Aerogenerador globo.

1. Máquina transformadora de energía eólica en eléctrica que utiliza un cilindro hidráulico de simple efecto como intermediario en el proceso de conversión de la energía,

se caracteriza por un globo con helio (1) unido por la válvula de llenado a un cable de tracción (2) que se une por su otro extremo al vástago (8) del cilindro hidráulico de simple efecto con retorno por resorte (10), el cilindro está colocado y fijado verticalmente en el interior del depósito (5) mediante tornillos (25), a su vez estos mismos tornillos (25) pueden anclar el depósito (5) al suelo, el depósito (5) está sometido a presión atmosférica, y lleno de agua por lo menos tres centímetros más bajo que el nivel donde se sitúa la turbina Pelton (19), el cable de tracción (2) pasa por unas poleas cóncavas (4) situadas en la parte superior del depósito (5) y están alineadas con el eje de tiro del vástago (8) del cilindro hidráulico, el movimiento de vaivén del pistón (11) es debido a la fuerza con la que es arrastrado el globo (1) por el viento en su carrera ascendente, y por la fuerza que ejerce el resorte (10) en su carrera descendente.

En la parte superior del cilindro hidráulico, dentro de la cámara de compresión (12) se dispone de una válvula de clapeta (23) que comunica con el acumulador de presión (15), el acumulador de presión (15) es de tipo resorte y mantiene la presión de funcionamiento de la turbina (19) constante, conectado en la parte inferior del acumulador (15) está el inyector (18) que dispone de una válvula antirretorno que imposibilita la entrada de aire al acumulador (15) cuando éste no tenga presión, el inyector apunta al suelo para que el chorro de fluido incida perpendicularmente a los alabes de la turbina Pelton (19), la cual está situada entre el nivel del agua que contiene el depósito (5) y el acumulador de presión (15), solidario al eje de giro de la turbina (19) está el generador eléctrico.

2. Cilindro hidráulico según reivindicación 1 caracterizado porque tiene como base inferior un tronco de cono (24) con grandes agujeros que permite un llenado rápido de agua de la cámara principal (14) al apoyar en el fondo del depósito (5). El vástago (8) del cilindro hidráulico es de pequeño diámetro si lo comparamos con el émbolo (11), el resorte (10) apoya por su parte inferior sobre el émbolo en la zona próxima al perímetro exterior, entre el resorte (10) y el vástago (8) se sitúan perimetralmente varias válvulas de clapeta (22) que comunican ambos lados del émbolo (11), es decir, ambas cámaras (12) y (14), en las carreras descendentes estas clapetas (22) se abren permitiendo el llenado de la cámara de compresión (12), mientras que en las carreras ascendentes se cierran debido a la presión.

SECTOR DE LA TÉCNICA

Es conocido ampliamente los aerogeneradores de palas (eje horizontal) que copan el 99% del mercado eólico, también residualmente hay aerogeneradores urbanos de eje vertical que disponen de una superficie de incidencia del viento, son los denominados Darrieus y Savonius.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Dispositivos que sean aerohidroeléctricos como pilar fundamental de su funcionamiento conozco el Conversor Aerohidráulico del cual soy inventor y cuyo número de solicitud es 201000667, también se que con posterioridad patentaron un dispositivo de características similares denominado comercialmente como Saphonian. Estos dispositivos precisan de mecanismos de orientación de la superficie de captación de viento, el presente aerogenerador globo es omnidireccional (no precisa de mecanismos de orientación para captar las 3 componentes del vector viento).

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Dispositivo generador de electricidad que admite vientos turbulentos omnidireccionales, consta de un globo lleno de helio (1) atado con un cable de tracción (2) (ver Fig.1), dicho cable pasa por unos rodamientos cóncavos (4) asentados en la estructura (5) antes de engancharse al cilindro hidráulico, esto sirve para transformar el tiro del globo omnidireccional en un tiro alineado con el vástago (8) del cilindro hidráulico.

El pistón del cilindro hidráulico (11) dispone de válvulas de clapeta (22) de fibra de carbono para que tengan la menor inercia posible, estas están ubicadas por el perímetro del vástago (8) y se abren en los ciclos de expansión facilitando el llenado cámara de compresión (12), cuando se inicia el tiro del cable (2) (ciclo de compresión) aumenta la presión en la cámara de compresión (12), cerrándose las válvulas de clapeta del pistón (22) y abriéndose la clapeta grande que hay en la parte superior de la cámara de compresión (23) que comunica con el acumulador de presión (15), trasvasando el fluido desde el cilindro hidráulico hasta el acumulador de presión (15). Este ciclo se produce con aceleraciones de viento positivas.

Cuando la aceleración del viento es negativa y la fuerza con la que tira el cable (2) sea inferior a la fuerza con la que se opone el resorte (10), este empezara a expandirse desplazando el pistón (11), lo que implica que la cámara de compresión (12) se va haciendo cada vez mayor, generando vacío, entonces se abren las clapetas perimetrales del pistón (22) iniciándose el llenado de la cámara de compresión (12), la cual permanecerá cerrada en su parte superior por la clapeta grande (23) que comunica con el acumulador de presión (15), dado que la presión del acumulador (15) es mayor que el de la cámara de compresión (12), entonces se cierra la clapeta (23) contra su asiento.

Las variaciones de velocidad y dirección de soplado del viento imprimen en el globo (1) diferentes fuerzas de tiro que son transmitidas al cilindro hidráulico, el cual produce bombeo de fluido a borbotones, el fluido sale del cilindro hidráulico al acumulador de presión (15), el cual almacena grandes cantidades de fluido a presión, absorbiendo las fluctuaciones que produce el cilindro hidráulico y transformando el flujo a borbotones en un flujo estacionario (continuo) ver Fig.5.

El acumulador de presión (15) comunica con el inyector (18) para que el fluido a alta presión impacte en los alabes de la turbina Pelton (19), el generador eléctrico acoplado en el mismo eje que la turbina hidráulica (19) gira y produce electricidad.

En el inyector (18) hay una electroválvula que regula el caudal de salida hacia la turbina (19) en función de la presión del acumulador (15), su funcionamiento se ciñe a curvas de eficiencia del grupo turbina-generador.

En campos eólicos en extensión (Fig.2 y Fig.3) se montan múltiples globos (1) con sus respectivas torres (5), los cables de tracción (2) salientes de la base de la torre (5) de cada uno de estos globos (1) pasa por una polea (6) que orienta el cable (2) al grupo hidráulico (3) (generalmente situado en el centro del parque eólico), el grupo se compone de un gran acumulador de presión (15), tantos cilindros hidráulicos como cables de tracción (2) halla y 3 o más turbinas (19) con sus generadores eléctricos (20), una para altos caudales, otra de medios caudales y otra de bajos caudales, maximizando la eficiencia del grupo electrohidráulico (3), ver Fig.7.

Para aumentar la fuerza de arrastre se emplean globos cúbicos (1), cuyo centro de cada cara se une con el centro de la cara opuesta por medio de cables de tracción (7), por ejemplo si el cubo mide 20 metros de arista, los cables de tracción (7) miden 14 metros cada uno, formando concavidades en las caras del globo (1) una vez se infle a presión, esta forma de globo (1) tiene un arrastre 3 veces superior a la de un globo esférico de misma área de sección transversal. Para los grandes parques eólicos usaremos globos cúbicos (1) de grafeno que no permitan la fuga de helio.

Los principios de funcionamiento de un pequeño aerogenerador globo monocilíndrico (Fig.1) y un parque eólico de 12 globos, son los mismos, es como comparar un motor monocilíndrico de un cortacésped con un motor V12 de Ferrari, elementalmente funcionan igual aunque mecánicamente tengan diferentes distribuciones.

Se puede usar el aerogenerador globo para desalinizar agua de mar y/o en combinación con la producción eléctrica, para ello se sustituye a la turbina (19) por un filtro de membrana del cual salen los diferentes tubos que transporten agua dulce a la red y salmuera al mar, el acumulador de presión (15) se diseñara de tal manera que siempre trabaje por encima de la presión osmótica, el resto de componentes es igual que una desalinizadora convencional donde la mayor parte del gasto es por conseguir elevar la presión del agua a la presión osmótica > 80 bares.

Los meses de invierno-otoño donde no hay problema de abastecimiento de agua y si que aumenta la demanda de electricidad puede funcionar como generador eléctrico, mientras tanto los meses de verano donde hay sequía y excedente de oferta eléctrica debido a que las placas solares producen a máximo rendimiento funcionaría como desalinizadora. Los aerogeneradores globo se pueden instalar tanto en tierra como en mar.

Ventajas:

a) Coste de fabricación reducido:

- Uso de torres en celosía o arriostradas.

- Globos económicos.

- Comparte elementos caros entre varios aerogeneradores globo como: acumulador de presión, turbinas hidráulicas, generadores eléctricos, transformadores...

b) Bajo mantenimiento (centralización a ras de suelo de la instalación hidroeléctrica).

c) Instalable en la mayor parte del territorio al funcionar con vientos turbulentos de +0.5 m/s.

d) Instalable en entornos urbanos:

- No produce efecto shadow flicker que afecta a las personas con epilepsia.

- No produce contaminación acústica al no tener palas que corten el viento.

- Se puede financiar la instalación usando publicidad en el globo.

e) Ventajas medioambientales:

- No mata a las aves al no tener palas que las golpee.

- No crea interferencias en ondas de radio, TV, telefonía...

-Montaje más compacto (no se ven afectados por el efecto estela de los aerogeneradores convencionales).

- Para obtener la misma producción anual de energía que un parque eólico convencional necesita menos de la mitad del terreno, al tener una eficiencia mucho mayor.

- Cuanto más grandes sean los globos mayor estabilidad tienen y pasan más desapercibidos al ojo humano, se puede fabricar de materiales transparentes.

f) Mayor producción eléctrica:

- Eficiencias de más del doble que en aerogeneradores convencionales, no tiene que cumplir la ley de Betz.

-Se pueden alcanzar grandes alturas donde la velocidad del viento es mayor simplemente haciendo un cable de tracción más largo.

-Aprovecha las 3 componentes del vector viento que como poco dan un 40% extra de energía, al ser la potencia proporcional al cubo de la velocidad del viento.

g) Fácil montaje e instalación.

h) Fácil de transportar al ser las torres en celosía o arriostradas (no tienen que aguantar grandes esfuerzos ~> son estrechas), el globo se transporta plegado en un tráiler, y el helio se lleva en camiones cisterna.

i) Vida útil de 30 años (salvo cables de tracción), los convencionales 20 años debido a que estructuralmente se dañan los componentes por esfuerzos de fatiga generadas por las turbulencias, en el aerogenerador globo los esfuerzos de fatiga son absorbidos por el fluido.

Cálculos:

a) Potencia

Partimos de la segunda ley de Newton --> F=m*a

1. Máquina transformadora de energía eólica en eléctrica que utiliza un cilindro hidráulico de simple efecto como intermediario en el proceso de conversión de la energía, se caracteriza por un globo con helio (1) unido por la válvula de llenado a un cable de tracción (2) que se une por su otro extremo al vástago (8) del cilindro hidráulico de simple efecto con retorno por resorte (10), el cilindro está colocado y fijado verticalmente en el interior del depósito (5) mediante tornillos (25), a su vez estos mismos tornillos (25) pueden anclar el depósito (5) al suelo, el depósito (5) está sometido a presión atmosférica, y lleno de agua por lo menos tres centímetros más bajo que el nivel donde se sitúa la turbina Pelton (19), el cable de tracción (2) pasa por unas poleas cóncavas (4) situadas en la parte superior del depósito (5) y están alineadas con el eje de tiro del vástago (8) del cilindro hidráulico, el movimiento de vaivén del pistón (11) es debido a la fuerza con la que es arrastrado el globo (1) por el viento en su carrera ascendente, y por la fuerza que ejerce el resorte (10) en su carrera descendente.

En la parte superior del cilindro hidráulico, dentro de la cámara de compresión (12) se dispone de una válvula de clapeta (23) que comunica con el acumulador de presión (15), el acumulador de presión (15) es de tipo resorte y mantiene la presión de funcionamiento de la turbina (19) constante, conectado en la parte inferior del acumulador (15) está el inyector (18) que dispone de una válvula antirretorno que imposibilita la entrada de aire al acumulador (15) cuando éste no tenga presión, el inyector apunta al suelo para que el chorro de fluido incida perpendicularmente a los alabes de la turbina Pelton (19), la cual está situada entre el nivel del agua que contiene el depósito (5) y el acumulador de presión (15), solidario al eje de giro de la turbina (19) está el generador eléctrico.

2. Cilindro hidráulico según reivindicación 1 caracterizado porque tiene como base inferior un tronco de cono (24) con grandes agujeros que permite un llenado rápido de agua de la cámara principal (14) al apoyar en el fondo del depósito (5). El vástago (8) del cilindro hidráulico es de pequeño diámetro si lo comparamos con el émbolo (11), el resorte (10) apoya por su parte inferior sobre el émbolo en la zona próxima al perímetro exterior, entre el resorte (10) y el vástago (8) se sitúan perimetralmente varias válvulas de clapeta (22) que comunican ambos lados del émbolo (11), es decir, ambas cámaras (12) y (14), en las carreras descendentes estas clapetas (22) se abren permitiendo el llenado de la cámara de compresión (12), mientras que en las carreras ascendentes se cierran debido a la presión.