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MX2008012652A - Produccion de electricidad a partir de fuentes de energia de baja temperatura. - Google Patents

Produccion de electricidad a partir de fuentes de energia de baja temperatura.

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MX2008012652A
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Abstract

La invención se refiere a un sistema para producir energía a partir de un fluido de transferencia de calor (4), que comprende un generador de electricidad (13) relacionado con una turbina (2) suministrado con una corriente de aire (30) admitida en la base de una torre; la torre está equipada con varias etapas de álabes (40) aseguradas a una flecha central (2) impulsando el generador y, alternándose con éstos, las etapas intercambiadoras de calor (10); dichas álabes se impulsan por medio de la elevación de aire que se calienta a medida que se eleva a través de la torre, creando así un viento vertical artificial; el fluido de transferencia de calor (4) se alimenta en los intercambiadores de calor (10) fluyendo hacia abajo a través de éstos en un nivel más alto.

Description

PRODUCCION DE ELECTRICIDAD A PARTIR DE FUENTES DE ENERGIA DE BAJA TEMPERATURA MEMORIA DESCRIPTIVA Esta invención se refiere a una disposición y a un procedimiento para la explotación de fuentes de energía de baja temperatura con producción de electricidad mediante viento artificial y turbinas de velocidad media. En la actualidad, las fuentes de energía seguras que se utilizan para la producción de electricidad son esencialmente aquellas de viento, con uso de molinos de viento de gran diámetro. La selección de grandes diámetros se basa en el hecho de que la energía que puede ser recolectada se basa en la superficie de recolección, en otras palabras, el cuadrado del diámetro de las aspas del molino de viento. Sin embargo, esta sensata selección tiene sus límites debido a que el incremento en la inercia del sistema con el incremento del diámetro (y del número de aspas) hace que se pierda la recuperación de energía de bajas velocidades de viento (la velocidad mínima a partir de la cual el molino de viento puede producir corriente incrementa). No obstante, esta energía también se basa en el cubo de la velocidad del viento, pero el hombre no controla ni la velocidad del viento ni la dirección del mismo. Mientras más grande sea el diámetro, más alto será el molino de viento. El momento de flexión en el conector (en la base) del pilón de soporte será importante y hará necesario "bombear" los molinos de viento para disminuir velocidades, lo cual reduce en gran medida la "ventana" de vientos utilizables. Actualmente existe un gran número de publicaciones referentes al uso de un fenómeno conocido desde hace tiempo, el cual es la elevación de aire caliente. Estas publicaciones describen dispositivos que hacen posible recoger la energía de estos vientos artificiales mediante el uso de "molinos de viento" o turbinas dentro de un tipo de chimenea con un efecto de corriente de aire, cuyo beneficio principal es tener un viento de dirección constante. A manera de ejemplo, es posible citar los documentos de patentes GB 2302139, DE 19831492 y DE 3636248. Sin embargo, el costo beneficio de sistemas similares, no ha permitido hasta la flecha sus aplicaciones. Esta situación podría cambiar con base en el incremento de los precios por barril de petróleo. El desempeño de las instalaciones se convertirá entonces en un factor predominante. Esta invención tiene como su objetivo proponer un sistema mejorado, más flexible que permita que se recupere más energía al transformar el sistema de "molino de viento" en un sistema particular de "turbinas". Los molinos de viento actualmente utilizados están limitados a velocidades de viento inferiores a 80 o 90 km/h, por las razones arriba explicadas.
Las velocidades "clasificadas" generalmente están en el orden de 20 a 30 km/h. Las turbinas de gas operan cuando tienen velocidades de gas mucho más altas, generalmente subsónicas en el orden de 800 km/h (los motores de aeronaves pueden exceder la velocidad del sonido), y los rendimientos son significativamente mayores. Por su parte, el sistema que se presenta a continuación se localiza en un nivel de velocidad intermedio (en el orden de 100 a trescientos km/h) y, de acuerdo con una característica primaria, utiliza varias etapas de aletas (y no molinos de viento) que mejoran significativamente el rendimiento. Por lo tanto, esta invención se refiere a un sistema de ese tipo. En general, la invención en realidad tiene como su objetivo proponer un sistema que esté diseñado para producir electricidad a través de medios mecánicos a partir de la recuperación de calorías transportadas dentro de un sistema de intercambiadores térmicos ajustados a varias etapas, es decir, de una manera fraccionada. Las otras características se describen en las reivindicaciones anexas. Las etapas están interpuestas entre estas etapas de ¡ntercambiador térmico establecidas, y dichas etapas comprenden aletas o aspas aseguradas en un eje central, vertical y giratorio, un eje que se extiende hacia abajo hasta convertirse en el eje de un generador de electricidad localizado en la parte inferior.
De acuerdo con un aspecto de la invención, se puede obtener una aceleración más o menos importante de velocidad al proveer una sección de admisión de aire (en la base) que es significativamente mayor que la sección de descarga de aire (en la parte superior). A continuación se describe una modalidad solamente a manera de ejemplo, mediante referencia a los dibujos anexos en los cuales: La figura 1 muestra una sección media vertical de una disposición de acuerdo con la invención; y las figuras 2 y 3 muestran un corte horizontal de una etapa de aspas (plano A de la figura 1) que se presenta en dos modalidades: múltiples aspas y múltiples aspas recubiertas. La selección se realiza con base en las dimensiones de la instalación y las velocidades de viento alcanzadas. El sistema está formado por una torre que consiste en dos cilindricos concéntricos 1 , 2 que tienen el mismo eje vertical central 20. Una corriente de aire artificial 30, la cual es una corriente ascendente de aire caliente, se obtiene del contacto del aire con las paredes metálicas estacionarias de intercambiadores térmicos 10 (sistemas con aletas) que se localizan en varias etapas de la torre (por ejemplo, nivel del suelo y "etapas impares"), colocadas entre el cilindro exterior 1 y el cilindro exterior 2. El nivel de calentamiento del aire 30 a nivel del suelo representa el primer nivel de calentamiento 9 (en realidad un "precalentamiento") en el lugar en donde la sección anular 7 de la entrada de aire es mayor que la salida 8, por lo tanto la aparición dé un fenómeno de aceleración. En este nivel, el aire es precalentado en 9 antes de pasar a través del intercambiador 10a de la primera etapa E1 para ser calentado nuevamente antes de penetrar la etapa E2, la del primer nivel de aspas de turbina. Las "etapas pares" son móviles y giran alrededor del eje central vertical 20 de la torre, constituyendo de esta manera la parte de "turbina" del sistema. Estas consisten en aletas o aspas 40 de turbinas, soldadas en el cilindro interior 2 del sistema a manera de ser impulsadas por un movimiento giratorio producido por la fuerza del aire caliente 30 que se eleva a velocidades que pueden ser mucho más altas que aquellas de las velocidades clasificadas de los molinos de viento. Los intercambiadores 10 están asegurados directamente al cilindro exterior 1 y pueden estar escalonados o montados si es necesario - en casos de dimensiones grandes - en el eje central por medio de un soporte de cojinete de bolas 12 o una disposición equivalente (debido a que el eje será elaborado para girar y los intercambiadores térmicos son estacionarios). En contraste, las aletas - aspas de turbina 40 están aseguradas directamente y de preferencia solamente al cilindro interior 2, exactamente como las aletas de una turbina en su soporte giratorio, Sin embargo, la figura 1 ilustra el caso en donde los extremos de las aspas descansan en ménsulas anulares 3. El refrigerante 4, que circula en conductos térmicamente aislados, es llevado al intercambiador que está más arriba 10d y desde ahí, baja nuevamente para suministrar, de manera sucesiva y en orden, a los otros intercambiadores 10c, 10b y 10a, iniciando desde el que está más arriba hacia el que está más abajo. Esta circulación del líquido 4 se realiza de manera natural, como la circulación natural del agua caliente derivada del calentamiento central de un edificio, pero puede ser "asistida" por una o más bombas de circulación que proveerán un ritmo constante al movimiento. En su descenso, el refrigerante 4 pierde sus calorías poco a poco, y dichas calorías son transferidas al aire circundante. El aire que es llevado al fondo del sistema está a la temperatura del aire exterior y tiene el mismo grado de higrometría. Tras el contacto con las aletas del primer intercambiador (precalentamiento) a nivel del suelo en donde circula el refrigerante, que ya ha perdido una buena porción de su temperatura, el aire es precalentado. Como resultado, se expande, creando así una sobrepresión que empuja este aire hacia arriba a través de dichas aletas de precalentamiento a modo de pasar a través del intercambiador térmico de etapa E1 y luego las aspas 40 de la turbina en la etapa E2. Como resultado, habrá una transferencia de energía mediante la creación de un movimiento circular del cilindro central 2, que se manifiesta como una liberación de presión y una reducción de temperatura del aire. Posteriormente el aire se moverá a la etapa impar E3, en donde se pondrá en contacto con otros ¡ntercambiadores térmicos en donde circula el refrigerante, el cual tiene una temperatura que es superior a la de la etapa E1. De esta manera, el ciclo inicia nuevamente: calentamiento adicional, nueva sobrepresión, paso a través de las aletas de etapa E4, movimiento giratorio adicional impartido al eje, liberación de presión, y reducción de la temperatura del aire. Será entonces hasta llegar a la última turbina, en donde después de haber cedido una porción de su energía, el aire caliente será evacuado hacia la atmósfera. Es evidente que este sistema permite un mejor uso del aire cuando pasa el primer nivel de rotación (el cual "desvía" el bloqueo descrito por Besse). En su principio, el sistema es similar a aquel de turbinas de ciclo combinado que tienen un rendimiento general mucho mayor que las turbinas individuales. La suma de las tensiones transmitidas a las aspas de la turbina se acumulará entonces para impartir al cilindro central 2 (el rotor del sistema) un movimiento giratorio que, a través del generador que se localiza en su pedestal en la base de la torre, proveerá una corriente eléctrica que es importante debido a que está basada en la velocidad de rendimiento (a través de lo cual la energía se basa en el cubo de esta velocidad). Cabe señalar que en su rotación, el generador 13 liberará calor. Dada la posición del generador en la torre, es obvio que este calor será transmitido al aire ambiental, recuperando de esta manera una cantidad de energía que puede ser estimada en dos por ciento para un caso particular.
Con el objeto de poder utilizar este sistema de manera permanente cuando sea necesario, es posible proveer un medio de almacenamiento para el refrigerante, por ejemplo en tanques térmicamente aislados. El calor del refrigerante se puede obtener de diversas fuentes, por ejemplo una fuente geotérmica, sensores solares o la recuperación de calor derivado de un procedimiento industrial. Por ejemplo, cuando la energía solar se utiliza para calentar el refrigerante 4, el líquido puede ser calentado durante el día en un circuito que está separado de aquel de la operación diaria y almacenado en uno o más tanques a modo de ser utilizado durante la noche (el aire exterior siendo más frío, esto proveerá en consecuencia un mejor rendimiento, el cual compensará al menos parcialmente las pérdidas originadas por el enfriamiento del refrigerante durante su almacenamiento). Cuando se utiliza energía geotérmica para calentar el refrigerante, el calentamiento y el almacenamiento se realizarán ventajosamente de manera diferente: el refrigerante consiste en agua ordinaria que circula en tuberías con aletas alineadas con el fondo de la mina, tuberías cuya superficie exterior está protegida contra ataques químicos, por ejemplo, con una pintura adecuada. Debido a que lleva una cierta cantidad de tiempo "bombear" las calorías de la mina hacia el refrigerante, será suficiente proveer varias redes de tuberías. Por ejemplo, si se necesitan 16 horas para llevar el refrigerante a la temperatura del agua del fondo de la mina (por ejemplo, 80°C), será entonces suficiente proveer tres redes de tuberías (8 horas para "vaciar" las calorías de una red y 16 horas para recuperarlas en el fondo de la mina, a través de lo cual durante estas 16 horas, las otras dos redes entran al relevo). De esta manera, tres redes permiten una operación de 24 horas. Dada la consistencia de la velocidad rotacional (ajustable mediante simple ajuste de la velocidad de flujo del refrigerante), la corriente eléctrica que se obtiene es síncrona y, con una regulación simple (y existente), se puede enviar directamente al circuito de distribución, ya sea de voltaje bajo medio o alto. Por lo tanto, la invención describe un sistema para transmisión y recuperación fraccionada de la energía de un refrigerante que ocasiona un viento artificial que es particularmente flexible y efectivo. Se entenderá que se pueden proveer diversas variantes al dispositivo de la invención descritas más adelante sin exceder el alcance de la invención. De esta forma, es posible proveer, en particular al inicio, medios para acoplamiento gradual de diferentes niveles de aspas con respecto al rotor.

Claims (13)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES
1.- Un sistema para producir energía a partir de un refrigerante (4) que comprende un generador de electricidad (13) combinado con una turbina (2) suministrada por un flujo de aire (30) que es admitido en la base de una torre, caracterizado porque la torre está equipada con diversas etapas de aspas (40), integrales con un eje central (2) que impulsa el generador y, de manera alterna, etapas de intercambiador térmico (10), con lo cual dichas aspas son impulsadas por la elevación de aire calentado a medida que se eleva en la torre, con lo cual el refrigerante (4) suministra los ¡ntercambiadores térmicos (10) al descender a través de estos últimos desde aquel que se localiza en el nivel más arriba.
2.- El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la torre y el eje son cilindricos y coaxiales.
3.- El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque los intercambiadores (10) se aseguran al cilindro exterior (1) mediante escalonamiento.
4.- El sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque los extremos interiores de los intercambiadores descansan en el eje central por medio de un cojinete de bolas o un medio equivalente.
5. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque las aspas son de tipo recubierto.
6. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la entrada de aire en la base de la torre comprende un sistema de precalentamiento, de preferencia a través de dicho refrigerante.
7. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque comprende entre 3 y 10 etapas de intercambiadores de aspas (40) localizadas entre etapas del intercambiador (10).
8. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la sección de admisión de aire (7) en la base de la torre es esencialmente mayor que la sección de descarga de aire (8) en la parte superior de la torre.
9. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque comprende un dispositivo para almacenar refrigerante.
10. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el calor del refrigerante (4) se obtiene de un sensor solar o una fuente geotérmica.
11. - El sistema de conformidad de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque la fuente de calor es geotérmica y en donde se proveen tres redes de tuberías colocadas en el fondo de una mina, las cuales opcionalmente pueden o no ser utilizadas.
12. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el refrigerante es agua.
13. - El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la corriente eléctrica que se produce es síncrona.
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