ES2586284T3 - Sistema de generación de energía hidroeléctrica - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de construcción de un sistema (100) de generación de energía hidroeléctrica en un entorno que comprende una fuente de agua que fluye desde una primera altura (h1) a una segunda altura (h2), estando la primera altura al menos 10 metros por encima de la segunda altura, comprendiendo el procedimiento las etapas de: (i) construir una caverna (10) de energía subterránea en una localización adyacente a dicha fuente de agua en dicha segunda altura, teniendo dicha caverna de energía subterránea una cubierta de techo desmontable; (ii) realizar una perforación direccional para definir un primer túnel (20) desde dicha caverna de energía subterránea a una localización de fuente de agua en o adyacente a dicha fuente de agua en dicha primera altura, teniendo dicho primer túnel un diámetro no mayor de 6 metros; (iii) instalar una tubería en dicho primer túnel para definir un primer conducto que durante el uso transporta agua desde dicha localización de fuente de agua a dicha caverna de energía subterránea; (iv) construir un segundo conducto (30) desde dicha caverna de energía subterránea a dicha fuente de agua en o por debajo de dicha segunda altura; (v) realizar una perforación direccional para definir un segundo túnel (80) desde dicha caverna de energía subterránea a una red de suministro eléctrico; (vi) instalar al menos una turbina de generación de electricidad en dicha caverna de energía subterránea en comunicación de flujo de fluido con dicho primer túnel y dicho segundo conducto; (vii) instalar al menos un cable eléctrico en dicho segundo túnel que conecta dicha al menos una turbina de generación de electricidad a dicha red de suministro eléctrico; y (viii) cuando dicha localización de fuente de agua no esté en comunicación de flujo de fluido con dicha fuente de agua en dicha primera altura, colocar dicha localización de fuente de agua en comunicación de flujo de fluido con dicha fuente de agua en dicha primera altura.

Description

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la primera altura al menos 10 metros por encima de la segunda altura, comprendiendo el sistema de generación de energía hidroeléctrica:

(i) una caverna de energía subterránea en una localización adyacente a dicha fuente de agua en dicha segunda altura, teniendo dicha caverna de energía subterránea una cubierta de techo desmontable;

5 (ii) un primer túnel desde dicha caverna de energía subterránea a una localización de fuente de agua en o adyacente y en comunicación de flujo de fluido con dicha fuente de agua en dicha primera altura, teniendo dicho primer túnel un diámetro no mayor de 6 metros;

(iii) una tubería en dicho primer túnel para definir un primer conducto que durante el uso transporta agua desde dicha localización de fuente de agua a dicha caverna de energía subterránea;

10 (iv) un segundo conducto desde dicha caverna de energía subterránea a dicha fuente de agua en o por debajo de dicha segunda altura;

(v)

un segundo túnel desde dicha caverna de energía subterránea a una red de suministro eléctrico;

(vi)

al menos una turbina de generación de electricidad en dicha caverna de energía subterránea en comunicación de flujo de fluido con dicho primer túnel y dicho segundo conducto; y

15 (vii) al menos un cable eléctrico en dicho segundo túnel que conecta dicha al menos una turbina de generación de electricidad a dicha red de suministro eléctrico.

Los aspectos preferidos anteriores del procedimiento anterior se aplican igualmente al sistema de generación de energía hidroeléctrica anterior.

La presente invención será más evidente a partir de la siguiente descripción que muestra con referencia a las figuras

20 adjuntas, a modo de ejemplo, solo una forma de construcción de un sistema de generación de energía hidroeléctrica, y un sistema de generación de energía hidroeléctrica realizado por la misma. De las figuras:

figura 1 muestra una vista esquemática en sección transversal de un esquema de construcción general para un sistema de generación de energía hidroeléctrica de la presente invención; figura 2 muestra (línea inferior en x = 0-400) una representación gráfica de la distancia contra la altura para el

25 túnel 20 y, por lo tanto, el ángulo con respecto a la horizontal, que varía entre 22 y 35 grados y (línea superior en x = 0-400) la elevación de la cascada 40. El eje X muestra la distancia en metros desde la caverna 10 de energía subterránea. El eje Y muestra la altura vertical en metros por encima de h2;

figuras 3-6 muestran las tablas 1-11 que enumeran cifras y cifras calculadas para diversas presas y el sistema de generación de energía hidroeléctrica de la presente invención; 30 figura 7 muestra los resultados (tabla 12) para las diversas presas y el sistema de generación de energía

hidroeléctrica de la presente invención; figura 8 muestra gráficamente los resultados detallados en la tabla de resultados (figura 7); figura 9 muestra la tabla 13 que detalla la producción de potencia en kilovatios por metro cúbico de agua para

una diversidad de instalaciones de generación de energía hidroeléctrica;

35 figura 10 es una representación gráfica de los datos mostrados en la tabla 13. El eje Y es la potencia en KW/m3 de agua; y figura 11 muestra la tabla 14 que detalla la producción de potencia en MW en comparación con el valor de la financiación del proyecto en millones $US para una diversidad de instalaciones de generación de energía hidroeléctrica; datos procedentes de

40 assets.panda.org/downloads/aidenvdamfinancereport.pdf.

Una localización para la instalación 100 de generación de energía hidroeléctrica se determina de acuerdo con la altura de las cascadas y las caídas de agua libre disponibles, el flujo de agua, la dureza de las rocas, las precipitaciones y la demanda de electricidad. En la presente realización, está disponible una cascada 40 con una caída vertical de aproximadamente 380 metros. Una tubería 50 forzada se construye adyacente al río 70 a una altura

45 h1.

El río 70 continúa en la base de la cascada 40 en la altura h2. La diferencia de altura entre h1 y h2 es de 400 metros.

La caverna 10 de energía se construye adyacente a la base de la cascada 40 excavando una cavidad de excavación. Se insertan paredes de hormigón para hacer una caverna (aunque sin techo). En otras realizaciones, las paredes de hormigón se insertan en la caverna 10 de energía una vez que se ha completado la perforación de

50 todos los túneles.

A continuación, se baja un perforador direccional a la caverna 10 de energía y se realiza la perforación direccional usando el perforador direccional desde la caverna 10 de energía para definir el túnel 20 a la tubería 50 forzada. Los escombros de la perforación se recogen y se retiran de la caverna 10 de energía. El túnel 20 cubre una distancia horizontal de 737 metros en un ángulo promedio con respecto a la horizontal de aproximadamente 28,5 grados,

55 variando entre 22 y 35 grados, y teniendo una longitud total de aproximadamente 920 metros. A continuación, el perforador direccional da marcha atrás hacia la caverna 10 de energía.

El túnel 20 tiene un diámetro de 2 metros y se usa una tubería de presión con un diámetro interno de 1 metro, lo que permite un caudal durante el uso de un metro cúbico por segundo. En otras realizaciones, el túnel 20 tiene un

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diámetro de 1,3 metros y se usa una tubería de presión con un diámetro interno de 1 metro y un espesor de tubo de 0,1 metros.

A continuación, se inserta una primera sección de la tubería de acero grado X52 API 5L (PSL1) (Corus Steel, Reino Unido) en la parte superior del túnel 20 en la tubería 50 forzada y se desliza hacia abajo hasta el fondo en la caverna 10 de energía. A continuación, se insertan unas secciones adicionales de tubería de presión desde la parte superior del túnel 20 en la tubería 50 forzada y se deslizan hacia abajo para acoplarse con la sección de tubería de presión insertada previamente. Una vez insertadas, las secciones de la tubería de presión se sueldan entre sí, se someten a rayos-X para garantizar que están libres de fallos, y se colocan unos manguitos sobre las mismas y se adhieren por termoretracción para efectuar el sellado y la protección final, definiendo de este modo un primer conducto. La tubería de presión tiene un diámetro interno y externo constante. Por lo tanto, el espesor y, por lo tanto, la resistencia de la tubería de presión son adecuados para la presión que se ejercerá durante el uso sobre la misma.

Al tener el túnel 20 en un ángulo de 23,5 grados, cada sección de la tubería de presión que se inserta se soporta principalmente por la roca/tierra por debajo de la misma y no por la sección de la tubería de presión por debajo de la misma. Esto evita que se ejerza una fuerza de compresión excesiva sobre las secciones de la tubería de presión y ayuda a reducir los costes de construcción mediante el uso de la fricción para reducir el peso que necesita sostenerse durante la construcción.

A continuación, se usa el perforador direccional para definir un túnel desde la caverna 20 de energía al río 70 en la base de la cascada 40, y la tubería se inserta en el túnel 30 y se sella para definir un segundo conducto 30. En la caverna 10 de energía, el extremo de la tubería de presión del túnel 20 se conecta a la tubería en la caverna de energía a través de una válvula para permitir el cierre del flujo de agua desde dentro de la caverna 10 de energía, y también se proporciona un colector para permitir la recogida de sólidos. Por lo tanto, los sólidos pueden retirarse del colector cerrando la válvula y abriendo el colector. Una vez que el colector se ha sustituido y sellado, puede volver a abrirse la válvula. Después de la válvula y del colector, se proporciona una instalación de turbina Pelton para la generación de electricidad. El agua sale de la instalación de turbina Pelton y sale de la caverna 10 de energía a lo largo de la tubería en el segundo túnel 30 al rio 70 en la base de la cascada 40.

Por lo tanto, se define una trayectoria de flujo de fluido desde la tubería 50 forzada a lo largo del primer conducto hacia la instalación de turbina Pelton hacia el segundo conducto y que termina en el río 70 en la base de la cascada

40.

A continuación, se usa el perforador direccional para definir un túnel 80 desde la caverna 10 de energía a una red de suministro eléctrico (no mostrada) a lo largo de la que se coloca el cableado eléctrico para conectar la instalación de turbina Pelton a la red de suministro eléctrico.

Por último, el equipo de excavación se usa para colocar la tubería 50 forzada en comunicación de flujo de fluido con el río 70 adyacente. Por lo tanto, el río 70 en la altura h1 está en comunicación de flujo de fluido con el río 70 en la altura h2 a través del primer conducto, la instalación de turbina Pelton y el segundo conducto.

Con una “columna de agua” de 400 metros y un flujo de 1 metro cúbico de agua por segundo pasando en el primer conducto a través de la tubería 50 forzada, la instalación de turbina Pelton genera 2 megavatios de electricidad, y el impacto sobre el flujo de agua hacia la cascada 40 no es demasiado grande, continuando al menos un 80 % del flujo de agua hacia la cascada 40. Como el flujo de agua a lo largo del río 70 en la altura h2 cambia con las estaciones y las precipitaciones, la tubería 50 forzada puede ajustarse de forma remota para reducir o aumentar el flujo de agua hacia el primer conducto según proceda.

En una realización alternativa (no mostrada), se proporciona la misma disposición de un primer conducto que tiene una “columna” de 400 metros, y se dimensiona con un diámetro interno de uno a dos metros, lo que permite un flujo de 1,75 metros cúbicos de agua por segundo, generando la instalación de turbina Pelton 3,7 MW de electricidad.

Los cálculos de la producción de potencia por las realizaciones de la presente invención se hacen usando la ecuación:

Producción de potencia (kW) = 9,8 (aceleración debida a la gravedad) x flujo de agua (m3/s) x columna

(metros) x eficiencia (%)

Los dos ejemplos anteriores se calculan con una eficiencia de sistema de aproximadamente un 50 %, que son los valores dados en la tabla 13. Sin embargo, es una estimación muy conservadora y puede esperarse una eficiencia de hasta un 80-90 % con un uso eficiente de la turbina.

A continuación, se proporciona un túnel de acceso en el lado de la caverna 10 de energía y, a continuación, se coloca un techo de paneles de hormigón armado en la parte superior de la caverna 10 de energía y, a continuación, se coloca tierra en la parte superior, de manera que las plantas puedan crecer en la parte superior de la misma y se minimice su impacto medioambiental.

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