ES2923780T3 - Aparato para generar energía a partir de un flujo de fluido - Google Patents

Abstract

Un aparato para generar electricidad utilizando el flujo de agua en una masa de agua comprende: una matriz de elementos separados. Cada elemento define un paso de flujo alargado y tiene un lado aguas arriba y un lado aguas abajo alargado, estando cada elemento provisto de una serie de orificios espaciados a lo largo de su longitud y el lado aguas abajo se extiende y se estrecha en la dirección del flujo. Los elementos están dispuestos uno al lado del otro de manera que las paredes opuestas de los elementos adyacentes definen una sección venturi y una primera sección difusora que se extiende hacia abajo desde la sección venturi. El aparato también comprende: - un conducto de flujo que tiene una entrada y una salida; - una turbina situada en el conducto de flujo; y - un generador conectado a la turbina; Los pasajes de flujo están conectados a la salida del conducto de flujo de manera que el flujo de agua a través de las secciones venturi hace que el agua sea extraída a través del conducto de flujo a través de los orificios, el flujo resultante impulsa la turbina. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato para generar energía a partir de un flujo de fluido

Campo técnico

Esta invención se refiere a un sistema para convertir la energía de las olas, las mareas o las corrientes de una masa de agua en una forma más útil de energía. En particular, esta invención proporciona un aparato para generar electricidad utilizando flujos tales como olas, mareas o corrientes en una masa de agua.

Antecedentes de la técnica

Se han planteado diversas propuestas para convertir las corrientes, las olas o las mareas en electricidad como un enfoque no contaminante para la generación de energía.

Los sistemas anteriores para extraer energía de las olas utilizaban el movimiento vertical de la superficie del agua causado por el cambio de fase entre las trayectorias elípticas de las partículas de agua a lo largo de una longitud de onda. Típicamente, los dispositivos anteriores implicaban alguna forma de flotador acoplado a una disposición mecánica o alguna forma de masa de aire atrapado por encima de la superficie de las olas para convertir el movimiento vertical periódico de la superficie de las olas en alguna forma de movimiento útil para la generación de electricidad (generalmente rotativo). Estos sistemas suelen ser complicados desde el punto de vista mecánico y, para que funcionen eficazmente, se ajustan para resonar a una frecuencia en la que se espera que la densidad de energía del espectro de olas del entorno alcance su punto máximo. El rendimiento puede disminuir drásticamente si la frecuencia de las olas difiere de la frecuencia de resonancia diseñada. Estos sistemas son inútiles si solo hay flujo lateral (corriente o marea) sin componente de ola vertical oscilante.

Se han propuesto sistemas para extraer energía en flujos laterales. Estos sistemas han implicado el uso de una paleta que puede ser impulsada para oscilar por el flujo, un sistema de transmisión mecánica que convierte esto en movimiento rotatorio. Estos sistemas se enfrentan a problemas similares a los de las olas: complejidad mecánica, incapacidad para extraer energía de otros tipos de movimiento, etc. Otros sistemas cuentan con una gran hélice submarina con un generador de energía eléctrica en el buje, análogo a un molino de viento pero para el agua en lugar de las corrientes de viento. Para que el disco de barrido reciba la máxima energía de la corriente incidente, las palas tienen que ser muy largas, lo que a su vez requiere un diseño y unos materiales sofisticados para acomodar las tensiones en la raíz de las palas. Las represas mareomotrices de alta mar pretenden concentrar la energía incidente de una gran sección transversal del flujo de agua atrapando el flujo entrante de la marea creciente detrás de un muro de contención y canalizándola de nuevo hacia fuera a través de turbinas de un área transversal mucho más pequeña, como en un dique convencional. La marea decreciente proporciona una diferencia de carga adecuada entre el agua atrapada en la laguna detrás de la represa y la marea decreciente en el lado mar de la represa. Este tipo de represas, que suelen atravesar un estuario de mareas, son muy caras y perturbadoras a nivel medioambiental y requieren la interacción del flujo de la marea con la topografía local del estuario para amplificar el rango de las mareas.

Un problema habitual de los sistemas de olas o flujos es su capacidad para abordar una sección transversal del océano lo suficientemente grande como para que la generación de energía sea posible a escala industrial. Además, los efectos de los extremos o bordes pueden facilitar que el flujo rodee cualquier estructura posicionada en el flujo para extraer energía de ella en lugar de pasar a través del sistema de extracción de energía. Este problema puede atenuarse haciendo una instalación muy grande, pero esto, a su vez, puede conducir a una mayor complejidad y gasto y puede superar los límites de las capacidades de la ingeniería actual.

WO2008015047 divulga un aparato para convertir la energía de los flujos de las olas o corrientes, donde una serie de tubos están dispuestos de manera que los venturi están definidos entre los tubos. El flujo de agua entre estos tubos hace que los venturis actúen como bombas que arrastran el agua a través de los tubos que son alimentados por un conducto colector de flujo y accionan una turbina. La serie de tubos está dispuesta para formar matrices con planos verticales que, a su vez, están montadas en el lecho marino para formar represas. Otras disposiciones del estado de la técnica se conocen a partir de los documentos WO 01/25629 y WO 2010/032026.

Divulgación de la invención

La invención pretende proporcionar disposiciones de tubos alternativas para aportar mejores rendimientos para dichos dispositivos de generación de energía.

Un primer aspecto de la invención proporciona un aparato para su instalación a lo largo de una masa de agua de tal manera que hay una caída de carga desde el lado aguas arriba hasta el lado aguas abajo del aparato para generar electricidad utilizando el flujo de agua en una masa de agua, como se indica en la reivindicación 1.

Además, las características preferibles se presentan en las reivindicaciones dependientes.

Otro aspecto de la invención comprende un método para generar electricidad a partir del flujo de agua que comprende el uso del aparato según el primer aspecto de la invención, el método comprende proporcionar el aparato en un flujo de agua; permitir que un flujo de marea o de corriente fluya a través del venturi, y permitir que un flujo secundario fluya a través del conducto de flujo y accione la turbina.

Breve descripción de las ilustraciones

La invención se describirá ahora a modo de ejemplo con referencia a las ilustraciones adjuntas:

La Figura 1 muestra un aparato alineado a lo largo de un flujo de corriente;

La Figura 2 muestra una vista en planta esquemática de una disposición de tubos a través de un flujo de corriente; la Figura 3 muestra una realización de la invención con los tubos dispuestos horizontalmente; la Figura 4 muestra los detalles de un tubo horizontal para el uso con la invención;

La Figura 5 muestra una vista lateral en sección transversal de una realización de la invención con los tubos dispuestos horizontalmente;

La Figura 6-11 muestra ejemplos de secciones transversales de tubos para el uso en el aparato de la invención; Las Figuras 12-16 son ejemplos de secciones transversales de tubos para el uso en el aparato de la invención; La Figura 17 muestra una sección transversal esquemática de un tubo para el uso en una realización de la invención;

La Figura 18 muestra un esquema de un aparato con paletas horizontales;

La Figura 19 muestra un esquema de un aparato que tiene tubos dispuestos verticalmente con segmentación interna;

La Figura 20 muestra un esquema de una realización de la invención con tubos dispuestos horizontalmente; La Figura 21 muestra una vista esquemática de un aparato con tubos verticales;

La Figura 22 muestra una vista en corte del aparato de la Figura 21;

La Figura 23 muestra otra vista en corte del aparato de la Figura 21;

La Figura 24 muestra una vista lateral de un aparato;

La Figura 25 muestra un esquema de un aparato instalado en parte del ancho de una masa de agua;

La Figura 26 muestra una vista lateral de la Figura 24.

La Figura 27 muestra un aparato con un hueco instalado a lo largo de una masa de agua;

La Figura 28 muestra una vista de pájaro de las estructuras instaladas a lo largo de una masa de agua; y

La Figura 29 muestra una vista lateral de las estructuras instaladas a lo largo de una masa de agua;

La Figura 30 muestra una vista lateral de los tubos a diferentes niveles de agua.

Descripción detallada de la invención

La invención se basa, en términos generales, en la tecnología divulgada en el documento WO2008/015047, que describe un aparato que comprende una disposición de primeros y segundos tubos para generar electricidad utilizando el flujo de las mareas, las olas o las corrientes en una masa de agua. Los primeros tubos están provistos de una serie de orificios espaciados a lo largo de su longitud y están conectados a un conducto de flujo que tiene una entrada en la masa de agua. Los venturis definidos entre los tubos adyacentes actúan como bombas venturi induciendo el flujo desde el interior de los primeros tubos a través de los orificios para extraer el agua a través del conducto de flujo y accionar una turbina conectada a un generador.

Se utiliza el término SMEC para definir dicha tecnología. La palabra "espectral" significa que la energía se extrae de cualquier movimiento de agua entre los tubos, independientemente de la frecuencia en la que se espera que el espectro de onda ambiental alcance su punto máximo. SMEC es "panespectral". Funciona bien incluso a una frecuencia cercana a cero, es decir, en flujos de marea y flujos unidireccionales (de río).

El principio básico de la invención es proporcionar un aparato SMEC en el que los tubos tienen al menos un lado cónico de manera que se forma una sección difusora entre los tubos adyacentes. La Figura 1 muestra parte de un aparato que comprende una serie de tubos colocados a lo largo de un flujo de corriente. La Figura 2 muestra una vista en planta de una disposición de tubos para demostrar el principio de funcionamiento.

La disposición comprende una matriz de tubos 10 dispuestos verticalmente en una disposición paralela espaciada lado a lado en esencialmente el mismo plano con un venturi 12 definido entre los tubos adyacentes. Los extremos inferiores de los tubos están conectados a una estructura de colector horizontal común 14 que está conectada al conducto de flujo 16 que aloja la turbina 18. La turbina 18 está conectada al generador mediante un eje de transmisión. Cada tubo 10 comprende un lado cónico aguas abajo 20, y un lado aguas arriba 22, un paso de flujo 24 e hileras de orificios 26 espaciados a lo largo del tubo. Los tubos adyacentes 10 están colocados de manera que una sección del venturi 12 y una sección difusora 28 están definidas por las paredes opuestas de los tubos adyacentes 10. Los orificios 26 están posicionados de tal manera que están en comunicación fluida con el conducto de flujo 24 y situados en o cerca de la sección del venturi 12.

El agua entra en el conducto de flujo 16 a través de la entrada 32 y los tubos 10 están conectados a las salidas 34 del conducto de flujo de tal manera que un flujo primario 36 de agua que pasa por la disposición de tubos hace que el venturi 12 actúe como bombas de venturi induciendo un flujo 38 desde el interior de los tubos hacia fuera a través de los orificios 26 para extraer el agua 40 a través del conducto de flujo e impulsar la turbina. El efecto venturi provoca una caída de carga desde la carga de la superficie del agua aguas arriba hasta el nivel del agua aguas abajo. A medida que la corriente fluye a través del venturi entre los tubos, se produce una pérdida de carga amplificada en el venturi. Esto induce el flujo 38 de agua hacia fuera a través de los orificios 26. Esta pérdida de carga amplificada a través de los tubos, el conducto de flujo y la turbina induce un flujo secundario 38 a alta velocidad a través de los tubos del colector con un volumen menor que el flujo primario que puede utilizarse para accionar la turbina.

La Figura 3 muestra una disposición diferente de los tubos 50 del aparato SMEC, que se instala a través de la entrada de una masa de agua 62. En esta realización, los tubos 50 del aparato están dispuestos sustancialmente en sentido horizontal en un plano sustancialmente vertical y conectados a un colector vertical 64. Los tubos horizontales 50 están dispuestos en una matriz paralela espaciada de lado a lado en esencialmente el mismo plano de tal manera que las paredes opuestas de los tubos adyacentes definen un venturi y una sección difusora. Con referencia a las Figuras 4 y 5, cada tubo 50 comprende un lado cónico 56, un paso de flujo 58 y orificios 60 espaciados a lo largo del tubo 50. Los tubos adyacentes 50 están colocados de manera que una sección del venturi 66 y una sección difusora 68 están definidas entre las paredes opuestas de los tubos adyacentes. El agua 62 entra en el conducto de flujo a través de la entrada y los tubos 50 están conectados a las salidas del colector 64 de tal manera que el flujo de agua que pasa por la disposición de tubos hace que el venturi actúe como bombas de venturi induciendo el flujo desde el interior de los tubos a través de los orificios para extraer el agua a través del conducto de flujo y accionar la turbina.

Una disposición horizontal de los tubos venturi puede ayudar a aislar la baja presión inducida en el venturi de la superficie libre del flujo primario. Esto ayuda a mantener la baja presión que se forma en el venturi, que impulsa el flujo secundario y, por lo tanto, ayuda a mantener la salida de potencia útil potencial que se puede alcanzar. Las pérdidas de energía a través del venturi pueden producirse como resultado de la reintegración del flujo secundario con el flujo primario dentro del venturi. La cantidad máxima teórica de trabajo útil que puede extraerse del flujo secundario es una función de la geometría del aparato SMEC. La geometría del perfil del venturi puede afectar a las pérdidas de energía en el venturi.

Las Figuras 6-11 muestran ejemplos de perfiles de los tubos que pueden utilizarse para conformar el aparato para el uso en flujos unidireccionales.

Cada tubo 70 que forma la matriz comprende un lado de entrada 72 y un lado de salida 74. Entre el lado aguas arriba 72 y el lado aguas abajo 74 hay un paso de flujo 76. Una serie de orificios o ranuras 78 están definidos a lo largo de la longitud del paso de flujo 76 posicionados de manera que están en o cerca de la sección venturi 80 formada entre los tubos adyacentes. Los orificios o ranuras 78 están situados en la posición del tubo que tiene la mayor anchura y están espaciados a lo largo de la longitud del tubo. En los tubos 76 para el uso en flujo unidireccional 82 el perfil de los lados aguas arriba y aguas abajo de los tubos puede ser diferente, siendo la entrada 84 al venturi 80 más corta que la sección difusora 86 aguas abajo del venturi 80.

El número, la forma y la disposición de los orificios definidos a lo largo del paso de flujo pueden variar. El término orificios puede incluir aberturas, ranuras, ranuras continuas, orificios alargados y cualquier otra abertura adecuada en el paso del flujo.

La Figura 6 muestra un perfil de un tubo venturi 70 para el uso en el aparato. El tubo venturi hueco 70 comprende un lado aguas arriba corto sustancialmente semicircular 72 que se estrecha hacia un lado aguas abajo alargado 74 formando sustancialmente una forma de lágrima. A lo largo de la longitud del tubo 70 se extiende un pasaje de flujo 76 que forma parte de la trayectoria de flujo secundaria. Los orificios 78 están ubicados entre los lados aguas arriba 72 y aguas abajo 74 a lo largo de la longitud del tubo 70. El tubo 70 puede reforzarse con la adición de puntales de refuerzo internos 88.

La Figura 7 muestra un perfil de un tubo venturi para flujo unidireccional. El tubo venturi hueco 70 tiene una forma de sección transversal sustancialmente hexagonal con un lado aguas arriba corto y puntiagudo 72 y un lado aguas abajo alargado 74 con un paso de flujo 76 que se extiende a lo largo del tubo 70. Los orificios 78 están ubicados entre los lados aguas arriba y aguas abajo a lo largo de la longitud del tubo.

Las Figuras 8 y 9 muestran las formas transversales de los tubos de venturi que tienen un centro hueco con diferente disposición de puntales y refuerzos 88. Los tubos 70 tienen un lado aguas abajo alargado cónico 74 y un lado aguas arriba semicircular 72 más corto. El lado aguas arriba semicircular 72 tiene un diámetro mayor que el lado aguas abajo 74. Los orificios 78 están situados a lo largo de la longitud del tubo 70 en el lado aguas arriba 72 en el límite con el lado aguas abajo 74.

Las Figuras 10 y 11 muestran diferentes realizaciones de los tubos para el aparato con diferentes disposiciones de refuerzos, puntales y placas para aportar resistencia a los tubos. La forma de la sección transversal del tubo 70 tiene un lado aguas arriba convexo-cónico y corto 72 que forma el paso del flujo 76 para la trayectoria del flujo secundario. El tubo 70 tiene un lado aguas abajo alargado y cónico 74 que es más largo que el lado aguas arriba 72 y está cerrado con respecto al lado aguas arriba 72. Los orificios 78 están ubicados a lo largo de la longitud del tubo 70 en el lado aguas arriba 72 cerca del límite con el lado aguas abajo 74 para el flujo secundario desde el paso del flujo 76 en el venturi. El lado aguas abajo cerrado 74 puede incluir una sección de flotación 90.

El flujo primario 82 acelera en el venturi 80 entre los tubos 70, fluye a través de la sección de venturi 80 y luego diverge hacia afuera entre las paredes de los tubos que definen la sección difusora 86.

La provisión de una sección cónica en el lado aguas abajo de los tubos ayuda a la recuperación de la presión a medida que el flujo primario desacelera fuera del venturi. Para un funcionamiento óptimo de la bomba venturi se requiere que el régimen de baja presión se mantenga dentro de la sección venturi de acuerdo con el teorema de Bernoulli. Para cumplir con este requisito, el flujo primario necesita desacelerar suavemente a través de la sección difusora que se extiende aguas abajo de la sección del venturi para recuperar la presión hacia la carga de la corriente libre ambiental.

En el flujo unidireccional se puede utilizar un lado aguas arriba más corto con el gradiente de presión positiva en la garganta de entrada del venturi, lo que fomenta un buen acondicionamiento del flujo.

Cuando el aparato se utiliza en masas de agua con flujo bidireccional, el tubo puede tener sustancialmente la misma forma de perfil que se muestra en las Figuras 12, 13 y 14.

Los tubos 100 para el uso en flujo bidireccional 102a, 102b tienen un lado aguas abajo cónico 104 y un lado aguas arriba 106, de manera que se definen dos secciones difusoras 108a, 108b entre los tubos 100 adyacentes separadas por la sección venturi 110. La forma simétrica de los tubos 45 permite que la garganta de entrada 108b del venturi 110 se convierta en la sección difusora cuando se invierte la dirección del flujo 102a 102b. El flujo secundario 112a, 112b se unirá al flujo primario 102a, 102b al salir de los tubos 100 a través de los orificios. Como se muestra en la Figura 12, los tubos bidireccionales 100 pueden tener una forma sustancialmente elíptica que se extiende paralela a la dirección del flujo de agua 102. En la Figura 13 se muestran otros ejemplos de formas de sección transversal de tubos para el uso en flujo bidireccional, los tubos bidireccionales 100 pueden tener una forma sustancialmente hexagonal que se extiende paralela a la dirección del flujo de agua 102.

Para conseguir un ángulo difusor bajo se destina un tubo con una longitud progresiva larga. La Figura 14 muestra un conjunto de tubos bidireccionales 100 con elementos espaciadores 114 situados dentro de las secciones difusoras 108a, 108b formadas por los tubos adyacentes 100. Los elementos espaciadores 114 pueden colocarse dentro de la sección difusora para facilitar el uso de una longitud progresiva corta en todo el conjunto, manteniendo al mismo tiempo un ángulo efectivo pequeño para ayudar a recuperar la presión. El cambio en la dirección del flujo primario 102 al pasar por la sección difusora 108a con los elementos espaciadores 114 promueve la mezcla del flujo y ayuda a la recuperación de la presión.

Con referencia a la Figura 15, los espaciadores 114 pueden moverse dentro y fuera de las secciones difusoras 108a, 108b. El movimiento de los espaciadores 114 cambia la ratio bloque-edad que puede ayudar al rendimiento en un flujo de marea donde la velocidad del flujo primario es continuamente variable. El movimiento de los espaciadores desde una posición cercana a la sección venturi a una posición más aguas abajo disminuye la ratio de bloqueo.

Se pueden realizar otros cambios en el aparato SMEC para mejorar el acondicionamiento del flujo y obtener el perfil de flujo adecuado. En una realización, como se muestra en la Figura 16, los espaciadores 114a, 114b pueden estar conectados por un tabique 116 dentro de la sección venturi. Esto puede ayudar a evitar que el flujo se divida alrededor del espaciador de forma desigual y puede ayudar al acondicionamiento del flujo.

La ratio de bloqueo puede influir en el rendimiento del aparato. La ratio de bloqueo se forma dividiendo la distancia entre las líneas centrales de dos tubos venturi adyacentes por el espacio entre los tubos adyacentes en la sección venturi.

La superficie exterior de los tubos que define la sección del difusor puede incluir un área rugosa. La superficie rugosa ayuda a promover el flujo turbulento en la capa límite, lo que puede fomentar la mezcla y ayudar a recuperar la presión. La superficie puede tener una superficie no lisa, como una superficie con depresiones. La superficie puede conformarse en el tubo durante su fabricación o puede dejarse que se vaya desarrollando en el tubo durante el uso al permitir la acumulación natural de crecimiento marino o similar con el tiempo.

La Figura 17 muestra un perfil de tubo 120 para el uso en un aparato SMEC que comprende perforaciones 122 en el borde colgante del lado aguas abajo 124. Las perforaciones 122 pueden formarse en el extremo del lado aguas abajo 124 de los tubos y una válvula de control de flujo 126 se puede ubicar dentro del lado aguas abajo 124 para controlar el flujo de agua desde la capa límite de la sección difusora al paso del flujo 128. La válvula de control de flujo 126 puede utilizarse para extraer agua de la capa límite de la sección difusora hacia el tubo 120, ayudando a prevenir o retrasar la separación del flujo.

La Figura 18 muestra un aparato que tiene unas paletas para la gestión del flujo 132 que se extienden horizontalmente a través de los tubos 134 dispuestos verticalmente y conectados a un colector 136. El aparato comprende una matriz de tubos verticales 134 con una o más paletas para la gestión del flujo 132 colocadas horizontalmente a través de la matriz de tubos dispuesta verticalmente. Las paletas horizontales pueden ser planas para mantener el flujo sustancialmente horizontal a medida que pasa a través del venturi.

La superficie del agua en la parte superior de cada hueco del venturi está en la superficie libre de una columna de agua que se acelera hacia delante hasta alcanzar una gran velocidad a lo largo de la longitud corta del venturi antes de una desaceleración al salir a la sección difusora. La elevación de la superficie libre de agua viene dictada por el complejo equilibrio de fuerzas resultante de su carga total, la tasa de cambio de su ritmo y la presión atmosférica que actúa sobre ella. La elevación de la superficie libre de agua se mantiene a una altura superior a la que indicaría su carga total localmente reducida si fuera cuasiestática. Cualquier tendencia a la depresión de la superficie libre en el tubo puede tener un efecto perjudicial en el rendimiento del dispositivo. Mediante la colocación de paletas de gestión a través de los tubos se puede inhibir la depresión de la superficie libre.

Cuando los tubos son horizontales, como se muestra en la Figura 3, la disposición horizontal de los tubos proporciona intrínsecamente el mismo efecto al aparato que las paletas de gestión horizontales pueden proporcionar a las disposiciones de tubos verticales.

En situaciones en las que el aparato está colocado en un flujo de marea, la superficie libre del agua del flujo primario puede tener una elevación variable.

La Figura 19 muestra una vista en sección transversal de una parte de un aparato con tubos verticales 140 conectados a un colector horizontal 142. En otra disposición, cada tubo 140 está dividido en una pluralidad de cámaras 144 dispuestas verticalmente a lo largo del tubo. Un tubo alimentador 146 está conectado a cada cámara 144 y se extiende por debajo del nivel mínimo de la superficie libre 148 que alcanzará la superficie libre del agua de flujo secundario. El número de cámaras necesarias dependerá de la variación del nivel del agua a la que estén expuestos los tubos, de la longitud de los mismos y de la frecuencia de los orificios 150 en los tubos.

En los flujos de mareas, a medida que el nivel del agua desciende, los orificios superiores pueden quedar expuestos a la atmósfera, lo que expone el agua del interior de los tubos a la presión atmosférica. El nivel de agua en el interior de los tubos venturi descenderá entonces y se podrá generar menos energía, ya que habrá menos orificios activos a lo largo del tubo. La segmentación interna de los tubos para crear una serie de cámaras, cada una de ellas en comunicación fluida con el extremo inferior del tubo a través de un conducto, permite utilizar todos los orificios por debajo de la superficie de flujo primario, incluso con niveles de agua bajos.

En otra realización de la invención, cuando el aparato comprende tubos horizontales 160, el colector vertical 164 puede ser segmentado. La Figura 20 muestra una sección transversal de parte de un aparato que tiene tubos horizontales de venturi 160 provistos de una serie de orificios 162 y que se extienden entre los colectores verticales 164. El colector 164 está conectado a un conducto de flujo 166 que alberga una turbina 168 conectada a un eje de transmisión para accionar un generador 170. El tubo vertical del colector 164 está dividido en una pluralidad de cámaras 172 dispuestas verticalmente a lo largo de la longitud de al menos una parte del colector. Un tubo 174 está conectado a cada cámara y se extiende desde la cámara hasta por debajo del nivel mínimo de superficie libre 176 que alcanzará la superficie libre del agua del flujo secundario. Cada cámara 172 está colocada en correspondencia con un tubo horizontal 160 que se extiende desde el colector vertical 164. El número de cámaras necesarias dependerá de la variación del nivel de agua a la que estén expuestos los tubos. No es necesario que todos los tubos venturi estén asociados a una cámara individual.

Las Figuras 21,22 y 23 muestran otro aparato SMEC en el que el aparato comprende una matriz de tubos verticales 200 que tienen un lado aguas abajo cónico 202 y un paso de flujo 204 con unos orificios 206 ubicados a lo largo de toda su longitud. Los tubos 200 están conectados a un colector horizontal común 208 que a su vez está conectado a un conducto de flujo vertical 210. El conducto de flujo 210 tiene unas entradas 212 para recibir el agua de la masa de agua y una o más turbinas 214 ubicadas dentro del conducto de flujo 210 conectadas a un generador 216 a través de un eje de transmisión. Los colectores horizontales 218 están posicionados a través de los tubos 200 y el conducto de flujo 210.

La Figura 24 muestra un aparato que comprende una serie de tubos verticales 20. Los tubos verticales 20 están cerrados en su extremo superior con una barrera sustancialmente horizontal 220 que se extiende a través de la parte superior del aparato. En el uso, la barrera horizontal 220 se sitúa por debajo del nivel del agua aguas arriba 222 y la parte superior de los tubos 20 se encuentra por debajo del nivel de agua, aguas abajo 224. La longitud vertical de los tubos se define durante el diseño del aparato para adaptarse a las condiciones de flujo de un lugar particular. Una barrera sustancialmente vertical 226 se extiende hacia arriba desde la barrera horizontal 220. La barrera vertical 226 es impermeable al agua y retiene el nivel de agua aguas arriba por encima de la parte superior de los tubos.

La Figura 25 muestra un aparato que comprende una serie de tubos verticales 20. Los tubos verticales están cerrados en su extremo superior con una barrera 220 que se extiende a través de la parte superior del aparato. En el uso, la barrera 220 se encuentra más baja que el nivel del agua aguas arriba 222. Una barrera sustancialmente vertical 226 se extiende hacia arriba desde la barrera horizontal 220. La barrera vertical es impermeable al agua y retiene el nivel de agua aguas arriba 222 por encima de la parte superior de los tubos. Una tapa sifónica 228 está unida al extremo aguas abajo del aparato. El agua que fluye entre la parte superior de los tubos verticales 20 sale de entre los tubos 20 a una elevación por encima de la altura del nivel de agua aguas abajo 224. La tapa sifónica 228 aísla el agua dentro de la tapa de la presión atmosférica, de manera que la presión hidrostática en el agua de la cubierta puede caer por debajo de la presión atmosférica y, por tanto, permite un gradiente de presión uniforme a través de la columna de agua debajo de la tapa y facilita un mejor acondicionamiento del flujo.

El método de instalación del aparato SMEC puede variar dependiendo del tipo de aparato y del lugar en el que se vaya a instalar. Los métodos pueden incluir la flotación de las secciones del aparato en su posición, el descenso del aparato en su posición por la inundación controlada y/o el descenso del aparato en su posición mediante grúas u otros dispositivos de elevación. El aparato SMEC puede instalarse para abarcar toda una masa de agua, es decir, de orilla a orilla de un río o estrecho, o puede instalarse solo parcialmente a lo largo de una masa de agua.

Se pueden incorporar esclusas en el aparato SMEC como en las represas convencionales para permitir el paso de la navegación. Pueden incorporarse espacios en el aparato SMEC para permitir el paso de embarcaciones, peces o mamíferos marinos por el río.

Cuando el aparato se coloca en un flujo con una sección transversal mayor que la del aparato, la presencia de bordes libres permite que el flujo primario se desvíe alrededor del aparato en lugar de pasar a través de los tubos. Cuanto más largo sea el aparato en relación con la masa de agua, menores serán las pérdidas como porcentaje de la energía de salida disponible potencialmente útil.

Para reducir el efecto de las pérdidas de los bordes, el aparato puede atravesar toda la masa de agua en movimiento, como por ejemplo de orilla a orilla de un río o de una costa a otra. Como se muestra en las Figuras 26 y 27, si el aparato 180 no intercepta toda la masa de agua 182, las pérdidas de los bordes pueden minimizarse. Para minimizar las pérdidas de los bordes en dicha disposición, puede fijarse una superficie 184 en el extremo libre del aparato que se extiende en ángulo recto aguas arriba del aparato 180. La superficie 184 puede ayudar a dirigir el agua a través de los tubos 186 y minimizar el flujo alrededor del borde. La entrada 188 para el flujo secundario 190 puede estar situada en los bordes libres para favorecer que el flujo primario 192 pase entre los tubos 186 en lugar de alrededor de los bordes libres.

En la figura 28, el aparato 180 está instalado sustancialmente a lo largo de toda la anchura del agua 182, con un espacio 198 a medio camino en el cual hay una entrada que comprende una turbina 196. Una superficie 184 está unida a cada uno de los extremos libres de los módulos a ambos lados del hueco 198 para ayudar a inhibir el flujo de paso, mientras se mantiene un paso abierto en la estructura. El flujo secundario 190 a través de la turbina acomoda la caída de carga a través del aparato.

En una realización, cada uno de los aparatos SMEC se puede formar como módulos y colocarse a lo largo del río u otra masa de agua, como un estuario, fiordo o canal. Los módulos pueden utilizar la corriente o el flujo de las mareas del agua para generar electricidad.

Como se muestra en la figura 29, una serie de estructuras 200 formadas por los módulos están instaladas a lo largo del río 202 o de otra masa de agua. Cada estructura 200 se coloca a lo largo de la anchura del río perpendicularmente a la dirección del flujo 204 de agua y en sentido aguas arriba y/o aguas abajo de un módulo adicional.

La figura 30 muestra una vista general del aparato en funcionamiento, con tres estructuras 200 posicionadas a lo largo del río 202. Pueden instalarse más estructuras según sea necesario. La estructura forma una obstrucción al agua a medida que fluye por el río y se producirá un ligero aumento del nivel del río detrás del SMEC. Este aumento de la profundidad del río es el impulsor de la carga inferior del aparato. Como la elevación libre de la tabla que se forma detrás de cada estructura es mínima en comparación con el represamiento completo del río, el impacto ambiental en sentido aguas arriba es menos dañino.

La distancia que separa las estructuras influirá en la determinación del aumento final del nivel del río aguas arriba de la matriz de estructuras. La distancia entre cada estructura dependerá del entorno en el que estén instaladas. La distancia entre las estructuras puede variar en función de los contornos del terreno por el que discurren los ríos. La distancia entre cada estructura puede ser suficiente para que el nivel del caudal del río en el que se va a colocar una estructura aguas arriba no se vea afectado sustancialmente por ningún SMEC aguas abajo. Si las estructuras están suficientemente separadas, el nivel del río aguas arriba de las estructuras alcanzará su nivel original, a pesar del aumento localizado en la carga inmediatamente detrás de cada estructura.

Las alturas de los tubos se seleccionan para adaptarse a la profundidad del río donde se va a instalar la estructura. La longitud de los tubos será tal que los módulos se extenderán hasta el lecho del río para minimizar el flujo de derivación.

Los módulos se pueden instalar para que sean móviles dentro de la masa de agua. Como se muestra en la Figura 31, los módulos pueden comprender una sección de flotación 92 o un flotador externo, que mantiene la parte superior del tubo 20 a nivel de la superficie del agua 94. A medida que el nivel del agua 94 desciende, el SMEC puede rodar sobre el lecho del río 96 de manera que los orificios 30 de los tubos 20 y el módulo se mantienen sustancialmente sumergidos a medida que el nivel del agua sube y baja.

Una vez que una primera estructura ha sido colocada en el río, se pueden colocar otras estructuras a lo largo del río aguas arriba y/o aguas abajo de la primera estructura. El número de estructuras que se instalen dependerá del entorno y de la cantidad de electricidad que se quiera generar. Esta realización es especialmente aplicable a los sistemas fluviales interiores, cuando no se dispone de corrientes costeras y fuerzas de las mareas para aprovechar la energía. Los módulos SMEC no dependen del rango de altura de las mareas, y se basan en el flujo volumétrico de entrada y salida. Esto hace que el SMEC sea especialmente adecuado en masas de agua en las que hay un gran volumen de agua que no necesariamente fluye a gran velocidad, por ejemplo, ríos con una profundidad o anchura considerables.

Las pérdidas por fricción que se producen a través de la trayectoria del flujo secundario pueden provocar una caída de presión en varios puntos de la trayectoria del flujo, lo que da lugar a una disminución de la producción máxima que puede obtenerse. Las pérdidas por fricción pueden producirse en la entrada de las turbinas cuando el agua entra en ellas. Estas pérdidas pueden minimizarse utilizando un conducto de entrada de contorno liso.

La eficiencia hidrodinámica de las turbinas de extracción de energía puede afectar al rendimiento general del aparato. El uso de turbinas de paso controlable puede ayudar a maximizar el rendimiento. Los tipos de turbina adecuados para el SMEC son las de flujo axial y las Kaplan. Las pérdidas por fricción pueden minimizarse reduciendo los bordes afilados y empleando una superficie interna lisa en las partes de la turbina en contacto con el agua. La turbina puede posicionarse a baja altura en el agua, lo que aumenta la presión operativa ambiental y ayuda a suprimir la degradación del rendimiento debido a la cavitación en las superficies de las palas. Al situar el generador por encima de la superficie del agua se reduce la posibilidad de que el agua entre en contacto con la maquinaria eléctrica. Esto puede lograrse con un eje de transmisión suficientemente largo entre la turbina y el generador.

El escape de la turbina puede someterse a un acondicionamiento del flujo. Esto puede lograrse ubicando un tubo de tiro cónico hacia el exterior aguas abajo de la turbina formando un difusor. Esto ayudará a mantener una caída de presión reducida aguas abajo de la turbina, lo que aumenta la potencia que se puede extraer del flujo secundario. Para un aparato con tubos verticales que se extienden desde el colector horizontal, el caudal volumétrico se reduce a medida que el agua fluye hacia arriba en cada tubo venturi subsiguiente. El área de la sección transversal del colector puede reducirse a lo largo de la trayectoria del flujo para aportar una velocidad de flujo constante a lo largo del colector a un valor superior al valor crítico para la deposición de sedimentos. Esta condición de flujo también puede ayudar a evitar que se formen remolinos que desperdicien energía en el colector.

En otra realización, la turbina y el generador pueden diseñarse para que funcionen en sentido inverso como una bomba para expulsar cualquier residuo o contaminación del aparato. El tratamiento antiincrustante convencional y las herramientas de limpieza mecánica también pueden incorporarse al aparato para minimizar el efecto que las incrustaciones marinas y la sedimentación pueden tener en el rendimiento del aparato. Se pueden realizar variaciones a la invención. La ratio de aspecto del perfil de los tubos puede variarse para proporcionar el rendimiento óptimo de la matriz. La ratio de aspecto del perfil del tubo es la ratio entre la longitud L del perfil y la anchura W del perfil en su punto más ancho.

Pueden realizarse otras modificaciones dentro del alcance de la invención, la cual se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato para su instalación a lo largo de una masa de agua de tal manera que hay una caída de carga desde el lado aguas arriba hasta el lado aguas abajo del aparato para generar electricidad utilizando el flujo de agua en una masa de agua, que comprende:

- una matriz de tubos (10) espaciados entre sí, cada tubo (10) define un paso de flujo alargado (24) y tiene un lado aguas arriba (22) y un lado aguas abajo alargado (20), estando cada tubo provisto de una serie de orificios (26) espaciados a lo largo de al menos una parte de su longitud y el lado aguas abajo alargado (20) que se extiende y se estrecha desde el lado aguas arriba (22) donde los tubos están dispuestos uno al lado del otro de manera que las paredes opuestas de los tubos adyacentes definen una sección venturi (12) y una primera sección difusora (28) que se extiende aguas abajo de la sección venturi;

- un conducto de flujo (16) que tiene una entrada (32) y una salida (34);

- una turbina (18) ubicada en el conducto de flujo; y

- un generador o una bomba hidráulica conectados a la turbina;

donde los conductos de flujo (24) están conectados a la salida (34) del conducto de flujo de manera que un flujo primario de agua a través de las secciones venturi (12) hace que un flujo secundario de agua sea arrastrado a través del conducto de flujo (16) y salga a través de los orificios (26) con el flujo secundario de agua resultante impulsando la turbina (18), donde el lado aguas arriba (22) de cada tubo se extiende y se aleja elongándose de los orificios (26) para formar una forma alargada, de manera que cuando los tubos están dispuestos uno al lado del otro en una matriz, las paredes opuestas de los tubos adyacentes definen una segunda sección difusora que se extiende aguas arriba de la sección venturi, donde los orificios (26) están dispuestos de manera que el flujo secundario se une al flujo primario cuando sale de los tubos (10) a través de los orificios, y donde los tubos (26) están dispuestos horizontalmente.

2. Un aparato como el reivindicado en la reivindicación 1, donde el pro-perfil del lado aguas arriba y el perfil del lado aguas abajo son sustancialmente iguales.

3. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde el perfil del extremo frontal del lado de aguas arriba tiene sustancialmente forma de V.

4. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el perfil de cada tubo es sustancialmente hexagonal o sustancialmente elíptico.

5. Un aparato como el reivindicado en cualquier reivindicación anterior, donde la superficie exterior de cada tubo que define la sección difusora es rugosa para inducir un flujo turbulento a través de la sección difusora.

6. Un aparato como el reivindicado en cualquier reivindicación anterior que comprende además un elemento espaciador ubicado dentro de la sección difusora.

7. Un aparato como el reivindicado en la reivindicación 6, donde el elemento espaciador es movible dentro de la sección difusora en relación con cada tubo.

8. Un aparato como el reivindicado en cualquier reivindicación anterior, donde el extremo del lado aguas abajo de cada tubo comprende una pluralidad de orificios.

9. Un aparato como el reivindicado en la reivindicación 8, donde el lado aguas abajo comprende una válvula de control de flujo, la válvula de control de flujo proporciona una trayectoria del flujo entre el lado aguas abajo y el paso de flujo.

10. Un aparato como el reivindicado en cualquier reivindicación anterior, donde cada tubo está conectado a un colector vertical; el colector está conectado al conducto de flujo.

11. Un aparato como el reivindicado en la reivindicación 10, donde cada colector comprende una serie de cámaras, cada una de las cuales está situada junto al extremo de un paso de flujo; y un tubo alimentador que se extiende desde la cámara y tiene una entrada ubicada debajo de la serie de cámaras.

12. Un aparato según cualquier reivindicación anterior que comprende además al menos un tabique vertical que se extiende entre tubos adyacentes.

13. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además una tapa sifónica que se extiende desde el lado aguas abajo del aparato.

14. Un aparato como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los orificios comprenden un mecanismo de cierre operable entre una posición abierta y una posición cerrada, de manera que cuando el mecanismo está en posición cerrada se impide que el agua fluya a través de los orificios.

15. Un aparato según la reivindicación 14, donde cada orificio tiene un mecanismo de cierre controlable individualmente.

16. Un método para generar electricidad a partir de un flujo de marea o de corriente que comprende la provisión del aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 en un flujo de agua; permitir que un flujo de marea o de corriente fluya a través del venturi, y permitir que un flujo secundario fluya a través del conducto de flujo y accione la turbina.