ES2662776T3 - Sistema y método de generación de energía - Google Patents

Abstract

Un aparato para generar energía eléctrica a partir de aire comprimido, y este aparato comprende: una turbina axial que tiene una pluralidad en cascada de etapas con cubiertas entre una entrada de aire y una salida de aire, estando la entrada de aire a una presión superior a la presión de la salida de aire; cada etapa mencionada tiene un conjunto de paletas de rotor que son propulsadas por dicho aire comprimido, teniendo las paletas en dichas etapas una longitud superior en cada etapa sucesiva hacia la mencionada salida de aire; la paletas de rotor de cada etapa mencionada están unidas a un eje giratorio que está unido a un generador; un depósito de calor; y un intercambiador de calor entre etapas sucesivas, en contacto térmico con el depósito de calor, para calentar el aire procedente de una etapa previa; cada etapa entre la mencionada entrada y la mencionada salida responde a una caída de presión de aire al causar la rotación de un eje de turbina para generar electricidad; y cada etapa puede girar con independencia de las otras.

Description

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 El aire de alta presión de un sistema de almacenamiento de aire comprimido externo se introduce en la primera etapa de la turbina a una presión y velocidad de flujo controladas y a temperatura ambiente.

 Este aire se expande adiabáticamente contra la resistencia de las paletas de la primera etapa del rotor. Este rotor es alimentado por un generador eléctrico para extraer energía. El rotor de la primera etapa y el generador relacionado están diseñados para extraer una cantidad específica de energía.

 La presencia de un intercambiador de calor a TO detrás del primer rotor es necesaria para calentar el aire de nuevo a TO y elevar la presión de aire en la sección de compresión de mayor volumen que precede al rotor de la segunda etapa.

 Debido a la extracción de energía efectuada por el primer rotor (que está acompañada de una caída de presión), se imparte energía mecánica a las paletas y al eje giratorio al que ellas y el generador están unidos físicamente. Es importante restringir la salida de potencia del generador eléctrico para controlar la velocidad del rotor (y cada etapa gira independientemente de las demás), de manera que cada rotor funcione con una eficiencia máxima.

 El diseño de la segunda etapa de la turbina es similar al de la primera, excepto que debe tener un diámetro algo más grande para acomodar la expansión de volumen del aire que sale del primer rotor.

 La velocidad del flujo de aire debe ajustarse con la presión y la temperatura en todo el CAT-G para mantener un flujo de masa constante para la corriente de aire.

 Las paletas de desvío estacionarias (estatores, no mostrados en la Figura 2) se colocan detrás de cada rotor para mantener el flujo alineado de forma óptima con respecto al eje del CAT-G (es decir, las paletas de la etapa de rotación en una fase posterior). Es probable que los mecanismos para el intercambio de calor se integren con estos estatores.

 Sistemáticamente, se conectan etapas con diámetro creciente en cascada para:

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extraer energía eléctrica a medida que la presión del aire se reduce mediante el trabajo adiabático suministrado a las paletas de la turbina en una fase anterior;

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mantener perfiles designados a lo largo del eje de la turbina para la presión, la temperatura y la velocidad de flujo del aire;

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inyectar calor y extraer energía, etapa por etapa, hasta que se alcanzan la presión atmosférica y la temperatura ambiente en la salida del sistema; y

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generar energía eléctrica en cada etapa de la turbina, que se combina para formar la producción total de energía del generador de turbina.

El aire comprimido es un medio atractivo para el almacenamiento de energía debido a su simplicidad; y, a través del uso del CAT-G, también es atractivo para la generación directa de electricidad. Los principales beneficios de la tecnología CAES descrita en el presente consisten en que:

 utiliza equipos duraderos y económicos, como tanques de almacenamiento y tuberías, que pueden fabricarse con materiales compuestos;

 es respetuosa con el medio ambiente, ya que los “derrames” no producen ningún peligro ambiental (puesto que el material escapado sería simplemente aire o agua tibia);

 es relativamente segura, ya que una liberación accidental de energía de aire comprimido emite principalmente un material de masa baja (aire) que incluso a alta velocidad no tiene el potencial de causar daños o lesiones graves como resultado de la transferencia de un gran impulso; y

 puede usar de manera efectiva recintos de armazón de hormigón y acero para contener cualesquiera fragmentos producidos por la ruptura de tanques o tuberías de alta presión de una manera que parece y económica; el requisito principal es su adecuación para evitar que los materiales de alta resistencia y baja densidad, como los materiales compuestos de plástico o fibra de vidrio, escapen de la contención.

La generación de energía eléctrica en el CAT-G requiere que la energía del aire comprimido sea suministrada desde la ubicación de almacenamiento hasta el sitio del CAT-G. Se puede utilizar la tecnología de aire comprimido para transportar la energía almacenada y para convertirla en energía eléctrica, pero es importante tener en cuenta al diseñar el sistema que las presiones y velocidades de flujo requeridas son diferentes para cada caso.

Los cálculos sugieren que una potencia significativa, en forma de aire comprimido de presión muy alta, puede transportarse por tuberías incluso a distancias relativamente largas con una caída de presión reducida. Puesto que

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Es importante recordar que, como consecuencia de la expansión adiabática en el rotor, la sección de compresión es relativamente fría en el extremo de entrada, y (debido a la temperatura del depósito de calor que alimenta los intercambiadores de calor) es TO en el extremo de salida. Se añade calor a medida que el aire fluye a través de las secciones de compresión. En la Figura 9a se muestra el descenso de temperatura dentro del rotor y luego su incremento a lo largo de la longitud de este cilindro a medida que se absorbe el calor. Se deberán determinar la longitud de la sección de compresión, la velocidad de adición de calor y la velocidad de flujo de modo que la temperatura llegue a TO al final de cada sección de compresión. Cuando se logra esta condición, la presión en el extremo del cilindro de compresión corresponde (en la entrada de la etapa correspondiente) a la de la Isoterma TO en la Figura 7.

En la Figura 9b se muestra la caída de presión dentro del rotor y luego su aumento a medida que se absorbe el calor en la sección de compresión.

En la Figura 9b se muestra un problema importante: a saber, si es posible que la corriente de aire fluya desde la corriente relativamente fría a baja presión en una salida del rotor a la corriente relativamente caliente y a más alta presión en la entrada del rotor adyacente.

Debido a que las secciones de compresión y los intercambiadores de calor son elementos vitales en los que se produce el flujo de aire en la dirección opuesta a un gradiente de presión, resulta esencial, por lo tanto, mostrar que las variables termodinámicas son compatibles con dicho flujo. Esto se demuestra mediante un análisis de energía de una sección típica de CAT-G.

El análisis de energía se basa en la ecuación de Bernoulli, que se expresa así:

Q = Uf -Ui + (vf2-vi2) / 2g + yf-yi + PfVf-PiVi + W;

Donde: Q es el calor añadido al sistema, U es la energía interna, v es la velocidad de flujo, g es la aceleración de la gravedad, y es la altitud, P es la presión, V es el Volumen y W es el trabajo (de eje) realizado.

Puede abordarse la viabilidad del flujo retrógrado analizando dos regiones adyacentes de una etapa del CAT-G, es decir, un rotor y la sección de compresión que lo sigue. Es necesario que haya suficiente energía en la corriente de aire para que el flujo avance a través del tubo de compresión (y llegue a la entrada del rotor siguiente). En otras palabras, es necesario que la velocidad de corriente final (en el extremo de salida de la sección de compresión) no sea inferior a cero.

Se demostrará que comenzando con las condiciones de CAES en la entrada del Rotor 1, con el aire comprimido a la velocidad de flujo, v0 tiene como consecuencia una corriente de aire en movimiento en la salida del rotor (que también es la entrada de la sección de compresión). Además, el análisis de la sección de compresión muestra que la energía (cinética) asociada con el flujo de la corriente de aire es exactamente suficiente para contrarrestar el efecto adverso del gradiente de presión opuesto causado por el calentamiento. Al final de la sección de compresión, la velocidad del aire es la misma que cuando entró en el rotor, y todas las otras variables termodinámicas en la entrada del rotor posterior son exactamente las mismas que para el rotor inicial. La única diferencia es que la presión en el rotor 2 disminuye de forma correspondiente a la transición de 1 etapa con respecto a la isoterma de compresión de la Figura 7.

La primera parte de este análisis proporciona el cambio en las variables termodinámicas correspondientes a la expansión adiabática a través del Rotor 1. Aquí, Q = 0, Δy = 0, y por la primera ley de la termodinámica ΔU + WA1 =

0. Con vin1 = v0, la velocidad en la salida del primer rotor viene dada por:

(Velocidad de salida)2 = -2g(PfVf -PiVi) + (Velocidad de entrada)2

Y observando que esta velocidad de salida es igual a vin1 en la Figura 8, esto tiene como consecuencia:

vin12 = 2g(PSVS -PA1V1) + v02.

La segunda parte se ocupa del flujo a través del tubo de compresión. Aquí, Q = CV(TO -TA1), W = 0, V = V1, Δy = 0, Pi = PA1, Pf = PIS01, y (por la primera ley) ΔU = Q.

En esta región, la ecuación de Bernoulli se reduce a:

vf12/2g = vin12/2g -V1(PISO1 -PA1);

Si sustituimos con los valores de arriba, se obtiene:

vf12/2g = (PSVS -PA1V1) -V1(PISO1 -PA1) + vo2/2g.

o,

vf12/2g = PSVS -PISO1V1 + vo2/2g.

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