Minicentral hidroeléctrica reversible, basada en un sistema mecánico provisto de una red de tuberías con válvulas de control que unen el embalse de acumulación de agua para el turbinado con dos depósitos inferiores de tipo cilindro-pistón,

uno fijo con émbolo y otro móvil entre guías de deslizamiento, unido por su base al émbolo del primero mediante un balancín con brazo de palanca desigual, que funciona cíclicamente por emboladas o periodos de admisión-impulsión a medida que los depósitos se van llenando y vaciando con agua de forma sincronizada. El dispositivo permite retornar al nivel superior al menos el 50% del agua que se ha turbinado en cada ciclo, lo que supone un alto rendimiento energético; el resto puede ser retornada al embalse mediante una bomba de impulsión alimentada por una fuente de energías renovables, fotovoltaica y/o eólica, lo que implica nula contaminación ambiental

Minicentral hidroeléctrica reversible de alto rendimiento energético y nulo impacto ambiental.

La presente invención, como su propio título indica, tiene por objeto una minicentral hidroeléctrica reversible que consigue un alto rendimiento energético con un nulo impacto ambiental, en cuanto a contaminación en funcionamiento.

Se trata de un nuevo prototipo de minicentral hidroeléctrica reversible, es decir, una central con potencia inferior a 5.000 KW que funciona mediante un circuito cerrado de agua, sin consumo ni vertido de la misma, basado en un sistema mecánico provisto de una red de tuberías con válvulas de control que unen el embalse de acumulación de agua para el turbinado hidráulico con dos depósitos inferiores de tipo cilindro-pistón, uno fijo con émbolo y otro móvil entre guías de deslizamiento, unido por su base al émbolo del primero mediante un balancín con brazo de palanca desigual, que funciona cíclicamente por emboladas o periodos de admisión-impulsión a medida que los depósitos se van llenando y vaciando con agua de forma sincronizada.

El dispositivo permite retornar al nivel superior al menos el 50% del agua que se ha turbinado en cada ciclo, a modo de "volante de inercia". El resto de agua debe ser retornada al embalse mediante una bomba de impulsión, la cual es alimentada en este caso por una fuente de energías renovables, como energía fotovoltaica y/o eólica, dado el volumen relativamente pequeño que debe ser bombeado.

Se tiene, por tanto, un prototipo de minicentral reversible con autonomía optimizada a más del 50%, al recuperar la planta más de la mitad del volumen de agua requerida para su funcionamiento sin necesidad de energía exterior, lo que supone una alto rendimiento energético, y de nulo impacto ambiental, al poderse recuperar el resto de agua, la procedente del vaciado del depósito secundario, mediante un sistema de energías renovables. Una minicentral que puede funcionar de forma continua, o por cargas, con función de acumulación de energía en las horas de baja demanda.

La invención encuentra amplia aplicación en el campo de las instalaciones hidráulicas y, en particular, dentro de las minicentrales hidroeléctricas reversibles, de uso cada vez creciente, ofreciendo solución al bajo rendimiento energético que estas instalaciones conllevan y a los problemas contaminantes generados por muchas de ellas.

Estado de la técnica

Uno de los principales factores que determinan la evolución económica, tecnológica y social del mundo actual es la energía. En la actualidad, puede considerarse generalizado el convencimiento de que los recursos naturales y el equilibrio que gobierna el planeta no soportan el continuo y constante aumento del consumo de energía que caracteriza el momento presente. A pesar de dicha concienciación, el actual sistema energético está basado en la generación de energía a partir de combustibles fósiles. Según las conclusiones de la Cumbre de Johannesburgo (Naciones Unidas. Departamento de Información pública, 2002) el porcentaje total de energía producida y consumida en el mundo cuyo origen son los combustibles fósiles era en el año 2000 del 80%. En el año 1971 dicha cifra ascendía al 86% por lo que se observa en el último tramo del siglo XX la disminución del consumo de los combustibles fósiles. Esta reducción es consecuencia en mayor medida de la búsqueda, el desarrollo y la implantación de fuentes de energía que solventen los problemas que plantean este tipo de combustibles: la escasez de las materias primas y los costes medioambientales. Son las denominadas energías renovables. Se caracterizan por ser inagotables o de disponibilidad continua al estar originadas por fenómenos físicos de gran envergadura como la radiación solar, la geotérmica o las mareas. El consumo de tales "materias primas" no supone una agresión al medioambiente.

La energía hidroeléctrica es, sin lugar a dudas, la principal energía renovable.

Ya desde la antigüedad, se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos.

Más recientemente, hace más de un siglo, se aprovecha la energía hidráulica para generar electricidad, y de hecho fue una de las primeras formas que se emplearon para producirla.

El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable, constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica.

Según la International Hydropower Association, IHA, 2008, un sexto de toda la energía eléctrica consumida en el mundo es de origen hidroeléctrico. Este tipo de energía todavía presenta un campo muy amplio de desarrollo y crecimiento, sobre todo en países en vías de desarrollo, que ven en el aprovechamiento energético del agua el medio idóneo para posibilitar su progreso. Una de las principales ventajas que presentan los aprovechamientos hidroeléctricos es que permiten dar solución conjuntamente a otro problema importante: la falta de agua. La construcción de la presa necesaria para el salto hidroeléctrico genera un embalse que puede ser explotado no sólo con fines energéticos sino para el consumo humano o el abastecimiento de sistemas de regadío.

En muchos casos el embalse permite laminar avenidas producidas por lluvias torrenciales de forma que se evitan inundaciones. Desde el punto de vista de la operación del sistema eléctrico, la energía producida hidroeléctricamente contribuye de forma destacada a la regulación del mismo; por ello se trata de una energía de "calidad". El balance de potencias en el sistema eléctrico debe ser garantizado en todo momento, de modo que la potencia demandada sea inmediatamente satisfecha y tanto la frecuencia como el voltaje de la red permanezcan en torno a los valores nominales. Las turbinas hidráulicas permiten variar la carga inmediatamente en un extenso rango, en condiciones de estabilidad y seguridad. Esto posibilita una variación notable de la potencia producida sin que esto implique una modificación de la frecuencia o la tensión de la red. Otras fuentes de energía como la nuclear o la térmica presentan una inercia muy superior lo que las incapacita para esta labor.

Otro factor a favor de las centrales hidroeléctricas es su dilatada vida útil. La obra civil que comprende la presa y los órganos de desagüe pueden permanecer operativos durante muchos años mientras que la turbina y el alternador, que se deterioran con mayor facilidad, pueden ser sustituidos. Esto posibilita el aprovechamiento de la evolución y mejoras procedentes del continuo desarrollo que experimenta este campo de la técnica.

La flexibilidad que presentan, tanto la magnitud de la potencia instalada, como las prestaciones que ofrecen este tipo de centrales, es otro de los factores a favor de la generación hidroeléctrica. Existen diferentes configuraciones de central en función de las características del emplazamiento, del tipo de demanda que se pretende satisfacer o de los usos, además del hidroeléctrico, que se prevén para el embalse. Esto conduce a un amplio abanico de posibilidades.

Si se catalogan las centrales a partir de su funcionalidad, las centrales de puntas constan con grandes embalses que les permiten regular la potencia, turbinando en el momento deseado el caudal preciso. En cambio, las presas de las centrales fluyentes tienen por misión crear salto y/o remansar el agua, pero su embalse es reducido, por lo que se turbina prácticamente el caudal procedente del río.

Desde el punto de vista de la potencia existen centrales que superan los 1.000 MW, mientras que las denominadas minicentrales no pasan de los 10 MW según la mayoría de las clasificaciones (Taylor & Upadhyay, 2005).

En países como en India el concepto de minicentral engloba hasta potencias de 25 MW y en China este valor asciende a los 50 MW. En España se denomina minicentral a todo salto hidroeléctrico cuya potencia no supere los 5.000 KW.

Las minicentrales hidroeléctricas están condicionadas por las características del lugar de emplazamiento. La topografía del terreno influye en la obra civil...

1. Minicentral hidroeléctrica reversible, del tipo de minicentral de potencia inferior a 5.000 KW con funcionamiento alternativo bombeo-turbinado de agua entre un embalse o depósito superior y otro inferior, que permite una autoalimentación indefinida sin necesidad de corriente fluvial, caracterizada por estar constituida por un depósito elevado (1) que hace las veces de embalse en planta industrial, por una turbina hidráulica (2) en el recorrido de bajada del agua, por dos depósitos inferiores con sistema de cilindro-pistón, uno fijo principal (3), con un émbolo (4) en su interior y sensor de nivel alto, que funciona por emboladas o periodos de admisión-impulsión, y otro móvil secundario (5), que actúa de contrapeso cuando se desplaza verticalmente entre las dos guías paralelas de deslizamiento entre las que se encuentra ubicado, estando el émbolo del depósito principal unido a la base del depósito secundario mediante un balancín con brazo de palanca desigual (6), por un segundo depósito de contrapeso (12) situado por debajo del émbolo (4) del depósito principal (3), y por una red de tres tuberías con su correspondiente sistema de válvulas, una tubería (7) de bajada del agua que alimenta a la turbina controlada por la válvula de paso V1 y que, aguas debajo de la turbina, se bifurca en dos salidas a los depósitos inferiores según la posición de las válvulas de paso V2 y V3, y dos tuberías de retorno del agua al embalse o depósito de alimentación superior, una (8) desde el depósito principal mediante válvula antirretorno (9) a este depósito por acción de las sucesivas emboladas y otra (10) del depósito secundario (5) mediante la válvula de paso V5 por acción de una bomba de impulsión (11), alimentada en su caso por una fuente de energía renovable, presentando esta segunda tubería de retorno (10) una derivación con una válvula V4 al segundo depósito de contrapeso (12), para su alimentación mediante acción combinada de las válvulas V4, en abierto, y V5, en cerrado.

2. Minicentral hidroeléctrica reversible según primera reivindicación, caracterizada porque estando en funcionamiento, con la válvula de salida V1 del embalse o depósito superior en estado abierto, se retorna a este nivel superior al menos el 50% del agua que se ha turbinado en cada ciclo sin consumo energético exterior, según un proceso que comprende las siguientes etapas:

- carga del depósito principal (3) con el agua turbinada desde el embalse (1), con el consiguiente descenso del embolo (4) hasta el nivel marcado por el sensor, a cuya señal se cierra la válvula V2 de descarga a este depósito y se abre la válvula V3 que da paso al depósito secundario (5),

- llenado del depósito secundario (5), con desplazamiento progresivo descendente del brazo largo de la palanca desigual (6) en cuyo extremo se encuentra sujeto a medida que aumenta el peso, con la consiguiente elevación del émbolo (4) del depósito principal (3), y flujo del agua contenida en este depósito por apertura de la válvula antirretorno (9) al depósito elevado o embalse (1),

- vaciado del depósito secundario (5) por apertura de la válvula V5, y flujo del agua al depósito elevado o embalse (1) por acción de la bomba de impulsión (11), con desplazamiento ascendente del brazo largo de la palanca desigual (6) en cuyo extremo se encuentra sujeto a medida que disminuye el peso, con el consiguiente descenso del émbolo (4) del depósito principal por llenado con el agua turbinada que descarga del embalse (1) por apertura simultanea de la válvula V2 y cierre de la válvula V3, facilitándose dicho descenso con parte del agua del depósito secundario (5) desviada al segundo depósito de contrapeso (12) por apertura de la válvula V4 y cierre simultáneo de la válvula V5, iniciándose de nuevo el ciclo.

3. Minicentral hidroeléctrica reversible según reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la bomba de impulsión (11) del agua de vaciado del depósito secundario al embalse o depósito superior se alimenta por una fuente de energía renovable del tipo eólico generada por molinos eólicos.