ES2235647A1 - Turbina hidrodinamica en corrientes marinas. - Google Patents

Abstract

Turbina Hidrodinámica, cuyo Rotor aprovecha la energía de las Corrientes Marinas y a su vez realiza la función de bomba, al disponer de toberas que succionan una corriente a mayor velocidad que la original, la cual permite accionar una Turbina de diámetro muy inferior y a revoluciones superiores al Rotor, pudiendo acoplarle solidariamente el Generador eléctrico sin multiplicador mecánico, consiguiendo así un Multiplicador Hidrodinámico. La vena fluida, con mayor densidad energética, se puede conducir a otros puntos del medio, a través de las estructuras tubulares soporte, para aplicaciones como desalar agua o producir H{sub,2} por electrólisis. Se presentan distintas configuraciones de anclaje y auto-orientación de las Turbinas, así como sistemas de acoplamiento automático submarino para operaciones de mantenimiento (minimizado), propiciando así que esta tecnología sea competitiva con otras fuentes de energía, siendo además una Energía Renovable de generación "predecible".

Description

Turbina Hidrodinámica para corrientes marinas.

Esta invención trata de un nuevo diseño de Turbina Hidrodinámica y sus aplicaciones para aprovechamiento del enorme potencial energético de las corrientes marinas, con el objeto de reducir los costes de fabricación, instalación y mantenimiento en el medio marino siempre difícil y de minimizar el impacto ambiental, contribuyendo a que esta tecnología sea competitiva con otras fuentes de energía renovable.

Estado de la técnica

Con el impulso al aprovechamiento de las energías renovables para un crecimiento sostenible y una reducción de los efectos sobre el cambio climático, la energía eólica en particular ha experimentado un gran desarrollo tecnológico recientemente. Basándose en esta experiencia eólica, se están desarrollando tecnologías similares para el aprovechamiento del gran potencial energético de las corrientes marinas.

A parte de las grandes corrientes oceánicas, se contemplan prioritariamente las corrientes debidas a las mareas (tidal) en emplazamientos próximos a la costa y que alcanzan velocidades superiores a 2,5 m/s (5 nudos), con mayor densidad energética que las oceánicas en general, aunque éstas últimas muevan unos caudales inmensos.

Si comparamos con la energía eólica, el diámetro de rotor marino es del orden de 3 veces más pequeño para la misma potencia, dado que la relación de densidades mar/aire es del orden de 820.

La predicción en la generación de la energía por corrientes marinas (siguiendo el horario de subida y bajada de las mareas), así como el elevado factor de capacidad que puede ser superior al 45%, son otras ventajas comparativas.

Aunque la experiencia y tecnología eólica, incluida la offshore, es aprovechable para el desarrollo de esta nueva tecnología, hay que seguir profundizando en varios aspectos de los equipos, instalación y mantenimiento en el medio marino, fenómenos de cavitación en las palas, etc.

Se están experimentando prototipos de turbinas de eje vertical (tipo Darrieus) para instalación en el fondo marino o bien suspendidas en puentes pero, al igual que la eólica, el mayor desarrollo se centra en las de eje horizontal.

Se ha instalado, en la costa de Devon (UK), un prototipo de 300 Kw de eje horizontal con rotor de 2 palas, con multiplicador y generador asíncrono. Los diseños actuales consideran el anclaje al fondo marino (a 30 m de profundidad máxima) mediante un pilote "monopile" que puede soportar hasta 2 turbinas gemelas cuyo plano es perpendicular a las corrientes en ambos sentidos. Este pilote emerge de la superficie para soportar la plataforma de mantenimiento, mediante sistemas especiales de izado de las turbinas, etc.

Explicación de la invención

La innovadora Turbina Hidrodinámica para corrientes marinas es de eje horizontal (eje del rotor alineado con las corrientes) y comprende todos los elementos para transformar la energía de las corrientes en "energía útil".

En referencia a la Figura-1, se pueden ver los distintos elementos que la integran, siendo el más destacado el rotor, el cual se compone normalmente de las palas (1), el buje (3) que soporta las palas y el rodamiento (5) que se apoya en las estructuras soporte y permite al rotor girar libremente.

En esta invención, se diseña el buje y las palas huecas y se incorporan toberas (2) en punta de pala, de tal forma que hay una vena fluida interior entre el centro del rotor y las toberas en punta. Además, el buje tiene una zona abierta en la que se intercala una corona de álabes fijos (4), solidaria al buje, y que sirve de unión entre el buje y el rodamiento.

Al girar el rotor por acción de las corrientes marinas sobre las palas, se crea una corriente interior o "corriente secundaria" a mayor velocidad, que circula desde el centro del rotor por el interior de las palas hasta la salida por las toberas. Esta corriente se origina por el efecto centrífugo en el interior de las palas y por el efecto venturi en las toberas, por lo que el rotor, además de captar la energía, también realiza la función de bomba de succión. La corriente secundaria, con mayor densidad energética, puede accionar un rodete de turbina (6) de diámetro muy inferior al rotor, la cual puede alojarse en el interior del buje a modo de turbina tipo bulbo alineada con el eje del rotor. Dado que la velocidad de giro de esta turbina es muy superior a la del rotor, se le puede acoplar solidariamente el generador eléctrico (7).

Se puede decir que con este artilugio se crea un salto hidráulico dentro del mar, como diferencia entre la presión hidrostática del medio (a la profundidad de buje) y la depresión creada en la vena fluida interior (centro del rotor).

Una ventaja importante de esta invención es que no hay momentos de torsión en el eje del rotor, ya que es en la periferia del mismo donde se capta la energía y, a su vez, se transmite a la corriente secundaria.

Otra importantísima ventaja es la de prescindir del multiplicador mecánico (con toda su problemática de mantenimiento periódico, impacto ambiental por uso de lubricantes, etc), ya que el rotor convierte la energía captada en otra de mayor densidad, a modo de "multiplicador hidrodinámico".

Otra ventaja, como veremos más adelante, es que el rotor se autorregula para funcionar o velocidad variable, evitando así los sistemas de control activo de las palas, que pueden ser fijas.

En el extradós del extremo de pala reside la mayor tendencia a la cavitación (lo cual es una de las limitaciones de esta tecnología), dependiendo de la velocidad relativa del fluido en punta de pala y de la presión hidrostática en función de la profundidad del rotor. Si practicamos adecuadamente ranuras en estas zonas sometidas a mayor depresión, el fluido interno (agua) saldrá succionado evitando la cavitación por un lado y creando la corriente secundaria por otro. No obstante, al ser necesario un área de salida importante, se consideran las toberas en punta orientadas en la dirección de la velocidad relativa. Por razones de rendimiento, conviene que la velocidad absoluta y la dirección de salida de la corriente secundaria coincidan con la corriente marina, con lo cual se tienen velocidades relativas de salida del orden de la velocidad de punta de pala, pero en sentido opuesto. Por tanto, el coeficiente de velocidad específica Lambda (relación entre la velocidad de punta de pala y la velocidad de la corriente marina) es similar a la relación de velocidades: Corriente secundaria / corriente marina. Al tener la corriente secundaria una velocidad del orden de Lambda veces mayor, podemos accionar una turbina en el eje del rotor de un diámetro Lambda^{3/2} veces menor que el del rotor, siempre que sean semejantes.

Al objeto de apreciar el orden de magnitud de estos parámetros, y considerando una velocidad de diseño de la corriente marina de 2,5 m/s y un diámetro de rotor del orden de 20 m (potencia de 1 Mw) a Lambda 6, se tiene el rotor girando a 15 rpm, mientras la turbina de 1,2 m de diámetro gira a unas 300 rpm. Los parámetros de diseño dependen enormemente de la profundidad de buje (eje del rotor) en las corrientes marinas de cada emplazamiento.

A continuación se exponen las estrategias de diseño para distintas situaciones.

Al objeto de reducir la velocidad del rotor limitando la cavitación, se consideran 4 palas (mayor solidez que con las 3 palas en la eólica), lo que además facilita mayor área de circulación para la corriente secundaria. Para corrientes variables originadas por las mareas (velocidad senoidal) y con el generador conectado a red (frecuencia fija, 50 Hz) y solidario a la turbina, ésta se diseña a velocidad constante con deflectores (8) de regulación pasiva a la entrada para optimizar el rendimiento en un cierto rango de velocidades de flujo solicitado por el rotor, el cual opera a velocidad variable para mejorar también su rendimiento en la captación de energía y para amortiguar fluctuaciones de las corrientes, aunque aquí no se dan las desviaciones o condiciones extremas propias de la eólica.

La velocidad variable del rotor es autorregulada a "Lambda constante", ya que la velocidad de la corriente marina (que genera la potencia del rotor) y de la corriente secundaria (que absorbe dicha potencia y la cede a la turbina) deben mantenerse en una relación constante, siendo la relación de potencias del rotor y de la turbina también constante proporcional a Lambda^{3}.

Al superarse la velocidad de potencia nominal, se activa la válvula limitadora de potencia (9) de la turbina, ya que la presión diferencial (fuera y dentro del buje) vencería la resistencia del muelle "tarado" de la válvula que permitiría una entrada de flujo en by-pass, aumentando la velocidad del rotor (aunque limitada por el medio viscoso) para disipar el exceso de energía.

Todo ello nos conduce a un generador (síncrono) de 10 pares de polos, con lo cual las dimensiones, peso y coste se reducen drásticamente (en una relación 1:20) en comparación con generador acoplado directamente al rotor, que por otro lado tendría que ser de velocidad variable a base de convertidores de frecuencia del 100% de la potencia generada.

El generador síncrono puede ser de imanes permanentes, por simplicidad y para evitar la disipación térmica (bobinas del rotor). Sin embargo, a velocidad variable de las corrientes y, por tanto, a potencia variable, no se podría controlar el factor de potencia del generador con imanes permanentes (flujo magnético constante). Para ello, se recurre a un transformador de conexión a red con regulación en carga. El número de pares de polos se podría incluso reducir a 6, dependiendo de las condiciones del emplazamiento y disposición de la turbina, tipo bulbo modificada, que en este caso operaría a 500 rpm.

Por tanto, bajo condiciones de corriente variable, se considera una turbina Kaplan (álabes del rodete orientables) o, como mínimo, semi-Kaplan que sería más sencilla por tener orientables sólo los álabes deflectores de flujo (8). Para corrientes constantes (oceánicas), se considera una turbina de Hélice, que es la más sencilla por tener los álabes deflectores y los del rodete fijos.

La consecuencia de la simplicidad de los sistemas, junto con el uso de materiales resistentes, es una Turbina Hidrodinámica "sin mantenimiento".

Por tanto, este diseño no contempla plataforma en superficie, minimizando el impacto ambiental: sin afección paisajística, suficiente profundidad libre para la navegación, rotor más lento que los peces (en principio), etc.

A continuación se describen distintas configuraciones y aplicaciones, o modos de realización, en referencia a las figuras:

Figura-2. Para corrientes debidas a las mareas, hasta profundidades no muy superiores a los 30 m, es posible colocar dos rotores (10) gemelos a ambos extremos de una estructura tubular horizontal (11), apoyada en forma de "T" sobre otra estructura vertical anclada al fondo o pilote (12), sobre el que se acopla por gravedad el grupo turbina-generador (13). La corriente secundaria succionada por ambos rotores, a través de las estructuras tubulares, acciona la turbina acoplada solidariamente al generador.

El sistema de acoplamiento submarino guiado del grupo está formado por dos o más cables guía (14) que pueden deslizarse por taladros (15) en la base de apoyo del grupo sobre el pilote. El extremo inferior de los cables se une a un contrapeso (16) que desciende por gravedad hasta los topes (17). El extremo superior va provisto de flotador (18), cuyo empuje hacia arriba es inferior al contrapeso pero mantiene el enganche (19) a la altura prefijada, siendo posible su captura desde barcaza en superficie. Una vez cogido el enganche, se levanta hasta superficie, haciendo tope el contrapeso con la estructura horizontal, de manera que los cables sometidos a tensión pueden conducir los puntos guía (20) del grupo durante operaciones de izado y descenso del mismo. El útil de izado también se conecta al punto de enganche (21) del grupo a través de los cables guía. El grupo se acopla por gravedad en su base, con encajes entre ambas piezas que impiden el giro del mismo.

Figura-3. Para alinear el eje del rotor perfectamente con las corrientes, en ambos sentidos, se permite que el rotor gire sobre el eje horizontal (22) de su estructura soporte. Se coloca diametralmente opuesto al rotor, respecto de este eje, un contrapeso (23) para situar el centro de gravedad del conjunto próximo a dicho eje. El centro de la fuerza de empuje axial (24) del rotor está desplazada de dicho eje, que contiene el cojinete (26), de manera que mantiene el rotor a popa siempre alineado con la corriente.

También se puede permitir el giro de la estructura horizontal sobre el eje vertical (25), de manera que el plano de ambos rotores se auto-orienta perpendicularmente a la corriente marina, debido a las fuerzas de empuje axial de ambos rotores, con el punto de aplicación detrás del eje de giro sobre la estructura vertical. En este caso, el sistema de acoplamiento submarino guiado se implementa para el conjunto de los dos rotores.

Figura-4. Las configuraciones anteriormente descritas se pueden usar para desalar agua por el método de ósmosis inversa, sustituyendo el generador eléctrico por una bomba de presión (27), que impulsa el agua de mar presurizada a través de las membranas de ósmosis (28). El agua dulce se recoge en el tanque (29) y la salmuera se devuelve al mar, no siendo un problema su eliminación.

Otra forma más directa consiste en prescindir de la turbina-bomba, succionando la corriente secundaria por la estructura tubular desde superficie, a través de toberas de estrangulamiento (30), en donde se alcanzaría una depresión por debajo de la presión de saturación del agua. El vapor generado ascendería a una cámara de condensación (31), enfriada por una recirculación de agua del fondo marino, obteniendo el agua desalada.

Figura-5. Por último, en emplazamientos a mayor profundidad (especialmente para las corrientes oceánicas, donde el diámetro de rotor sería mayor), se presenta el diseño de Turbina Hidrodinámica Flotante, que resuelve la dificultad (o imposibilidad) de pilotaje de una manera más sencilla y económica. Se posibilita la botadura desde barcaza del lastre (32), turbina y flotador (33), con los correspondientes cables de amarre que posicionan la turbina constantemente auto-alineada con las corrientes, semiflotando y en equilibrio estable, con una gran capacidad de amortiguación de esfuerzos.

Además, la propia configuración del amarre al lastre y al flotador, junto con los puntos de aplicación del peso (34) y del empuje axial (35) permite que, ante un aumento de la velocidad de las corrientes por encima de diseño, se desplace la turbina hacia abajo apartándose de las líneas de máxima corriente y se incline el plano del rotor proyectando un área de barrido menor en la dirección de las corrientes, de manera que se produce un cierto auto-control de
potencia.

En el caso de corrientes oceánicas, o emplazamientos con una distancia a tierra tal que resulta inviable el tendido del cable eléctrico submarino (36), se puede aprovechar la energía producida por grandes parques de turbinas flotantes para la generación masiva de hidrógeno en Plataformas
Marinas.

Descripción de los dibujos

Figura-1: Representa una sección del rotor de la Turbina Hidrodinámica, que se compone de las palas (1) con toberas (2) en punta, el buje (3) que soporta las palas y los álabes fijos (4) al buje que lo unen al rodamiento (5). La carcasa del generador (7) soporta dicho radamiento, así como el del rodete de la turbina (6), la cual está dotada de deflectores (8) de flujo y válvula limitadora de potencia (9).

Sirve de aclaración a la Reivindicación 1.

Figura-2: Representa un modo de realización de la turbina con dos rotores gemelos (10), cuya corriente secundaria acciona el grupo turbina-generador (13), situado verticalmente sobre el pilote (12) anclado al fondo marino.

También se presenta el sistema de acoplamiento submarino guiado del grupo. Es un diseño apropiado para emplazamientos en aguas no muy profundas.

Sirve de aclaración a la Reivindicación 2.

Figura-3: Ídem a la anterior, donde se aprecia la auto-orientación de cada rotor respecto del eje horizontal (22) o del conjunto de rotores respecto del eje vertical (25).

Sirve de aclaración a las Reivindicaciones 3 y 4.

Figura-4: Representa una aplicación para desalar agua, bien por ósmosis inversa mediante turbina-bomba de presión (27), membranas de ósmosis (28) y tanque (29) de recogida de agua dulce, o bien por un método de evaporación en toberas de estrangulamiento (30) y posterior condensado del vapor en la cámara de condensación (31).

Sirve de aclaración a la Reivindicación 5.

Figura-5: Representa otro modo de realización de la turbina, Turbina Hidrodinámica Flotante, la cual se mantiene auto-orientada con las corrientes y en equilibrio estable, por la propia configuración del amarre al lastre (32) y al flotador (33).

Es un diseño apropiado para emplazamientos en aguas profundas.

Sirve de aclaración a la Reivindicación 6.

Claims (6)

1. Turbina Hidrodinámica para corrientes marinas, entre otras aplicaciones, cuyo rotor es de eje horizontal y está compuesto normalmente de dos a cuatro palas (1) que capturan la energía de dichas corrientes, el buje (3) que soporta dichas palas y el rodamiento (5) que le permite girar sobre su eje, caracterizada porque las palas son huecas y se comunican con el buje, que también es hueco, posibilitando una vena fluida interior desde la entrada por el centro del buje abierto hacia las corrientes, hasta la salida por unas toberas (2) (o ranuras en áreas de pala con mayor depresión por alta velocidad relativa del medio fluido), colocadas en la punta de las palas. Al girar el rotor por acción de las corrientes marinas sobre el exterior de las palas, la vena fluida interior es succionada por efecto centrífugo en el interior de las palas y por efecto venturi en las toberas, realizando el rotor a su vez la función de bomba de succión. Se origina así una "corriente secundaria" a mayor velocidad que la marina, la cual circula radialmente, entrando por el centro del rotor y saliendo por las toberas, en sentido prácticamente opuesto al movimiento de éstas.

Dicha corriente secundaria con mayor densidad energética (velocidad similar a la de punta de pala), puede conducirse por estructuras tubulares soporte, a otros puntos del medio fluido para diversas aplicaciones, entre ellas está el accionar un rodete de turbina (6) de diámetro muy inferior y a revoluciones superiores al rotor. En el eje de dicho rodete de turbina se puede acoplar solidariamente un generador eléctrico (7), bomba de presión, etc., prescindiendo de multiplicador mecánico intermedio.

Este rotor, por tanto, convierte la energía marina captada en otra de mayor densidad, a modo de "multiplicador hidrodinámico".

2. Turbina Hidrodinámica según la reivindicación 1, caracterizada porque el grupo turbina-generador (13) se sitúa verticalmente sobre el pilote (12) o estructura soporte de uno o más rotores (10), colocados a los extremos de estructuras tubulares (11) horizontales que se apoyan por su parte central en el pilote, en forma de "T", a través de las cuales puede circular la corriente secundaria succionada por los rotores, para accionar dicha turbina (u otro dispositivo) en el lugar más conveniente.

Para la instalación o izado del grupo (operaciones de mantenimiento) se utiliza el sistema de acoplamiento submarino guiado, formado por dos o más cables guía (14) que pueden deslizarse por taladros (15) en la base de apoyo del grupo sobre el pilote. El extremo inferior de los cables se une a un contrapeso (16) que desciende por gravedad hasta unos topes (17). El extremo superior va provisto de flotador (18), cuyo empuje hacia arriba es inferior al contrapeso pero mantiene el enganche (19) a la altura prefijada, siendo posible su captura desde barcaza en superficie.

Una vez cogido el enganche, se levanta hasta superficie, haciendo tope el contrapeso (16) con la estructura horizontal (11), de manera que los cables sometidos a tensión pueden conducir los puntos guía (20) del grupo durante operaciones de izado y descenso del mismo. El útil de izado también se conecta al punto de enganche (21) del grupo a través de los cables guía. El grupo se acopla por gravedad en su base, con encajes entre ambas piezas que impiden el giro del mismo.

3. Turbina Hidrodinámica según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque contiene una pluralidad de rotores susceptibles de auto-orientarse con las corrientes marinas. Cada rotor puede auto-orientarse girando sobre un cojinete (26) de unión con la estructura soporte, en un eje (22) perpendicular al del propio rotor. El centro de la fuerza de empuje axial (24) del rotor está detrás de dicho eje según la dirección de las corrientes, de manera que mantiene el rotor a popa siempre alineado con la corriente marina, aunque ésta cambie de sentido. Diametralmente opuesto al rotor respecto de dicho eje, se coloca un contrapeso (23) de compensación de los momentos gravitacionales del rotor.

El contrapeso y las estructuras tubulares que conducen las corrientes secundarias tienen forma hidrodinámica, en dirección horizontal.

4. Turbina Hidrodinámica según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque consta de dos (o más) rotores a ambos extremos de una estructura tubular horizontal que puede girar en su punto central de apoyo sobre el pilote, respecto del eje vertical (25), de manera que el plano de ambos rotores se auto-orienta perpendicularmente a la corriente marina, debido a las fuerzas de empuje axial de los rotores cuyo punto de aplicación está detrás (a popa) del eje de giro sobre el pilote.

El sistema de acoplamiento submarino guiado se implementa para el conjunto de rotores, en este caso.

5. Turbina Hidrodinámica según las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, caracterizada porque se sustituye el generador eléctrico por una bomba de presión (27) capaz de desalar agua por el método de ósmosis inversa, o bien se elimina el grupo turbina-generador para que directamente la corriente secundaria descienda desde superficie por la estructura tubular, siendo succionada por los rotores. El agua se desalaría por evaporación, al alcanzarse una depresión por debajo de la presión de saturación del agua a esa temperatura. A la depresión causada por la succión de la corriente secundaria, hay que añadir la generada por la aceleración del agua (efecto Bemouilli) a su paso por toberas de estrangulamiento (30) específicas. El vapor allí generado sube a una cámara de condensación (31), enfriada por una recirculación de agua más fría del fondo marino.

6. Turbina Hidrodinámica según la reivindicación 1, caracterizada porque el grupo turbina-generador y el rotor están en el mismo eje horizontal, alojándose el rodete de la turbina (tipo bulbo) dentro del buje del rotor. La carcasa del generador soporta los rodamientos coaxiales de la turbina y del rotor, así como los amarres (cables) del lastre (32) y del flotador (33), los cuales posicionan el sistema auto-orientado en el campo de las corrientes, contrarrestando las fuerzas de arrastre (35) y de gravedad (34), en equilibrio estable. La propia configuración del amarre, junto con las fuerzas de arrastre y de gravedad, permite que, ante un aumento de la velocidad de las corrientes por encima de diseño, se desplace la turbina hacia abajo apartándose de las líneas de máxima corriente y se incline el plano del rotor proyectando un área de barrido menor en la dirección de las corrientes, de manera que se produce un cierto auto-control de potencia y una amortiguación de esfuerzos.