre la salida de los compartimentos internos y la entrada de la válvula de distribución (4); • y una válvula antirretorno (18), en paralelo con un regulador de presión (17), ubicados entre la salida de la válvula de distribución (4) y la entrada a los cilindros hidráulicos (7). Estando la válvula de distribución (4) dividida en al menos dos cámaras de distribución (19), estando cada cámara de distribución (19) conectada con al menos uno de los circuitos hidráulicos paralelos. Estando cada uno de los circuitos hidráulicos paralelos conectado con un grupo determinado de cilindros hidráulicos (7).
Y estando los circuitos hidráulicos paralelos configurados para funcionar de manera alterna con respecto a los compartimentos internos, es decir: • el primer compartimento interno alimentará un primer circuito hidráulico paralelo conectado con un primer compartimento de distribución de la válvula de distribución (4); • el segundo compartimento interno alimentará un segundo circuito hidráulico paralelo conectado con un segundo compartimento de distribución de la válvula de distribución (4); • el tercer compartimento interno alimentará al primer circuito hidráulico paralelo conectado con el primer compartimento de distribución de la válvula de distribución (4); • el cuarto compartimento interno alimentará al segundo circuito hidráulico paralelo conectado con el segundo compartimento de distribución de la válvula de distribución (4); • y así sucesivamente. De esta forma, el fluido entrará por el circuito de entrada, atravesando las electroválvulas (27), hasta el compartimento interno (19) de la válvula de distribución (4) correspondiente, que reconducirá el fluido hacia el correspondiente circuito hidráulico paralelo. En cada circuito hidráulico paralelo, el fluido presionará la válvula antirretorno (18), configurada para permitir únicamente el paso del fluido en un sentido, cerrándose en caso contrario; y llegará a los cilindros hidráulicos (7) correspondientes, que ejercerán la presión sobre los elementos piezoeléctricos (8). Tras esta maniobra, el fluido deberá regresar a la cámara de distribución (19) de la válvula de distribución (4), a través de un regulador de presión (17), y permitirá el retorno del fluido hasta su correspondiente compartimento ubicados alrededor de la carcasa cilíndrica (1), manteniendo la presión del fluido en el interior de la cámara de distribución de la válvula de distribución (4), y por tanto en el interior de los cilindros hidráulicos (7), en un valor determinado. En una realización preferente de la anterior, el regulador de presión (17) estará conectado a un motor (22) paso a paso o similar, que podrá variar la presión predeterminada del regulador de presión (17), actuando directamente en un sentido u otro sobre el tornillo que determina la presión predeterminada del regulador. El motor será controlado por un sistema electrónico que ajustará la presión en función de la velocidad a la que circule el vehículo. Se contempla así mismo, la utilización de reguladores de presión que, con un sistema de regulación diferente a un tornillo, puedan regularse mediante un sistema electrónico.
De esta forma, aparte de lograr la alimentación alternativa de los cilindros hidráulicos, se logra mantener una presión remanente en el interior de los cilindros hidráulicos (7), que podrá utilizarse bajo determinadas circunstancias, ajustando en lo posible la frecuencia de resonancia de los elementos piezoeléctricos (8) a la frecuencia con la que son sometidos al ciclo de presión- relajación. Esto es posible gracias a que la frecuencia de resonancia de los elementos piezoeléctricos se reduce si, previamente a la aplicación de un pulso elevado de presión sobre ellos, ya se encuentran sometidos a una presión constante más baja, que en el estado de la técnica se conoce como “precarga”, por lo que el incremento de la presión de precarga implica una disminución de la frecuencia de resonancia. De manera preferente, la extracción de la electricidad se realizará mediante la utilización de un sistema de escobillas para la extracción de la energía eléctrica generada por los elementos piezoeléctricos, estableciendo así la conexión entre la parte fija y la parte rotativa del sistema. Una vez definido el generador eléctrico objeto de la presente invención, también se describe el procedimiento de funcionamiento del mismo para lograr una mayor claridad. Estando el procedimiento de funcionamiento de un generador eléctrico según cualquiera de las realizaciones precedentes, caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas: • aplicación de un movimiento de rotación en la carcasa cilíndrica; • mediante la utilización de medios de aplicación de una presión, se presionan consecutivamente los compartimentos de almacenamiento del fluido para reducir su volumen interno y generar un incremento de la presión en su interior; • mediante el incremento de la presión generada en el interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido, se provoca un desplazamiento del fluido del interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido a través de las conducciones para el fluido (5), hasta la válvula de distribución (4); • la válvula de distribución (4) alimenta los correspondientes cilindros hidráulicos (7) con el fluido desplazado de los compartimentos de almacenamiento del fluido; • el fluido desplazado entra en el interior de los cilindros hidráulicos (7), que a través de los correspondientes pistones (14) ejercen una presión sobre los elementos piezoeléctricos (8); • mediante la presión ejercida sobre los elementos piezoeléctricos (8) se genera una
elevada diferencia de potencial entre sus bornes, que induce una corriente que se conduce mediante conexiones eléctricas para su utilización. Así mismo, y de manera preferente, el procedimiento podrá comprender una etapa adicional, previa al desplazamiento del fluido desde el compartimento de almacenamiento, compuesta por la activación de una electroválvula, que permite el paso del fluido cuando se alcanza una presión dada en el interior de los compartimentos de almacenamiento presionados, evitando que una parte del fluido vaya a parar al resto de los compartimentos de almacenamiento sobre los que no se está ejerciendo una presión, lo que provocaría un descenso de la presión obtenida en la entrada de los cilindros hidráulicos (7) en los cuales se está inyectando el fluido. En los próximos párrafos, se describen diferentes formas de aplicación. PRIMERA REALIZACIÓN PREFERENTE De acuerdo a las Figuras 3, 4 y 5, en una primera realización preferente de lo anteriormente descrito, la presente invención describe un generador eléctrico que comprende al menos una carcasa cilíndrica exterior, con una cámara flexible (2), también cilíndrica y ubicada en el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica (1), donde la cámara flexible ( 2) está subdividida en una pluralidad de compartimentos internos (3) que contienen un fluido, teniendo cada compartimento interno (3) una salida para el fluido contenido en su interior. Las salidas de los compartimentos (3) estarán conectadas con una válvula de distribución (4), mediante unas conducciones (5), que transfieren una parte del fluido desde cada compartimento (3) hasta la válvula de distribución (4). Por otra parte, la cámara flexible (2) se encuentra apoyada, al menos parcialmente, sobre una superficie (6), teniendo la cámara flexible (2) un movimiento de rotación, de manera que en cada posición de la rotación de la cámara flexible (2) se encuentre apoyado al menos un compartimento interior (3), provocando un desplazamiento del fluido contenido en el compartimento interior 3 hacia las conducciones (5) y a través de ellas a la válvula de distribución (4). La válvula de distribución (4) dispondrá de al menos dos salidas conectadas mediante unas conducciones con al menos una entrada para el fluido en al menos un par de cilindros hidráulicos (7), que estarán configurados para realizar una presión sobre unos elementos piezoeléctricos (8), en respuesta a la presión generada por la entrada del fluido en el cilindro hidráulico (7).
Con la presión ejercida sobre los elementos piezoeléctricos (8), se logrará generar una diferencia de potencial entre sus bornes, y se extraerá la corriente eléctrica del generador que podrá atravesar una etapa de rectificación, para su ulterior utilización, almacenamiento y/o vertido a la red eléctrica general. Atendiendo a la primera realización, se tiene un generador eléctrico que, utiliza el peso debido a su masa y a la acción de la gravedad sobre la carcasa cilíndrica (1) y todos los elementos que componen el generador objeto de la presente invención, para presionar y deformar unos compartimentos internos (3) que contienen un fluido, ubicados en la cámara flexible (2), y desplazar el fluido que alojan para accionar unos cilindros hidráulicos (7), que presionan unos elementos piezoeléctricos (8) configurados para generar electricidad en respuesta a la presión ejercida sobre ellos, con la consiguiente deformación de dichos elementos. SEGUNDA REALIZACIÓN PREFERENTE En la Figura 6 se muestra una realización preferida de la invención, el elemento en rotación será un rodillo (24), los medios de almacenamiento del fluido son una cámara flexible (2) cilíndrica y ubicada en el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica (1), y la pluralidad de compartimentos de almacenamiento del fluido son una pluralidad de compartimentos internos 3 en los que está dividida la cámara flexible (2), estando los compartimentos internos 3 conectados con la válvula de distribución (4), alojada en la parte central o sustancialmente central de la carcasa cilíndrica (1), mediante unas conducciones (5) que permiten el paso del fluido desplazado. De forma que, el rodillo (24) presiona al menos un compartimento interno 3 en cada momento, provocando que una parte del fluido contenido en su interior sea desalojado a través de las conducciones (5), hasta la válvula de distribución (4), que dispondrá al menos de dos salidas, cada una de ellas conectada con al menos un cilindro hidráulico (7), mediante al menos un racor de entrada del fluido 15. Donde los cilindros hidráulicos (7) están configurados para realizar una presión sobre unos elementos piezoeléctricos (8), en respuesta a la entrada del fluido en el cilindro hidráulico (7), generando una diferencia de potencial entre sus bornes, que induce una corriente que se extrae del sistema para acondicionarla y utilizarla, almacenarla o verterla en la red eléctrica general. En una realización preferente de la anterior, la estructura secundaria que sujeta la carcasa cilíndrica (1) comprende al menos dos vástagos (25), unidos mecánicamente a una estructura
(26), con al menos un roscado en los que se monta una tuerca (29). Estando al menos uno de los vástagos (25) unido al eje de la carcasa cilíndrica (1), pero permitiendo su giro libre. Donde las tuercas (29), a través del apriete y/o la liberación de las mismas con respecto al roscado de los vástagos (25), aumentarán y/o disminuirán la distancia entre el eje de la carcasa cilíndrica (1) y el eje del rodillo (24). Es decir, la estructura secundaria está configurada para asegurar el contacto y la presión entre el rodillo (24) y la carcasa cilíndrica (1), ya que los vástagos (25) y las tuercas 29 se utilizarán para regular la distancia entre el rodillo (24) y la carcasa cilíndrica (1), disminuyéndola para aumentar la presión en el interior de los compartimentos de almacenamiento del fluido. De manera preferente, los vástagos (25) estarán unidos por la parte contraria a la parte en la que se encuentra el rodillo (24), mediante la utilización de un soporte (28). Así mismo, la estructura (26) y/o el soporte (28) podrán comprender medios de fijación a un elemento externo, como puede ser una parte estructural de un vehículo, o las paredes de un alojamiento destinadas a albergar al generador objeto de la presente invención. Atendiendo al ejemplo de aplicación, se presentan los siguientes datos y cálculos representativos. Partiendo de los datos siguientes: • Diámetro primera sección del primer pistón = 40 cm • Diámetro segunda sección del primer pistón = 8 cm • Diámetro del segundo pistón = 40 cm • Número de cilindros hidráulicos y elementos piezoeléctricos del generador = 2 • Radio del generador = 56 cm • Velocidad de giro del generador = 30 rpm • Número de compartimentos por generador = 24 • Fuerza ejercida sobre la cámara del generador = 400 kg • Anchura de la cámara = 50 cm Se calcula la fuerza aplicada por el cilindro hidráulico: Superficie de contacto del generador = 397 cm2
Superficie de la primera sección = 0 × (
12á45678 "º :5;;2ó< # # ) = 1.256,64 cm2 Superficie de la segunda sección = 0 ×
= 50,26 cm2 Superficie del segundo pistón =
0 ×
1.256,64 cm2 Presión entrada a la 1º cámara del cilindro =
(>?57@A :8B75 ;á4A7A) (
:?=57>2;2515 ;8<6A;68) = 1,01 kg/cm2
Fuerza de salida del primer pistón = ^^^^^ó^ 1º ^á^^^^ × ^^^^^^^^^^ 1º ^^^^^ó^ = 1.269,2 kg Presión de entrada a la 2º cámara del cilindro =
(>?57@A 15 :AC21A) (
:?=57>2;25 #ª :5;;2ó< =2:6ó< ") = 25,25 kg/cm2 Fuerza de salida del segundo pistón = ^^^^^ó^ 2º ^á^^^^ × ^^^^^^^^^^ 2º ^^^^ó^ = 310.955 N De esta manera, se obtiene la fuerza realizada por el segundo pistón de salida del cilindro hidráulico, que será la fuerza aplicada sobre cada elemento piezoeléctrico. Partiendo de los siguientes datos, obtenidos de los cálculos anteriores y de los datos comerciales de un elemento piezoeléctrico según la publicación de Wang et al 113: • Frecuencia = 6 Hz • Fuerza aplicada = 310.955 N • Diámetro del piezoeléctrico = 30 cm • Espesor del piezoeléctrico = 12 cm • Volumen del piezoeléctrico = 8.482,32 cm3 • Densidad de potencia generada (obtenida de Wang et al 113) = 0,000515 mW/(cm3HzN) Se calcula la energía eléctrica generada por cada elemento piezoeléctrico según la siguiente expresión: ^^^^^^^^ ^^^^^^^^(^E
⁄ (^^3*F*G^) ) × ^^^^^^^^^^(G^) × I^^^^^^(^^3) × ^^^^^^(F) 1
000
Por lo que la potencia en cada elemento piezoeléctrico de cada cilindro = 8.150,24 W Teniendo en cuenta que cada generador comprende 2 cilindros hidráulicos; la potencia generada por cada generador será: Potencia del generador = Potencia de cada piezoeléctrico x 2 = 16.300,5 W Teniendo en cuenta que para hacer girar el sistema hace falta un motor de 10 CV cuyo consumo eléctrico es de aproximadamente 7.500 W, la potencia neta generada sería de: Potencia neta del generador = 16.300,5 – 7.500 = 8.800,5 W TERCERA REALIZACIÓN PREFERENTE En una tercera realización preferente de la presente invención, se describe un generador eléctrico de acuerdo con la descripción inicial, en el que los medios de almacenamiento del fluido están comprendidos por una pluralidad de cilindros hidráulicos perimetrales (31), siendo las cámaras de los mismos las que actúen a modo de compartimentos de almacenamiento del fluido. De esta forma, los medios de aplicación de la presión irán presionando de manera consecutiva los diferentes cilindros hidráulicos perimetrales (31), provocando el movimiento del fluido contenido en el interior de sus cámaras hidráulicas, que se conducirá a través de las conducciones hasta la válvula de distribución (4), siguiendo el procedimiento de manera idéntica a las realizaciones anteriores. De acuerdo con la Figura 7, en un primer ejemplo de aplicación de la tercera realización preferente, la carcasa cilíndrica es una primera rueda dentada (32), donde los cilindros hidráulicos perimetrales (31) están ubicados en el espacio entre los dientes de la rueda dentada (32). Donde los medios de aplicación de una presión sobre los cilindros hidráulicos perimetrales (31) son una segunda rueda dentada (33) engranada con la primera rueda dentada (32), de manera que, una rotación sobre la primera o la segunda rueda dentada trasladaría la rotación a la rueda dentada engranada. Y donde los dientes de la segunda rueda dentada (33) están configurados para presionar los
cilindros hidráulicos perimetrales (31) de la primera rueda dentada (32), provocando el desplazamiento del fluido contenido en su interior. De acuerdo con la Figura 8, en un segundo ejemplo de aplicación de la tercera realización preferente, la carcasa cilíndrica comprende en su perímetro la pluralidad de cilindros hidráulicos perimetrales (31); donde los medios de aplicación de una presión sobre los cilindros hidráulicos son un rodillo inferior (35); comprendiendo la carcasa cilíndrica y el rodillo inferior (35) un movimiento de rotación sincronizado, de forma que el rodillo inferior (35) presiona de manera consecutiva los diferentes cilindros hidráulicos perimetrales (31), provocando el desplazamiento del fluido contenido en su interior. EJEMPLO DE APLICACIÓN 1 Según la Figura 9, en un primer ejemplo de aplicación se describe una instalación de generación eléctrica que comprende al menos un generador eléctrico según cualquiera de las realizaciones anteriores, que estará instalado sobre una estructura de fijación. EJEMPLO DE APLICACIÓN 2 De acuerdo con la Figura 10, en una primera posible aplicación de la segunda realización preferente, se describe una instalación de generación eléctrica que comprenderá una pluralidad de generadores eléctricos como los anteriormente descritos, de manera que, a partir de la combinación de éstos, se logre generar una cantidad de energía eléctrica igual o superior a la generada por los medios tradicionales. De manera preferente, los generadores eléctricos estarán instalados sobre una estructura (26), que mantendrán los generadores eléctricos en una posición vertical de trabajo, donde los generadores eléctricos estarán apoyados sobre un rodillo, de manera que se produzca la rotación de la carcasa cilíndrica (1) sin requerir un desplazamiento de la misma. Esto permite lograr una rotación y un contacto continuo entre la superficie de apoyo 6, en este caso el rodillo, y la cámara flexible (2), sin tener que necesitar un desplazamiento relativo entre la cámara flexible (2) y la superficie de apoyo 6, por lo que podría utilizarse el generador en una instalación estacionaria. En una realización preferente de la instalación de generación eléctrica, la estructura (26)
comprenderá medios de rotación de los generadores eléctricos, de manera que permita alternar entre una posición vertical de trabajo de los generados eléctricos; y una posición horizontal para labores de mantenimiento de los generadores eléctricos. Atendiendo al ejemplo de aplicación, se presentan los siguientes datos y cálculos representativos. • Diámetro primera sección del primer pistón = 120 cm • Diámetro segunda sección del primer pistón = 29,50 cm • Diámetro del segundo pistón = 120 cm • Número de generadores = 24 • Número de cilindros hidráulicos y elementos piezoeléctricos por generador = 4 • Radio de los generadores = 181,5 cm • Radio del rodillo = 35 cm • Velocidad de giro de cada generador = 40 rpm • Número de compartimentos por generador = 24 • Peso sobre cada generador = 13.000 kg • Anchura de cada generador = 90 cm Se calcula la fuerza aplicada por el cilindro hidráulico: Superficie de contacto de la cámara = 3.382,2 cm2 Superficie de la primera sección = 0 ×
= 11.309,73 cm2 Superficie de la segunda sección =
0 × ( 12á45678 #º :5;;2ó< #
) # = 683,49 cm2 Superficie del segundo pistón = 0 ×
= 11.309,73 cm2
Presión entrada a la 1º cámara del cilindro =
(=5:8 K5<57A187) (
:?=57>2;25 ;8<6A;68) = 3,84 kg/cm2 Fuerza de salida del primer pistón =^^^^^ó^ 1º ^á^^^^ × ^^^^^^^^^^ 1º ^^^^^ó^ = 43.429 kg Presión de entrada a la 2º cámara del cilindro =
(>?57@A :AC21A) (
:?=57>2;25 #ª :5;;2ó< =2:6ó< ") = 63,54 kg/cm2 Fuerza de salida del segundo pistón =^^^^^ó^ 2º ^á^^^^ × ^^^^^^^^^^ 2º ^^^^ó^ = 7.042.478 N De esta manera, se obtiene la fuerza realizada por el segundo pistón de salida del cilindro hidráulico, que será la fuerza aplicada sobre cada elemento piezoeléctrico. Partiendo de los siguientes datos, obtenidos de los cálculos anteriores y de los datos comerciales de un elemento piezoeléctrico según la publicación Joule 2, 642–697, April 18, 2018, 659, REFERENCIA A (Wang et al 113): • Frecuencia = 8 Hz • Fuerza aplicada = 7.047.992 N • Diámetro del piezoeléctrico = 119,00 cm • Longitud del piezoeléctrico = 34,00 cm • Volumen del piezoeléctrico = 378.149,68 cm3 • Densidad de potencia generada (obtenida de Wang et al 113) = 0,000515 mW/(cm3HzN) Se calcula la energía eléctrica generada por cada elemento piezoeléctrico según la siguiente expresión: ^^^^^^^^ ^^^^^^^^(^E⁄ (^^3 ∗ F ∗ G^) ) × ^^^^^^^^^^(G^) × I^^^^^^(^^3) × ^^^^^^(F) 1
000 Por lo que la potencia en cada elemento piezoeléctrico de cada cilindro = 10.971.988 W Teniendo en cuenta que cada generador comprende 4 cilindros hidráulicos; la potencia generada
por cada generador será: Potencia del generador = Potencia de cada piezoeléctrico x 4 = 43.887.952 W Siguiendo el ejemplo de aplicación primero, cada módulo tendrá un total de 24 generadores, por lo que la energía generada por cada módulo será: Potencia de cada módulo (24 generadores) = Potencia del generador x 24 = 1.053.310.848 W Una vez rectificada la corriente mediante un rectificador de onda completa (eficiencia 98%): Potencia de cada módulo (24 generadores) = 1.053.310.848 x 0,98 = 1.032.244.631 W Cálculo de la potencia necesaria para hacer girar el rodillo de forma que las dos ruedas grandes giren a 40 rpm: Velocidad de giro del rodillo (Vr)
= M^ ×
= 207,4 rpm Aunque el coeficiente de rodadura de un neumático sobre la arena es de 0,3, para hacer los cálculos se ha tomado un coeficiente de rodadura de 1. El par motor necesario será:
35.100 Kg m La potencia necesaria será:
0,7355 KW = 7.478 KW Teniendo en cuenta que para mover cada rodillo habría que emplear un motor de al menos 7.500 KW, que con un rendimiento del 95% consumiría 7.875.000 W, que multiplicado por los 12 motores del módulo de 24 generadores, supondría un consumo de 94.500.000 W. Por tanto, una vez alcanzadas las rpm indicadas, la potencia útil generada por cada módulo de 24 generadores será de:
Potencia útil módulo (24 generadores) = 1.032.244.631 - 94.500.000 = 937.744.631 W Es decir, la potencia útil generada por cada módulo será de casi 940 MW. De acuerdo con los datos actuales de generación de una central nuclear media, que alcanzan los 1000 MW, se puede deducir de manera evidente la posibilidad real de generación eléctrica con el sistema planteado en el ejemplo de aplicación 2, ya que se generaría una energía ligeramente inferior a la de una central nuclear, únicamente empleando un módulo de 24 generadores. Si en vez de utilizar un único módulo, se empleasen 4 módulos, se conseguiría generar casi 3.750MW, es decir más del triple de generación que en una central nuclear media, evitando los riesgos de la misma, y sin la aparición de residuos radioactivos. Estas conclusiones se hacen considerando que la energía generada por cada generador es muy superior a la consumida por los motores eléctricos utilizados en la aplicación del giro sobre la carcasa cilíndrica del generador. EJEMPLO DE APLICACIÓN 3 De acuerdo con la Figura 11, en un ejemplo de aplicación de la primera realización preferente, el generador eléctrico descrito podrá estar instalado en un alojamiento de un vehículo terrestre común, como un coche o un autobús, estando el generador unido a una de las paredes del alojamiento mediante la utilización de los medios de fijación de la estructura (26) y/o el soporte (28). Adicionalmente, y para el caso particular en el que se emplea el generador eléctrico que emplea la acción de la gravedad como medio para ejercer presión sobre los compartimentos, el generador eléctrico puede ir incluido en el interior de La salida de la energía eléctrica generada se conectará directamente con las baterías de almacenamiento de energía eléctrica del vehículo, asegurando su recarga incluso cuando el vehículo se encuentra estacionado o detenido. También podrán conectarse a los medios auxiliares del vehículo, como el aire acondicionado, la radio o el ordenador de a bordo, que también utilizan electricidad para su correcto funcionamiento, evitando así el gasto de energía eléctrica almacenada en las baterías.
Mediante esta realización, se logra un vehículo eléctrico con una mayor autonomía, ya que se produce la recarga de las baterías de almacenamiento de energía mediante una generación de energía eléctrica que siempre funciona en su punto de óptimo rendimiento, al no depender de factores externos, como la velocidad de avance del vehículo, y que puede recargar la batería incluso con el coche parado. EJEMPLO DE APLICACIÓN 4 De acuerdo con las figuras 12 y 13, en un ejemplo de aplicación de la segunda realización preferente, el generador eléctrico descrito podrá estar instalado en los neumáticos de un vehículo, preferentemente eléctrico, para la generación de energía eléctrica destinada al autoconsumo del vehículo, de manera que no sea necesaria la operación de recarga de baterías, que irán cargándose constantemente durante la circulación del vehículo. Para lograrlo, la presente invención plantea un generador eléctrico según las realizaciones anteriores, en el que en el interior del neumático (38) del vehículo, se encuentra ubicada la cámara flexible (2) que contendrá el fluido, preferentemente junto con otra cámara llena de aire a presión 34, mientras que la superficie de apoyo 6 será, la cara interna del neumático (38) que a su vez se apoya sobre el pavimento sobre el que se desplaza el vehículo, teniendo el generador al menos dos cilindros hidráulicos (7) distribuidos en el interior de la llanta (39) de la rueda del vehículo, alternándose, durante el giro de la rueda, la alimentación de cada cilindro hidráulico (7) por medio de la válvula de distribución (4). De esta forma, el vehículo, en su avance por el pavimento y gracias a la acción de la gravedad, irá presionando los diferentes compartimentos incluidos en la cámara flexible ubicada en el interior del neumático, provocando su deformación y desplazando parte del fluido de su interior hacia la válvula de distribución (4) , que repartirá el fluido alternativamente a cada cilindro o grupo de cilindros hidráulicos (7), que a su vez presionarán a sus respectivos elementos piezoeléctricos (8), generando la energía necesaria para alimentar el motor del vehículo y/o cualquier otro elemento que requiera de energía eléctrica. Con el fin de maximizar la obtención de energía en los generadores instalados en las ruedas de un vehículo eléctrico, se podrá incluir un sistema de precarga 16 según lo descrito anteriormente. De esta forma, aparte de lograr la alimentación alternativa de los cilindros hidráulicos, se logra
mantener una presión remanente en el interior de los cilindros hidráulicos (7), que variará en función de la velocidad a la que circule el vehículo, para, de esta forma, ajustar en lo posible la frecuencia de resonancia de los elementos piezoeléctricos a la frecuencia con la que son sometidos al ciclo de presión relajación, obteniendo, para cada velocidad de giro del vehículo, la mayor cantidad de energía eléctrica posible. Esto es posible gracias a que la frecuencia de resonancia de los elementos piezoeléctricos se reduce si, previamente a la aplicación de un pulso elevado de presión sobre ellos, ya se encuentran sometidos a una presión constante más baja, que en el estado de la técnica se conoce como “precarga”, por lo que el incremento de la presión de precarga implica una disminución de la frecuencia de resonancia. Por tanto, suponiendo que los elementos piezoeléctricos se hayan diseñado para que su frecuencia de resonancia coincida con la frecuencia del ciclo presión – relajación del sistema cuando el vehículo circula a 120 Km/h, la presión de precarga de los elementos piezoeléctricos tendrá que ser más elevada, cuanto menor sea la velocidad del vehículo. De esta forma, el fluido entrará por el circuito de entrada 5, atravesando las electroválvulas 27, hasta el compartimento de distribución de la válvula de distribución (4) correspondiente, que reconducirá el fluido hacia el correspondiente circuito hidráulico paralelo. En cada circuito hidráulico paralelo, el fluido presionará la válvula antirretorno 18, configurada para permitir únicamente el paso del fluido en un sentido, cerrándose en caso contrario; y llegará a los cilindros hidráulicos (7) correspondientes, que ejercerán la presión sobre los elementos piezoeléctricos. Tras esta maniobra, el fluido deberá regresar a la cámara de distribución de la válvula de distribución (4), a través de un regulador de presión 17, y permitirá el retorno del fluido hasta su correspondiente compartimento 3 en la cámara flexible (2), manteniendo la presión del fluido en el interior de la cámara de distribución de la válvula de distribución (4), y por tanto en el interior de los cilindros hidráulicos (7), en un valor determinado. En una realización preferente de la anterior, el regulador de presión 17 estará conectado a un motor paso a paso 22 o similar, que podrá variar la presión predeterminada del regulador de presión 17, actuando directamente en un sentido u otro sobre el tornillo 23 que determina la
presión predeterminada del regulador. El motor será controlado por un sistema electrónico que ajustará la presión en función de la velocidad a la que circule el vehículo. Se contempla así mismo, la utilización de reguladores de presión que, con un sistema de regulación diferente a un tornillo, puedan regularse mediante un sistema electrónico. Esto permite regular de forma automática una precarga de los cilindros hidráulicos (7), y por tanto una precarga de la presión realizada sobre los elementos piezoeléctricos (8), que logre modificar y aproximar su frecuencia de resonancia, a la frecuencia a la que son sometidos al ciclo de presión – relajación, independientemente de la velocidad de rotación del neumático. Es decir, es un sistema que permite trabajar a frecuencias similares a las de resonancia para cualquier velocidad de rotación del neumático. Así mismo, para aumentar en gran cantidad la presión realizada sobre los elementos piezoeléctricos (8) en el caso de aplicación del generador eléctrico objeto de la presente invención en los neumáticos de un vehículo, los cilindros hidráulicos (7) comprenderán una pluralidad de pistones multiplicadores 10, dispuestos en serie, que irán aumentando de manera gradual la presión en cada sección del cilindro hidráulico (7). Esto permite que, a partir de las bajas presiones logradas en los neumáticos de un vehículo, se pueda realizar una presión y una fuerza suficiente sobre los elementos piezoeléctricos (8) como para generar la energía necesaria para el funcionamiento normal del vehículo. Es decir, de acuerdo al segundo ejemplo de aplicación, se tendría un sistema de generación de energía montado sobre un vehículo eléctrico que generaría una energía mayor que la que requiere el motor eléctrico, consumo aproximado de 20KW, pudiendo utilizar el exceso para alimentar otros sistemas del vehículo que requieran de energía eléctrica. EJEMPLO DE APLICACIÓN 5 De acuerdo con la Figura 16, se describe un sistema de alimentación de propulsores iónicos, capaz de propulsar una nave espacial de gran tamaño a muy largas distancias, como por ejemplo Marte.
Actualmente, se emplean pequeños propulsores iónicos en la industria aeroespacial para propulsar satélites, una vez que ya se encuentran en el espacio, obteniendo un sistema de propulsión mucho más eficiente en comparación con los actuales propulsores químicos. Lamentablemente la potencia de los propulsores iónicos está limitada por la potencia que pueden generar los paneles solares que incorporan los satélites espaciales y esto hace inviable la propulsión iónica para grandes naves espaciales, ya que el tamaño que deberían tener los paneles solares acoplados a la nave espacial sería descomunal. Particularmente, se describe una nave espacial (30), con un módulo propulsor (36) acoplado, que comprende una pluralidad de alojamientos (37) que contienen generadores como los descritos en la presente invención, junto con los propulsores iónicos. De esta forma, sería posible obtener una cantidad enorme de energía eléctrica con los generadores en un espacio muy reducido, lo que permitiría utilizar grandes propulsores iónicos para propulsar una gran nave espacial, que podría llegar a Marte en mucho menos tiempo del que se tardaría con los medios actuales. En una realización preferente, el sistema de propulsión iónica se podría implementar en módulos que serían llevados al espacio en una órbita que permitiera su ensamblaje, de la misma forma que se montó la Estación Espacial Internacional, y una vez ensamblado, se acoplaría a él la nave (30) con los astronautas para iniciar el viaje espacial, que al ser de una duración mucho más corta que la prevista con los medios actuales, minimizaría los riesgos de la exposición de los astronautas a los diferentes tipos de radiación a los que se exponen los astronautas que van al espacio. EJEMPLO DE APLICACIÓN 6 De acuerdo con la Figura 17, se describe otro sistema de alimentación de propulsores iónicos, capaz de propulsar una nave espacial de gran tamaño a muy largas distancias, mediante la utilización de un generador eléctrico según la segunda realización. Particularmente, y atendiendo a que en el espacio no existe la acción de la gravedad, sería necesario generar gravedad artificial, que se lograría mediante la instalación de los generadores eléctricos en los extremos de una pluralidad de brazos, instalados en un bastidor común, al que se le aplicaría un movimiento de rotación, de forma que la fuerza centrífuga simulase la acción de la gravedad.
Se calcula que, con una longitud de brazo de 10 metros, girando a una velocidad de rotación de 10 rpm, se puede lograr 1g de gravedad artificial aproximadamente. Mediante un aumento de la longitud de los brazos, o un aumento de la velocidad de rotación, se podría lograr una mayor cantidad de g de gravedad artificial, aumentando la generación eléctrica de los generadores eléctricos objeto de la presente invención. Esta fuerza se logaría mediante la aplicación de la fórmula de cálculo de la fuerza centrífuga: ^ = ^ × V
# × ^ Donde se puede comprobar fácilmente que, a partir de una masa constante, mediante un aumento del radio de giro se aumentaría proporcionalmente la fuerza centrífuga; y mediante un aumento de la velocidad de rotación se aumentaría de forma exponencial la fuerza centrífuga. Así mismo, cabe destacar que, debido a la ausencia de aire en el espacio, no existiría una fuerza de rozamiento que frenase el giro de bastidor donde estarían ubicados los generadores, ya que, en el espacio, un cuerpo en movimiento en ausencia de fuerzas exteriores, continuará en movimiento de forma indefinida. En una realización preferente, el sistema de propulsión iónica se podría implementar en módulos que serían llevados al espacio en una órbita que permitiera su ensamblaje, de la misma forma que se montó la Estación Espacial Internacional, y una vez ensamblado, se acoplaría a él la nave (30) con los astronautas para iniciar el viaje espacial, que al ser de una duración mucho más corta que la prevista con los medios actuales, minimizaría los riesgos de la exposición de los astronautas a los diferentes tipos de radiación a los que se exponen los astronautas que van al espacio. EJEMPLO DE APLICACIÓN 7 En otro ejemplo de aplicación, el generador eléctrico podrá alimentar a un sistema de descarbonización y limpieza del aire atmosférico de un área determinada, de manera que, mediante la alimentación continua de electricidad a dicho sistema, se pueda purificar el ambiente. Particularmente interesante es la aplicación del descarbonizador en una unidad móvil (40) que purifique el aire del ambiente mientras se encuentra en movimiento, de manera que no únicamente se limpie el aire de una estancia o espacio determinado, sino que vaya realizándolo en un área mayor.
La unidad móvil (40) podrá estar autopropulsada, esto es, podrá comprender los medios necesarios para poder trasladarse de manera autónoma, configurando un vehículo de limpieza del aire del ambiente. Así mismo, la unidad móvil (40) también podrá ser un accesorio unido a un vehículo independiente, como por ejemplo un autobús o un metro, de manera que estos vehículos vayan limpiando el aire de los entornos urbanos mientras realizan sus desplazamientos. Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no se altere, modifique o cambie su principio fundamental.
= 50,26 cm2 Superficie del segundo pistón = 0 ×
1.256,64 cm2 Presión entrada a la 1º cámara del cilindro = (>?57@A :8B75 ;á4A7A) (:?=57>2;2515 ;8<6A;68) = 1,01 kg/cm2 Fuerza de salida del primer pistón = ^^^^^ó^ 1º ^á^^^^ × ^^^^^^^^^^ 1º ^^^^^ó^ = 1.269,2 kg Presión de entrada a la 2º cámara del cilindro = (>?57@A 15 :AC21A) (:?=57>2;25 #ª :5;;2ó< =2:6ó< ") = 25,25 kg/cm2 Fuerza de salida del segundo pistón = ^^^^^ó^ 2º ^á^^^^ × ^^^^^^^^^^ 2º ^^^^ó^ = 310.955 N De esta manera, se obtiene la fuerza realizada por el segundo pistón de salida del cilindro hidráulico, que será la fuerza aplicada sobre cada elemento piezoeléctrico. Partiendo de los siguientes datos, obtenidos de los cálculos anteriores y de los datos comerciales de un elemento piezoeléctrico según la publicación de Wang et al 113: • Frecuencia = 6 Hz • Fuerza aplicada = 310.955 N • Diámetro del piezoeléctrico = 30 cm • Espesor del piezoeléctrico = 12 cm • Volumen del piezoeléctrico = 8.482,32 cm3 • Densidad de potencia generada (obtenida de Wang et al 113) = 0,000515 mW/(cm3HzN) Se calcula la energía eléctrica generada por cada elemento piezoeléctrico según la siguiente expresión: ^^^^^^^^ ^^^^^^^^(^E⁄ (^^3*F*G^) ) × ^^^^^^^^^^(G^) × I^^^^^^(^^3) × ^^^^^^(F) 1000
Por lo que la potencia en cada elemento piezoeléctrico de cada cilindro = 8.150,24 W Teniendo en cuenta que cada generador comprende 2 cilindros hidráulicos; la potencia generada por cada generador será: Potencia del generador = Potencia de cada piezoeléctrico x 2 = 16.300,5 W Teniendo en cuenta que para hacer girar el sistema hace falta un motor de 10 CV cuyo consumo eléctrico es de aproximadamente 7.500 W, la potencia neta generada sería de: Potencia neta del generador = 16.300,5 – 7.500 = 8.800,5 W TERCERA REALIZACIÓN PREFERENTE En una tercera realización preferente de la presente invención, se describe un generador eléctrico de acuerdo con la descripción inicial, en el que los medios de almacenamiento del fluido están comprendidos por una pluralidad de cilindros hidráulicos perimetrales (31), siendo las cámaras de los mismos las que actúen a modo de compartimentos de almacenamiento del fluido. De esta forma, los medios de aplicación de la presión irán presionando de manera consecutiva los diferentes cilindros hidráulicos perimetrales (31), provocando el movimiento del fluido contenido en el interior de sus cámaras hidráulicas, que se conducirá a través de las conducciones hasta la válvula de distribución (4), siguiendo el procedimiento de manera idéntica a las realizaciones anteriores. De acuerdo con la Figura 7, en un primer ejemplo de aplicación de la tercera realización preferente, la carcasa cilíndrica es una primera rueda dentada (32), donde los cilindros hidráulicos perimetrales (31) están ubicados en el espacio entre los dientes de la rueda dentada (32). Donde los medios de aplicación de una presión sobre los cilindros hidráulicos perimetrales (31) son una segunda rueda dentada (33) engranada con la primera rueda dentada (32), de manera que, una rotación sobre la primera o la segunda rueda dentada trasladaría la rotación a la rueda dentada engranada. Y donde los dientes de la segunda rueda dentada (33) están configurados para presionar los
cilindros hidráulicos perimetrales (31) de la primera rueda dentada (32), provocando el desplazamiento del fluido contenido en su interior. De acuerdo con la Figura 8, en un segundo ejemplo de aplicación de la tercera realización preferente, la carcasa cilíndrica comprende en su perímetro la pluralidad de cilindros hidráulicos perimetrales (31); donde los medios de aplicación de una presión sobre los cilindros hidráulicos son un rodillo inferior (35); comprendiendo la carcasa cilíndrica y el rodillo inferior (35) un movimiento de rotación sincronizado, de forma que el rodillo inferior (35) presiona de manera consecutiva los diferentes cilindros hidráulicos perimetrales (31), provocando el desplazamiento del fluido contenido en su interior. EJEMPLO DE APLICACIÓN 1 Según la Figura 9, en un primer ejemplo de aplicación se describe una instalación de generación eléctrica que comprende al menos un generador eléctrico según cualquiera de las realizaciones anteriores, que estará instalado sobre una estructura de fijación. EJEMPLO DE APLICACIÓN 2 De acuerdo con la Figura 10, en una primera posible aplicación de la segunda realización preferente, se describe una instalación de generación eléctrica que comprenderá una pluralidad de generadores eléctricos como los anteriormente descritos, de manera que, a partir de la combinación de éstos, se logre generar una cantidad de energía eléctrica igual o superior a la generada por los medios tradicionales. De manera preferente, los generadores eléctricos estarán instalados sobre una estructura (26), que mantendrán los generadores eléctricos en una posición vertical de trabajo, donde los generadores eléctricos estarán apoyados sobre un rodillo, de manera que se produzca la rotación de la carcasa cilíndrica (1) sin requerir un desplazamiento de la misma. Esto permite lograr una rotación y un contacto continuo entre la superficie de apoyo 6, en este caso el rodillo, y la cámara flexible (2), sin tener que necesitar un desplazamiento relativo entre la cámara flexible (2) y la superficie de apoyo 6, por lo que podría utilizarse el generador en una instalación estacionaria. En una realización preferente de la instalación de generación eléctrica, la estructura (26)
comprenderá medios de rotación de los generadores eléctricos, de manera que permita alternar entre una posición vertical de trabajo de los generados eléctricos; y una posición horizontal para labores de mantenimiento de los generadores eléctricos. Atendiendo al ejemplo de aplicación, se presentan los siguientes datos y cálculos representativos. • Diámetro primera sección del primer pistón = 120 cm • Diámetro segunda sección del primer pistón = 29,50 cm • Diámetro del segundo pistón = 120 cm • Número de generadores = 24 • Número de cilindros hidráulicos y elementos piezoeléctricos por generador = 4 • Radio de los generadores = 181,5 cm • Radio del rodillo = 35 cm • Velocidad de giro de cada generador = 40 rpm • Número de compartimentos por generador = 24 • Peso sobre cada generador = 13.000 kg • Anchura de cada generador = 90 cm Se calcula la fuerza aplicada por el cilindro hidráulico: Superficie de contacto de la cámara = 3.382,2 cm2 Superficie de la primera sección = 0 ×
= 11.309,73 cm2
Presión entrada a la 1º cámara del cilindro = (=5:8 K5<57A187) (:?=57>2;25 ;8<6A;68) = 3,84 kg/cm2 Fuerza de salida del primer pistón =^^^^^ó^ 1º ^á^^^^ × ^^^^^^^^^^ 1º ^^^^^ó^ = 43.429 kg Presión de entrada a la 2º cámara del cilindro = (>?57@A :AC21A) (:?=57>2;25 #ª :5;;2ó< =2:6ó< ") = 63,54 kg/cm2 Fuerza de salida del segundo pistón =^^^^^ó^ 2º ^á^^^^ × ^^^^^^^^^^ 2º ^^^^ó^ = 7.042.478 N De esta manera, se obtiene la fuerza realizada por el segundo pistón de salida del cilindro hidráulico, que será la fuerza aplicada sobre cada elemento piezoeléctrico. Partiendo de los siguientes datos, obtenidos de los cálculos anteriores y de los datos comerciales de un elemento piezoeléctrico según la publicación Joule 2, 642–697, April 18, 2018, 659, REFERENCIA A (Wang et al 113): • Frecuencia = 8 Hz • Fuerza aplicada = 7.047.992 N • Diámetro del piezoeléctrico = 119,00 cm • Longitud del piezoeléctrico = 34,00 cm • Volumen del piezoeléctrico = 378.149,68 cm3 • Densidad de potencia generada (obtenida de Wang et al 113) = 0,000515 mW/(cm3HzN) Se calcula la energía eléctrica generada por cada elemento piezoeléctrico según la siguiente expresión: ^^^^^^^^ ^^^^^^^^(^E⁄ (^^3 ∗ F ∗ G^) ) × ^^^^^^^^^^(G^) × I^^^^^^(^^3) × ^^^^^^(F) 1000 Por lo que la potencia en cada elemento piezoeléctrico de cada cilindro = 10.971.988 W Teniendo en cuenta que cada generador comprende 4 cilindros hidráulicos; la potencia generada
por cada generador será: Potencia del generador = Potencia de cada piezoeléctrico x 4 = 43.887.952 W Siguiendo el ejemplo de aplicación primero, cada módulo tendrá un total de 24 generadores, por lo que la energía generada por cada módulo será: Potencia de cada módulo (24 generadores) = Potencia del generador x 24 = 1.053.310.848 W Una vez rectificada la corriente mediante un rectificador de onda completa (eficiencia 98%): Potencia de cada módulo (24 generadores) = 1.053.310.848 x 0,98 = 1.032.244.631 W Cálculo de la potencia necesaria para hacer girar el rodillo de forma que las dos ruedas grandes giren a 40 rpm: Velocidad de giro del rodillo (Vr) = M^ ×
= 207,4 rpm Aunque el coeficiente de rodadura de un neumático sobre la arena es de 0,3, para hacer los cálculos se ha tomado un coeficiente de rodadura de 1. El par motor necesario será:
35.100 Kg m La potencia necesaria será: