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ES2344725B1 - Conversor aerohidraulico. - Google Patents

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ES2344725B1 ES201000667A ES201000667A ES2344725B1 ES 2344725 B1 ES2344725 B1 ES 2344725B1 ES 201000667 A ES201000667 A ES 201000667A ES 201000667 A ES201000667 A ES 201000667A ES 2344725 B1 ES2344725 B1 ES 2344725B1
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Abstract

Conversor aerohidráulico.
Dispositivo transformador de energía eólica en hidráulica que dispone de una superficie de captación de viento, entendiéndose como tal vela/s, panel/es u otros elementos que funcionen con tal finalidad, donde la incidencia del viento provoca un esfuerzo que es transmitido por algún/os medio/s (cables, cuerdas,...) a uno o varios conductos, generalmente flexibles. La modificación del volumen del conducto provoca el establecimiento de un flujo dinámico de corriente, si el conducto es abierto, o bien un aumento de presión en un fluido si el conducto es cerrado.
El dispositivo es aplicable a instalaciones desaladoras, centros de recarga de automóviles eléctricos u otros centros de generación de energía eléctrica.

Description

Conversor aerohidráulico.
Sector de la técnica
La invención se encuadra dentro del sector técnico de energías renovables, y más concretamente, en la transformación de energía eólica en hidráulica, la cual, a posteriori podrá ser empleada para su conversión en energía eléctrica o destinada a cualquier otra aplicación industrial como desalinización del agua.
Estado de la técnica
La energía eólica se puede clasificar en dos grandes grupos; los que tienen el eje horizontal como los molinos de viento y aerogeneradores que producen la electricidad gracias al movimiento circular de las aspas, el otro grupo corresponde a los que obtienen el movimiento del generador por la conexión mecánica de este, con un eje vertical del que salen radialmente unos brazos, los cuales sustentan unos paneles donde incide el viento, lo cual provoca un par rotacional respecto del eje vertical que mueve el generador eléctrico.
En la actualidad, existen centrales hidroeléctricas ubicadas en los cauces de los ríos, un modelo de este tipo de central se encarga de transformar la energía cinética proveniente de la masa fluida del río en energía eléctrica, mediante la ubicación de una turbina unida mecánicamente al generador.
Otro modelo de central hidroeléctrica seria que mediante una presa y un terreno poco permeable se forma un embalse en el transcurso de un río, acumulando grandes cantidades de agua, en la parte baja de la presa se colocan las turbinas que debido a la presión que ejerce la columna de agua o al impacto de un chorro de agua sobre estas las mueve, y estas a su vez mueven un generador que es el encargado de producir la electricidad.
Las centrales de bombeo, se componen de dos embalses comunicados entre si por unos conductos constituyendo un sistema prácticamente cerrado, en las horas donde la demanda de electricidad es mayor, el embalse superior suelta agua que va al embalse inferior y en su recorrido mueve las turbinas generadoras de electricidad, en los momentos del día cuando la demanda energética es menor se aprovecha el excedente de energía de la red para bombear el agua del embalse inferior al superior.
Existen centrales que transforman la energía potencial debido a las oscilaciones de las olas del mar en energía eléctrica, es la llamada undimotriz, las que generan electricidad aprovechando las mareas, se denominan mareomotrices.
Para la generación de electricidad existen otros tipos de centrales denominadas térmicas, donde es necesaria la combustión de derivados fósiles, tal como: gas, carbón, y petróleo, como consecuencia se genera mucha contaminación y contribuye al cambio climático, además no todos los países cuentan con reservas de dichos combustibles en su territorio y las reservas de estas se están agotando y cada vez resulta más cara su extracción, lo cual acarrea el problema de la dependencia energética.
La energía nuclear acarrea la problemática del peligro en caso de accidente nuclear, guerra o atentado, además las reservas de uranio y plutonio cada vez son más escasas y costosas.
La energía solar es excesivamente cara y necesita grandes extensiones para colocar las huertas solares, como inconveniente, de promedio un mes de Julio se obtiene 3 veces más energía que en el mes de Enero, pero cuando llega la noche dejan de ser productivas.
Descripción detallada de la invención
Este dispositivo esta basado en el funcionamiento de un barco de vela, el cual tras recibir el flujo másico de aire sobre las velas, se genera un impulso sobre este que es capaz de vencer la resistencia del agua sobre el que flota y generar un movimiento de traslación.
El conversor aerohidráulico es capaz de transformar la energía eólica en hidráulica, para posteriormente desalinizar el agua de mar, pero su finalidad principal es la generación de energía eléctrica.
Básicamente, la invención esta constituida por una vela de grandes dimensiones donde la incidencia del viento sobre esta realiza una fuerza, dicha fuerza es transmitida por cables o cuerdas a unos elementos rígidos ubicados en el mástil, estos aprisionan al conducto elástico por donde circula el fluido, contra otro elemento rígido, generalmente el mástil, la fuerza deforma el conducto elástico y el fluido que circula por este se opone a la fuerza generada por la vela, lo cual provoca un aumento de presión, la circulación del fluido esta impedida en un sentido del conducto elástico por medio de una válvula antiretorno, y la circulación en el otro sentido viene determinada por la presión a la que encuentra tarado el regulador de presión, cuando la fuerza de la vela provoque una presión en el fluido mayor a la presión del regulador se establecerá un flujo dinámico de la corriente. Cuando cesa el viento, la fuerza sobre el conducto es inexistente, por lo tanto el conducto flexible recupera su estado inicial.
El conversor rota en busca de la máxima fuerza del viento, esta rotación es provocada por un panel que funciona a modo de veleta. El conversor puede ser instalado en tierra firme o en mar adentro.
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Fundamento aeromecánico
Véase la figura 1, en la cual se representa una vela (1) en posición vertical vista de perfil, que se une al mástil (2) por medio de unos cables o cuerdas (3), la superficie (4) actúa a modo de veleta para orientar al dispositivo en la dirección de máximo viento. Al soplar el viento tensa la vela que transmite la fuerza que incide sobre ella al conducto que tiene el fluido, el cual se encuentra ubicado dentro del mástil.
La figura 2 es el dispositivo visto en una sección de cable A-A', donde (6) es el conducto flexible que transporta el fluido, (3) es el cable de tracción, (2) es el mástil y el (5) el elemento rígido opresor. La deformación y por consiguiente la disminución y aumento de presión del fluido, es directamente proporcional a la velocidad del viento.
El flujo másico (Fv) que atraviesa la vela viene determinado por la siguiente expresión:
Fv = d*V*A (Kg/s)
donde:
d= densidad del aire, aprox 1.2 (kg/m^{3})
v=velocidad del viento (m/s)
A=área de la vela (m^{2})
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La potencia (Pot) de la vela se calcula según la siguiente formula:
Pot=Fv*0.5*v2=d*A*0.5*v3
\hskip0,5cm
(w)
La altura de la vela generalmente será mayor que su base, por que cuanto mas alta sea la vela, mayor será la velocidad del viento. Esta tabla muestra la potencia obtenida en función de la velocidad del viento y la superficie de la vela, no pretende ser limitativa del alcance de la invención.
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(Tabla pasa a página siguiente)
1
Fundamento hidráulico
Ver la figura 3, el esquema se compone de un deposito abierto (7) sometido a la presión atmosférica, el cual contiene un fluido, en este se sumerge un tubo que cuenta con una válvula antiretorno (8), el otro extremo del tubo se une a una vejiga (6) en cuya salida hay un regulador de presión (12) conectado mediante un tubo a la turbina (13).
Cuando Fv=0 la vejiga no sufre deformación alguna, y el agua contenida en esta no puede escapar debido a la acción de la válvula antiretorno.
Cuando Fv \Box 0, provoca una deformación en la vejiga, disminuyendo un poco su volumen, lo que acarrea un aumento de presión en el fluido, el cual tiene impedida su salida en ambos extremos.
Si aumenta Fv, mayor será la deformación de la vejiga, la cual disminuirá su volumen, como consecuencia, el fluido se opone a la reducción de su volumen, aumentando la presión en el interior de la vejiga, hasta que dicha presión sea superior a la del regulador, momento en cual se abrirá y permitirá que se establezca el flujo dinámico de la corriente, el fluido sale por el tubo que conduce a la turbina, donde el chorro impacta en los alabes de esta, provocando el movimiento rotacional, dicho movimiento es comunicado mediante un eje a un generador rotativo para producir la electricidad.
El agua tras golpear en los alabes cae por gravedad al deposito inicial formando un circuito cerrado.
En un momento diferencial de tiempo, transcurrido tras la apertura del regulador de presión, la vejiga se ha vaciado parcialmente generando vacío, por lo tanto el fluido contenido en el deposito que se encuentra a la presión atmosférica, sube por el tubo y vence la resistencia de la válvula antiretorno procediendo al llenado de vejiga.
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Aplicaciones industriales A) Estación de recarga de vehículos eléctricos y de motor de combustión de hidrógeno (figura 4)
Véase figura 5, cuando no sopla el viento (v=0), no se genera fuerza en la vela (1), pero debido al peso de esta y de los cables (3) se ejerce una pequeña fuerza, la cual es transmitida al fluido por medio de los elementos rígidos (5), intentando deformar el conducto flexible (6) contra el mástil (2), el fluido del conducto no puede bajar, por que esta impedida la salida al deposito (7) por una válvula antiretorno (8), dicha presión es comunicada por todo el fluido en la misma magnitud, el conducto flexible (6) se une al conducto de menor sección y rígido (10) por medio del racor (9), el conducto rígido (10) tiene la característica de que se encuentra ubicado en el eje central del radio del mástil (2), las guías (13) mantienen al conducto (10) sobre el eje central y en el final del conducto hay un racor (11) que permite el giro de 360º, esto se debe a que la vela (1), es auto-orientable, debido a la veleta (4) hace rotar todo el mástil, el cual no genera rozamiento al estar encajado en los rodamientos (14), los conductos y elementos ya descritos también giran en su conjunto, para obtener la máxima velocidad de aire incidente en la vela.
El elemento (12) ya no gira junto al mástil (2), siendo un elemento estático, es un armario donde se encuentran el filtro, el lubricador, regulador de presión, válvula de seguridad y demás aparellaje del mantenimiento de la instalación hidráulica. Para las tareas de mantenimiento hay un mecanismo que imposibilita giro rotacional.
Cuando la velocidad del viento es nula la presión generada por el peso de la vela es insuficiente para abrir el regulador de presión y permitir el paso de fluido a la turbina. Pero esa pequeña presión residual es suficiente para mantener el circuito presurizado.
Cuando la velocidad del viento es mayor, se tensan los cables y estos tiran de los elementos rígidos (5) y aprisiona el conducto flexible (6) contra el mástil (2), por la parte baja el fluido tiene impedido salir por el antiretorno (8), pero cuando alcance la presión suficiente como para vencer la resistencia del regulador de presión (12) sale un chorro por una tobera que incide en la turbina Pelton, la cual a su vez mueve el generador eléctrico (13), ambos elementos apoyan sobre el soporte (15), el cual no tiene movimiento de rotación y esta atornillado a los cimientos por su base, el centro de dicho soporte (15) es tubular y por el sale el cableado que conéctale generador con las baterías (16) y la pila de combustible (17), el agua ya turbinada y sin energía alguna cae por acción de la gravedad al deposito (7), estableciendo un circuito cerrado.
El generador seleccionado es de corriente continua puesto que es la única forma de poder almacenar la energía eléctrica en las baterías (16), los coches eléctricos tienen la toma de carga con corriente alterna monofásica o trifásica, pero sus baterías funcionan con corriente continua, seria conveniente añadir una toma de carga de corriente continua para evitar las perdidas producidas en inversores, rectificadores y demás componentes eléctricos que dispone el coche y la estación de recarga (18).
Como la producción eólica es intermitente por ello es necesario un sistema de almacenamiento para cuando el viento no sopla. Una vez llenas las baterías, entra en funcionamiento la pila de combustible que disocia las moléculas de agua en O2 y H2 mediante el empleo de la electricidad. Dichos gases se separan de depósitos diferentes, cuando no haya viento y las baterías estén descargadas se puede recurrir a la pila de combustible la cual formara moléculas de agua + electricidad en el proceso de unión del O2 y H2. Para realizar tales procesos la pila (17) debe tener suministro de agua, la cual la recibe del conducto (19) que esta sumergido en deposito (/).
El motor eléctrico es apto para automóviles, pero para tractores, camiones, barcos, aviones y demás vehículos pesados no es viable por la alta potencia requerida y el enorme peso de las baterías (el avión no podría despegar), sin embargo el H2 obtenido de las pilas de combustible si se puede destinar a tal fin. Ya que puede ser empleado en motores de combustión térmica previo unas modificaciones anteriores. Una vez llenado el deposito de la central de recarga un sensor de nivel da aviso a una centralita para que venga un camión cisterna a recogerlo y comercializarlo. El O2 también se puede comercializar para uso sanitario o industrial.
El elemento (20) es un poste de recarga para vehículos, el cual tiene salida de C.A. monofásica y trifásica, C.C. y toma de H2.
El (21) es la trampilla de acceso a la central para que el operario pueda realizar las tareas de mantenimiento, el mástil también dispone de una escalera interior para subir hasta lo más alto.
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Ventajas
- El 90% de la instalación se encuentra bajo tierra y el 100% fuera del alcance de los automovilistas.
- Esta disposición favorece la realización de tareas de mantenimiento.
- Estación de recarga autónoma, apta para instalarla en zonas donde no haya tendido eléctrico, por ejemplo al pie de las carreteras.
- Al no tener aspas, no genera ruido ni turbulencias.
- La enorme vela se puede usar como cartel publicitario y así financiar parte de la instalación.
- Fabricación en serie.
- Funciona desde muy bajas velocidades de viento hasta muy altas velocidades (al no tener aspas no se generan los momentos de inercia de los aerogeneradores).
- No mata a las aves.
- Captura el 100% del flujo másico del aire.
- Muy bajo desgaste y mantenimiento, debido a la inexistencia de elementos mecánicos no se generan fricciones.
- Mayor fiabilidad.
- La vela puede ser transparente para reducir el impacto medioambiental.
- Sencilla y económica.
- Fácil integración en el medio urbano y rural.
- Las velas usadas en navegación aguantan hasta más de 500 (Kg/m^{2}) a la tracción, un viento de 42 (m/s) = 151 (Km/h), genera una tracción de (184 kg/m^{2}).
- Montar una zona de recarga análoga pero con placas solares, tiene como mayor inconveniente el hurto de dichas placas, debido al elevado valor de estas, además es la energía renovable más cara.
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B) Obtención de agua dulce por presión osmótica
Existen métodos para desalar el agua como la electrólisis, el cual resulta ser un procedimiento excesivamente caro por que consumen mucha energía eléctrica. Las desaladoras necesitan potentes bombas para generar la presión osmótica, y el consumo eléctrico de dichas maquinas es muy grande.
También se puede hacer un pozo de muchos metros de profundidad y construir una columna de agua cuya presión sobre el filtro de membrana sea superior a la osmótica, pero perforar el terreno es caro, y todo el agua dulce y salmuera que estén en el pozo luego hay que bombearlo hacia el exterior, lo que significa que gran parte de la energía que nos ahorrábamos en bombear a través de la membrana en superficie, la gastamos en sacar el agua del pozo.
La presente invención tiene como base el empleo del conversor aerohidráulico para obtener la presión osmótica, que resulta ser una de las etapas que mas encarece el procedimiento de desalación de agua, el fundamento es el mismo que para el cargador de coches eléctricos, pero con algunas modificaciones. Generalmente las zonas de España que más adolecen la carencia del agua están situadas en la costa mediterránea por lo tanto suponen un emplazamiento ideal para este tipo de desalinizadora, también hay que tener en cuenta que en las zonas costeras es donde mas viento sopla, lo cual favorece la implantación de dicha instalación, y si además añadimos que el conversor aerohidráulico tiene forma de vela, quedaría perfectamente integrado en el entorno urbanístico de las ciudades costeras, al ser silencioso y no contar con partes móviles que puedan estar en contacto con los viandantes.
Ciertos pasos ya fueron explicados con anterioridad, por lo tanto procederé a explicar sin entrar en detalles.
En la figura 6, se puede observar que (22) es la tubería subterránea que trae el agua salada del mar, dicha tubería conecta en la sala de filtrado (23) con el primer filtro, el agua salada recorre los filtros para eliminar las impurezas, arenas y demás residuos. Cuando llega a (24) se le añaden los aditivos, la tubería desemboca en la cubeta (25) por medio de un racor, dicha cubeta esta ubicada encima del filtro de membrana (26), el conducto flexible (6) siempre permanece en contacto con el agua de la cubeta, y aunque tenga un movimiento de rotación respecto del eje central del mástil (2) recorrerá la periferia del semitoroide, a la entrada del conducto flexible se ubica la válvula antiretorno (8).
Cuando sopla el viento, se genera un flujo másico a través de la vela (1), lo cual conlleva una fuerza, dicha fuerza es transmitida por los cables (3), los cuales se tensan y oprimen las piezas sólidas (5) contra el conducto flexible, el cual se encuentra atrapado con el mástil (2), quedando como recurso la deformación de este y procediendo a un aumento de presión hasta que el regulador de presión (12) alcance la presión osmótica que se encuentra a la entrada del filtro de membrana permita el paso del flujo de agua salada hacia el interior de este, una vez que el agua empieza a entrar en el filtro de membrana el flujo dinámico tiende a succionar el fluido que hay en el conducto, abriendo la válvula antiretorno y permitiendo la nueva entrada de agua de mar en la instalación.
El conversor aerohidráulico tiene un movimiento de rotación respecto a su centro, provocado por la incidencia del viento en el panel (4) que actúa a modo de veleta, las guías (13) sirven para centrar el tubo rígido respecto de su eje de giro. El racor (11) delimita la zona rotacional de la zona estática y permite que el tubo rígido tenga giros de 360º sin sufrir desperfectos, el mástil tiene unos rodamientos en su base (14) para facilitar el giro.
A la salida del filtro omótico tenemos un 45% de agua dulce, la cual es vertida por una tubería (15) que conecta con la red de abastecimiento o bien es destinada para regadíos. La otra salida de la membrana conecta con una tubería subterránea (16) que suele llevar sobre un 55% de salmuera, la cual es vertida unos cuantos metros a dentro de la mar para que diluya su alta concentración de sal.
La base de la instalación dispone de una trampilla (17) que permite el acceso del personal de mantenimiento a dicha instalación también hay una puerta (18) de acceso al mástil el cual dispone de una escalera en su interior.
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C) Granja aerohidroelectrica
Constitución de una granja con conversores aerohidráulicos para la generación de corriente alterna, la cual es inyectada de forma inmediata a la red. Para optimizar el rendimiento de la instalación se procede a la colocación de una batería de 4 conversores, los cuales compartirán elementos como el generador, el acumulador de presión y el depósito de alimentación.
Para buscar un mayor rendimiento de la instalación se procede a la instalación de un alternador lineal de corriente alterna (figura 7), este dispositivo se emplea en la energía undimotriz para generar electricidad con la oscilación de las olas, creo que las perdidas son menores si se emplea un sistema de transmisión de fuerzas más directo, como este, el cilindro de doble efecto, dispone de una vejiga a cada lado de los vástagos ,de esta manera evitamos rozamientos y perdidas de fluido, con electroválvulas para la apertura y cierre de la admisión y escape.
La vela es capaz de captar prácticamente el 100% del flujo de aire que incide en ella, pero supongamos que sea el 92%, la transmisión por fluidos es muy suave y apenas tiene perdida de carga, suponemos que el medio transmisor desde la vela hasta el generador tiene un rendimiento del 90% y que el generador eléctrico rinde de media al 85%, obteniendo un rendimiento de la instalación del 70% aprox.
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Aerohidroelectrica versus aerogenerador
- Silencioso, lo cual permite su integración en el medio urbano.
- No es peligrosa para los viandantes.
- Las velas se pueden decorar con detalles bonitos: cuadros de Picasso, fotos de paisajes, velas transparentes para que no afecte el paisaje.
- No mata a las aves.
- Se puede utilizar para recargar vehículos.
- Puede desalinizar el agua.
- Permitirá la explotación de zonas donde hasta ahora no eran posibles por factores medioambientales.
- Razones económicas:
a)
Rendimiento entre el 18% y 30% aerogenerador, mientras que aerohidroelectrica entre 50% y 85%.
b)
Menor gasto en mantenimiento, es un sistema sencillo y fiable. No existen fricciones ni desgastes, las tareas de mantenimiento de los operarios se realiza a ras de suelo, lo que abarata la mano de obra (al no tener que pagar a empresas de trabajos verticales).
c)
Permite que varias velas empleen el mismo generador y compartan depósitos y acumuladores de presión (figura 8), con el consiguiente ahorro.
d)
Al no existir movimiento de aspas no genera tantas turbulencias pudiendo realizar un montaje mas compacto, para la misma potencia, necesita menos de la mitad de espacio que el aerogenerador.
e)
Obtención de beneficios por publicidad en la vela.
f)
Permite generar electricidad con muy bajas velocidades de viento. Al no tener que vencer la Inercia del rotor.
g)
Permite generar electricidad con muy fuertes ráfagas de viento, el aerogenerador alcanza su potencia máxima entorno a 12 (m/s).
h)
Costes de instalación más bajos, no se necesita aparatosas grúas para encajar el aerogenerador en la torre y luego montar las aspas.
i)
Costes de transporte más bajos, la pieza más grande es el mástil y se puede transportar en secciones, usando como medio de transporte un trailer normal. El transporte de las aspas de los aerogeneradores con longitudes superiores a los 60 metros y de una sola pieza requiere la presencia de vehículos especiales con el coste consecuente.
j)
Al no generar turbulencias se pueden montar unos cerca de otros, consiguiendo un ahorro en m^{2}.
k)
Permite la explotación de zonas que antes no se podía, por caracterizarse por tener muy fuertes vientos o vientos demasiado bajos.

Claims (2)

1. Dispositivo transformador de energía eólica en hidráulica, que contiene: una vela, un mástil, uno o varios conductos .... esta caracterizado por que dispone de una superficie de captación de viento, entendiéndose como tal: vela/s, panel/es, u otro/s elemento/s que funcionen con tal finalidad, donde la incidencia del viento provoca un esfuerzo que es transmitido por algún/os medio/s (cables, cuerdas...), a uno o varios conductos, los cuales generalmente son flexibles, la modificación del volumen del conducto tiene como origen el esfuerzo al que esta siendo sometido la superficie de captación de viento, cuando el conducto es abierto la variación de volumen establece un flujo dinámico de la corriente unidireccional puesto que en las demás direcciones tiene impedida su circulación, si el conducto esta cerrado se produce un aumento de presión debido a la oposición del fluido a variar su volumen. La vela esta sujeta a su mástil/es y el mástil esta empotrado en el suelo, pero si permite un movimiento rotacional respecto de su eje central. El movimiento rotacional del mástil puede proceder del viento debido a que este dispone de una superficie plana a modo de veleta para orientar al dispositivo aerohidráulico en dirección de máximo soplado. El tramo/s conducto/s presionado/s generalmente se encuentra situado/s en el interior del mástil/es y puede ser presionado por este/os o contra este/os.
2. Instalaciones desaladoras, centros de recarga de automóviles eléctricos, centro/s de generación de energía eléctrica y demás procedimientos industriales que contengan al conversor aerohidráulico definido en base a la reivindicación 1 como principal fuente de suministro de energía.
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