ES2287771T3 - Generador de energia accionado por corrientes de mareas. - Google Patents
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Abstract
Un aparato generador de energía accionado por corrientes de mareas, que comprende una turbina (10) montada en un alojamiento (30) de turbina para su rotación en el interior del mismo alrededor de un eje sustancialmente vertical, caracterizado porque la turbina (10) está unida a una columna (22) de soporte que en una parte inferior está soportada pivotablemente (24) en la parte inferior del alojamiento de turbina, y porque en una parte superior en el plano horizontal está soportada por una pluralidad de elementos rotatorios (36) en acoplamiento con una parte de la pared interior del alojamiento de turbina, por lo cual dicha turbina se puede hacer girar selectivamente en el interior de dicho alojamiento de turbina de tal manera que la turbina se encuentre siempre en una posición óptima con respecto al sentido predominante de la circulación del agua.
Description
Generador de energía accionado por corrientes de
mareas.
El invento se refiere a instalaciones para la
generación de energía eléctrica a partir de masas abiertas y en
circulación de agua, principalmente corrientes de mareas en canales
estrechos y poco profundos. Más específicamente, el invento se
refiere a un aparato generador de energía accionado por corrientes
de mareas, que comprende una turbina montada en un alojamiento de
turbina para su rotación en el interior del mismo alrededor de un
eje sustancialmente vertical.
El invento es de un interés particular donde
existe también una necesidad para la unión a una carretera y/o a un
puente.
Las corrientes de mareas en el mar se deben a
las fuerzas gravitatorias de la luna y del sol. Masas ingentes de
agua son impulsadas hacia atrás y hacia delante y forman el flujo y
reflujo. Estas olas se mueven hacia el oeste como consecuencia de
la rotación de la tierra y tienen una altura de ola en los
principales océanos que es menor de un metro. Cuando estas olas
entran en zonas restringidas, se producen intervalos de mareas
mayores. Un ejemplo de lo anterior es el Canal de la Mancha, con
hasta 15 metros de diferencia entre la marea alta (en adelante
pleamar) y la marea baja (en adelante bajamar). En otros lugares,
por ejemplo en el fiord de Oslo, podría existir una diferencia
pequeña entre la pleamar y la bajamar. Ello se debe a condiciones
geográficas.
La elevación y el descenso rítmicos de la
superficie del mar regidos por las fuerzas gravitatorias de los
cuerpos celestes se pueden calcular con mucho tiempo de
antelación. Dichos cálculos se consignan en unas tablas de mareas
para los mares de máxima utilización. Es este componente previsible
de las corrientes de mareas, el intervalo astronómico de las
mareas, el que se puede utilizar en la generación de energía.
Adicionalmente, hay un componente meteorológico que se debe al
viento y a la presión del aire. En este caso un ejemplo lo
constituye el fiord de Oslo, en el que una baja presión y un viento
de dirección Sur pueden forzar a masas adicionales de agua a
introducirse en el sistema del fiord. Este componente no se puede
utilizar en la generación de energía. Sin embargo, durante la etapa
de planificación se debe tener en cuenta que el componente
meteorológico y el componente astronómico podrían ocurrir
simultáneamente.
Un estudio realizado en EE.UU: concluye que
existe un potencial para energía debida a las mareas de más de 100
TWh, principalmente alrededor de las riberas de Gran Bretaña y
Francia. Se han encontrado emplazamientos adecuados para centrales
de energía de mareas a lo largo de la costa desde la parte
septentrional de Noruega occidental hasta la frontera con Rusia. A
diferencia del viento y de las olas, que se controlan mediante
procesos geofísicos inestables, el componente astronómico de las
corrientes de mareas es una fuente de energía estable y
previsible.
La energía contenida en las corrientes de mareas
se puede extraer mediante la utilización de la diferencia de nivel
entre la pleamar y la bajamar (energía potencial), aprovechando la
energía cinética contenida en la circulación del agua, o mediante
una combinación de ambas formas de energía.
La explotación de la energía de las corrientes
de mareas se puede remontar a unas estructuras especiales de molino
en Francia y España antes del siglo XI. En la actualidad hay en
funcionamiento pocas centrales productoras de energía a partir de
las mareas La más conocida es una gran instalación en La Rance
(Francia) con 24 turbinas, y una instalación más pequeña en
Kislogursk (Rusia). Una característica común de estas instalaciones
es el uso de unas turbinas montadas fijamente del tipo Kaplan con
paletas de guiado ajustables y álabes de turbina ajustables.
Cuando la marea vuelve, la circulación del agua chocará en primer
lugar con las paletas ajustables después de atravesar la turbina.
Esto da lugar a una reducción en el rendimiento de la turbina.
La solicitud de patente noruega Nº 2001 0737
describe un sistema para anclaje tipo pilote al fondo con una
unidad de turbina y generador completamente sumergida. El documento
describe sistemas para la conexión y desconexión de la cimentación
de pilotes.
El documento US 5.440.176 da a conocer
instalaciones para generación de energía que comprenden unas
estructuras de bastidor sumergidas que tienen unidades de turbina y
generador capaces de hacerse elevar y descender y girar
individualmente.
Además, el documento GB 2 298 004 describe una
central energética de mareas en la que la turbina está instalada en
un canal de circulación de agua en una presa o istmo con una
carretera sobre la parte superior. El documento US 4.468.153
describe una central energética de mareas que tiene una turbina que
puede girar alrededor para que se pueda utilizar el movimiento de
la marea en los dos sentidos. Los documentos WO 00/50768 y GB 2 311
566 describen turbinas de agua construidas para utilizar agua en
circulación, especialmente las corrientes de las mareas. La turbina
va montada sobre un pilote o columna que se puede girar para darle
la vuelta.
Por tanto, se necesita un aparato para generar
energía eléctrica a partir de las corrientes de las mareas de una
manera rentable, en el que la maquinaria se pueda transportar hacia
arriba de un modo rápido y eficiente desde el mar y llevarse, por
ejemplo, a una instalación de asistencia técnica, sin necesidad de
emplear buzos ni barcos-grúa muy caros. También es
conveniente proveer una estructura de turbina sencilla de alto
rendimiento independientemente de la dirección de la corriente de
agua. Es deseable asimismo proveer un aparato generador de energía
que esté instalado de tal manera que el generador real y las demás
instalaciones eléctricas estén situados por encima del máximo nivel
de agua registrado, y de ese modo estén protegidos y sean fácilmente
accesibles para operación y mantenimiento.
El invento soluciona estos problemas mediante la
provisión de un aparato que comprende una turbina montada en un
alojamiento de turbina para su rotación en el interior del mismo
alrededor de un eje sustancialmente vertical, caracterizado porque
la turbina está fijada a una columna de soporte que en su parte
inferior está soportada pivotablemente en la parte inferior del
alojamiento de turbina y que en una parte superior en el plano
horizontal está soportada por una pluralidad de elementos rotatorios
en acoplamiento con una parte de la pared interior del alojamiento
de turbina, por lo cual dicha turbina se puede hacer rotar
selectivamente en dicho alojamiento de turbina de tal manera que la
turbina en todo momento se encuentre situada en una posición
óptima con respecto a la dirección predominante de la corriente de
agua.
En las reivindicaciones subordinadas adjuntas 2
a 9 se describen realizaciones preferidas del aparato de acuerdo con
el invento.
Otro objeto del invento es obtener una unión
sólida y amortiguadora de vibraciones entre la estructura de acero
de la turbina y la superficie interior de hormigón fundido en estado
bruto del alojamiento de turbina. La realización establece demandas
moderadas sobre la superficie de hormigón y el perfil interior del
alojamiento de turbina, absorbiéndose cualesquiera irregularidades
posibles mediante obturadores.
A continuación se describe el invento con más
detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los que a las
partes análogas se les han asignado números similares.
La Figura 1 es una vista en corte de tres de los
aparatos de acuerdo con el invento, montados en serie para formar
una calzada y en la que se muestra en corte uno de los aparatos.
La Figura 2 es un esquema simplificado de la
disposición mostrada en la Figura 1, vista desde arriba.
La Figura 3 es un corte en el plano
C-C de la Figura 1.
Como se puede ver en la Figura 1, el aparato de
acuerdo con el invento comprende una turbina 10 con unos álabes 12
de turbina montados en una columna 22 de soporte en el interior de
un alojamiento 30 de turbina. El alojamiento de turbina se podría
hacer de hormigón y ser un elemento prefabricado que se coloca
flotante en posición y se instala en el punto deseado sobre el
lecho marino de tal manera que la parte más alta (calzada 40) esté
por encima del máximo nivel de agua registrado. Como se muestra en
la Figura 1, el alojamiento 30 de turbina está cerrado aparte de la
abertura 32 de flujo a través de la cual circula la corriente de la
marea. En el alojamiento de turbina de la parte situada más alejada
en la derecha de la Figura 1, se ha quitado la tapa del alojamiento
de turbina para mostrar la estructura interna del alojamiento y la
fijación de la turbina. A partir de las Figuras se puede ver que la
turbina está acoplada a un generador 38 (situado adecuadamente en
un alojamiento 39 de generador al mismo nivel que dicha calzada 40).
Esta disposición tiene la ventaja de que el generador está
emplazado de un modo seguro por encima del máximo nivel de agua
registrado y es fácilmente accesible para operación y
mantenimiento.
La Figura 2 presenta la disposición vista desde
arriba en la que los alojamientos 30 de turbina tienen una abertura
45 de acceso que normalmente estará cubierta por una tapa 44.
Después de la instalación, se pueden realizar un mantenimiento y
una reparación extensos de la unidad completa de turbogenerador, con
unos medios de instalación 42, tales como un vehículo, que podrían
situarse fácilmente por encima de la abertura 45 de acceso y
reparar o bajar la unidad completa de turbogenerador.
Por tanto, el aparato de acuerdo con el invento
comprende, según se ha mencionado, una turbina 10 que está montada
sobre una columna 22 de soporte. En su extremo superior, la columna
de soporte está unida a un generador 38, y en su extremo inferior
está soportada en un punto 24 sobre el fondo del alojamiento de
turbina. El punto de soporte inferior puede ser ventajosamente una
unión giratoria, por ejemplo, de goma, permitiendo de ese modo que
la totalidad de la disposición de la columna de soporte de la
turbina gire alrededor del eje vertical.
Las Figuras 1 y 3 presentan un elemento
sustancialmente circular 28 montado sobre la columna de soporte por
encima del generador. Este elemento se estrecha progresivamente en
la dirección de la turbina con el fin de reducir la abertura 32
para circulación del alojamiento de turbina hasta un diámetro que
sea casi igual al diámetro definido por los álabes 12 de turbina.
Por supuesto, es bien conocida la utilización del denominado
principio de Venturi para aumentar el caudal y extraer la mayor
cantidad de energía posible de las masas de agua.
La zona del interior del alojamiento de turbina
situada por encima de este elemento 28 preferiblemente debería
estar seca, lo que quiere decir que no debería circular agua al
interior de este espacio. Para proveer un soporte horizontal de
dicha columna 22 de soporte, se han provisto una pluralidad de
elementos rotatorios 36 en la parte superior de la columna de
soporte, los cuales, cuando está funcionando la instalación, están
acoplados con una parte interior del alojamiento de turbina. Estos
elementos rotatorios (las figuras muestran tres de ellos) están
impulsados preferiblemente por ruedas de goma hidráulicas o
eléctricas. Además de impartir soporte horizontal, estos elementos
rotatorios o ruedas 36 serán también capaces de efectuar la rotación
real de la turbina cuando se desee esta operación con respecto a la
dirección de circulación del agua. Cuando se desee que la turbina
dé la vuelta al cambiar de dirección la marea, simplemente se
accionan las ruedas 36, y la fricción entre los ruedas y la pared
interior del alojamiento de turbina producirán la rotación de la
columna 22 de soporte. Las ruedas 36 preferiblemente están llenas de
uno o más fluidos tales como aire y/u otro gas y/o un líquido.
Para prevenir la producción de fugas desde la
zona de circulación al interior de la parte situada por encima del
elemento circular 28 se puede proveer un obturador alrededor de la
periferia más ancha del elemento circular 28. Este obturador podría
ser, por ejemplo, un tubo de goma que se pudiese dilatar y contraer
selectivamente usando elementos hidráulicos o neumáticos y, además
de la función anteriormente mencionada, ayudar a mantener la
columna de soporte en la posición deseada (dicho de otro modo, un
tipo de mecanismo de enclavamiento) e impedir que las vibraciones
(y por tanto el ruido) de la turbina cuando ésta esté funcionando se
desplacen en el interior del alojamiento de la turbina. El
obturador 34 absorberá también de un modo eficaz las irregularidades
de la pared interior del alojamiento de turbina. La rigidez del
obturador se puede ajustar ventajosamente en función de las cargas
y vibraciones reales. Adicionalmente, el obturador se podría
desinflar ventajosamente cuando gire la turbina e inflarse cuando
la turbina se gire a la nueva posición deseada. Estos movimiento de
inflamiento y desinflamiento se pueden automatizar y sincronizar
ventajosamente con la rotación de la turbina en fase con los
cambios de sentido del flujo de las mareas.
Como se sabe, es importante que se transfiera la
mayor cantidad posible de energía de las masas de agua a los álabes
de la turbina. Esto quiere decir que es deseable que el agua esté
tan libre como sea posible para su rotación después que haya
circulado pasados los álabes de la turbina. Esto se logra de una
manera conocida mediante unas paletas de guiado que imparten una
rotación determinada a las masas de agua que es de sentido
contrario al sentido de rotación de las turbinas antes de que las
masas de agua incidan contra los álabes de turbina. En el aparato
de acuerdo con el invento, esto se resuelve en el sentido de que la
columna 22 de soporte se ha hecho en la forma de las paletas de
guiado. La Figura 3 lo muestra; véase el corte A-A y
el corte B-B, de los que se deduce evidentemente
que la columna de soporte tiene un perfil de sección transversal
que imparte una rotación que es de sentido contrario al sentido de
rotación que se da al flujo de agua al pasar por los álabes 12 de
turbina.
Como puede verse a partir de las Figuras 1 y 2,
se pueden disponer en serie un número conveniente de aparatos de
acuerdo con el invento con el fin de formar una cimentación para una
calzada 40. El alojamiento 30 de turbina podría, según se ha
mencionado, ser un elemento prefabricado que se pueda flotar a su
emplazamiento. De este modo, el invento ofrece un aparato para
suministrar energía eléctrica rentable a partir de las corrientes
de mareas. La maquinaria se puede extraer del mar de un modo rápido
y eficaz y llevar a una instalación de asistencia técnica sin
necesidad alguna de utilizar buzos y barcos-grúa muy
caros. Durante el izado y la instalación de la unidad, los
elementos rotatorios (las ruedas de goma) 36 se podrían desinflar
para facilitar el izado o el descenso de la unidad.
Una vez que la unidad se encuentra en su
posición en el alojamiento de la turbina, se desinflan las ruedas
hasta que se obtiene el contacto deseado con la pared interior
31.
Como se ha mencionado, el control de los
elementos rotatorios y de los obturadores se realiza de un modo
automático, preferiblemente por control de ordenador, cuando cambia
la circulación de la marea. El fluido interno a presión contenido
en el obturador (por ejemplo un tubo plano) 34 se extrae de manera
que adopte su posición no operativa que generalmente está libre de
la pared de hormigón. Luego se ponen en marcha los motores
rotatorios y se mueven los elementos rotatorios 36 hasta que la
turbina haya girado 180º. Subsiguientemente se bombea el fluido a
presión al interior del obturador, que luego, en su posición
inflada, provee una unión fija pero elástica entre la turbina y el
alojamiento de turbina.
El invento ofrece una estructura sencilla de
turbina de gran rendimiento en ambos sentidos de circulación del
agua. El equipo vulnerable, tal como el generador y demás equipos
eléctricos, se instalan de una manera protegida por encima del
máximo nivel normal del agua. Además, se obtiene una unión rentable
y amortiguada contra ruido entre la unidad de turbogenerador y el
alojamiento de turbina.
Claims (9)
1. Un aparato generador de energía accionado por
corrientes de mareas, que comprende una turbina (10) montada en un
alojamiento (30) de turbina para su rotación en el interior del
mismo alrededor de un eje sustancialmente vertical,
caracterizado porque la turbina (10) está unida a una columna
(22) de soporte que en una parte inferior está soportada
pivotablemente (24) en la parte inferior del alojamiento de turbina,
y porque en una parte superior en el plano horizontal está
soportada por una pluralidad de elementos rotatorios (36) en
acoplamiento con una parte de la pared interior del alojamiento de
turbina, por lo cual dicha turbina se puede hacer girar
selectivamente en el interior de dicho alojamiento de turbina de tal
manera que la turbina se encuentre siempre en una posición óptima
con respecto al sentido predominante de la circulación del agua.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque dichos elementos rotatorios (36) se
pueden activar y de ese modo causar dicha rotación selectiva de la
turbina.
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
2, caracterizado porque los elementos rotatorios son ruedas
accionadas hidráulica o eléctricamente.
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado por un elemento (28) sobre la columna de
soporte entre la turbina (10) y los elementos rotatorios (36), cuya
parte se estrecha progresivamente en la dirección de dicha turbina,
con el in de reducir ka abertura (32) de circulación del alojamiento
de turbina hasta un diámetro igual al diámetro definido por los
álabes (12) de turbina.
5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado por un obturador (34) sobre un elemento
sustancialmente circular (28) en el plano horizontal sobre la
columna de soporte que tenga una circunferencia más ancha que la
columna de soporte, en el que dicho elemento está dispuesto entre la
turbina (10) y los elementos rotatorios (36), estando dispuesto
dicho obturador a lo largo de la periferia más ancha del elemento
circular (28).
6. Un aparato de acuerdo con las
reivindicaciones 1 y 5, caracterizado porque dicho obturador
(34) se podría llevar selectivamente al establecimiento de contacto
con una parte circundante de la pared interior (31) del alojamiento
de turbina, con el fin de mantener a dicha columna de soporte en la
posición deseada, para impedir que el agua se introduzca en el
espacio situado por encima de dicho elemento circular (28) y para
prevenir que las vibraciones de la turbina, cuando ésta se
encuentra en funcionamiento, se desplacen al alojamiento (30) de
turbina.
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque al menos una parte de dicha columna
(22) de soporte se ha hecho en la forma de paletas de guiado, con el
fin de causar que a la circulación del agua durante el
funcionamiento se le comunique un sentido de rotación que sea
contrario al sentido de rotación que se comunica a la circulación
del agua al pasar los álabes (12) de la turbina
8. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque se provee una transmisión de energía
entre la turbina (10) y un generador (38) a través de un conducto
interno practicado en dicha columna (22) de soporte, y porque dicho
generador está situado en un nivel por encima de dicho elemento
circular (28), preferiblemente sobre dicho alojamiento (30) de
turbina.
9. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque dicho alojamiento (30) de turbina es
un elemento prefabricado que se puede flotar hasta el emplazamiento
donde se vaya a generar energía y se instala sobre el lecho marino
de tal manera que una parte superior del alojamiento de turbina se
encuentre a un nivel por encima del nivel normal registrado de
agua.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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