Un método y aplicación de un modelo de utilidad para incrementar pluviometría y humedad atmosférica en zonas seleccionadas de acuerdo a gradientes de temperatura, presión y humedad relativa.

MEMORIA DESCRIPTIVA

Sector Técnico

La presente invención se refiere a un método y modelo de utilidad para incrementar humedad atmosférica en zonas costeras con déficit de pluviometría. Más específicamente a la aplicación práctica de un método y aparato para generar y direccionar flujos atmosféricos con una elevada carga de vapor de agua y entregarla en zonas donde es necesaria, por medio de mecanismos de condensación tanto naturales como artificiales, de acuerdo a la ruta escogida.

Técnica Anterior

La necesidad en años recientes por el recurso hídrico se ha diversificado en necesidades urbanas y rurales, siendo estas últimas vitales para las primeras con su aporte continuo de alimentos, recursos y mano de obra. La importancia de regular y cuidar los aportes de agua, se aborda de manera multisectoñal, dando origen a las más diversas e ingeniosas soluciones.

La patente de invención DE 10 2020 003 910 A1 de fecha 30.12.2021 , titulada "Crystalline water storage and related method for creating a snow cover", de los inventores Robert Staudacher, Christian Wagner y Markus Lang, describe la formación de una estructura de hielo denominada Ice Stupa por su forma de trompeta invertida, creada a partir de agua rociada a temperaturas bajo cero desde una boquilla unida a la parte superior de un mástil. La presión de agua para generar el efecto atomizador de la boquilla se genera por la presión hidrostática de un reservoño localizado a mayor altura. Los Stupas de hielo se han usado en la región montañosa de Ladakh, India, aportando agua hasta los meses de verano.

La patente de invención JP5567594B2, de Oscilla Power Inc, de fecha 07.01.2009, titulada "Ocean wave energy harvesting method and apparatus", describe un método y aparato para generar electricidad mediante la conversión de la energía mecánica de las olas, utilizando la propiedad de magnetostricción.

La patente de invención US9688373B2, de Liquid Robotics Inc con fecha 12.06.2014, titulada " Watercraft equipped with a wave-powered electricity generating system and a deployable tow buoy", describe una embarcación híbrida que convierte el movimiento de las olas en fuerza impulsora por medios mecánicos y también convierte el movimiento de las olas en energía eléctrica para almacenarla en una batería.

La patente de invención US8102065B2 de Miles Hobdy con fecha 14.11.2008, titulada " Wave energy converter" , describe un convertidor de energía de las olas por medio de un péndulo que por inducción magnética genera energía eléctrica. La patente de invención JP5604310B2 de " con fecha

21.04.2011 , titulada "Wave energy plant", describe una planta de energía undimothz para extraer energía eléctrica del oleaje del agua, que es producida de forma intermitente con movimientos cíclicos en diversos grados. Por la alta densidad energética de las olas del océano, casi 1000 veces mayor que la densidad de energía en el viento, permite hacer funcionar pequeños convertidores de energía de las olas para su capacidad, por lo que cuesta menos. Además, al ser la energía de las olas más predecible que la energía eólica, da como resultado una variación lenta en la capacidad de energía promedio de la ola, lo que brinda ventajas al sistema cuando el convertidor de energía de las olas está conectado a la red de distribución de energía general.

La patente de invención US3567953A de Bruno Lord con fecha 10.03.1969, titulada " Tide-operated power plant", describe una planta de energía mareomotriz que consta de un generador eléctrico montado en un flotador, una línea de conducción para dicho generador, anclado con respecto al fondo del agua, por el cual el movimiento del flotador hacia arriba y hacia abajo impulsando el generador.

La patente de invención US9500176B2 de Brian L. Moffat con fecha 11.05.2010, titulada " Wave energy apparatus having a venturi shroud", Al acelerar el agua a través de un dispositivo venturi, maximize la cantidad de energía que un dispositivo extrae del océano.

El proyecto Fondecyt "Historia de los Bosques Relictos de Neblina y su Relación con los Cambios Climáticos Durante el Holoceno, en la Región Semiáñda de Chile" desarrollado por Maldonado A. y Marquet P., 2006. Describe la situación de los bosques de neblina pertenecientes a la Reserva de la Biosfera Fray Jorge, correlacionando períodos de crecimiento arbóreo estacional, índices de neblina y el fenómeno climático El Niño.

En conclusión, ninguna de las soluciones antes descritas entrega un dispositivo y método que permita generar un incremento sustancial y sostenido de la humedad atmosférica con base a fuerza mareomotriz y direccionar flujos atmosféricos con una elevada carga de vapor de agua, hacia zonas requeridas.

Divulgación De La Invención

Como primer objetivo de la invención es necesario desarrollar un método que permita obtener grandes cantidades de vapor de agua a nivel del mar, para luego ser dirigida tierra dentro. Es por esto que las principales variables que afectan los procesos evaporativos deben ser medidos para determinar la altura que alcanzará la columna de vapor de agua y la distancia que alcanzará desde su punto de origen. Estas variables son: temperatura del agua, temperatura de la atmósfera, presión atmosférica, vientos predominantes y biomasa vegetal tierra dentro.

Una vez ingresadas las nubes cargadas de humedad, se dirigen siguiendo, como señala Makarieva y Gorshkov (2006) el principio físico donde los flujos horizontales de aire y vapor de agua se dirigen desde áreas con menor evaporación hacia áreas con mayor evaporación. Es así que los ecosistemas de bosques naturales, son capaces de bombear la humedad atmosférica del océano en cantidades suficientes para el mantenimiento de las reservas óptimas de humedad del suelo. El efecto Foehn se produce al ascender la masa de agua por un relieve elevado, condensándose y el efecto de "Biotic Pump" dirige el ciclo hidrológico en tierra hacia la vegetación establecida.

Como segundo objetivo de la invención es ofrecer un modelo de utilidad del tipo boya náutica, que opera con el método descrito anteriormente, para crear por medio de energía mareomothz una aspersión continua que sature la atmósfera de vapor de agua y que al alcanzar un punto atmosférico con una temperatura por encima de la temperatura promedio del aire, se produzca su cambio de fase, de liquida a gaseosa integrándose a la atmósfera.

De los diversos modelos de boya náutica analizados, la mayoría de las patentes que pueden incorporar un mecanismo de pistón a su sistema de generación energética son factibles de utilizar, siendo la altura de la columna de agua eyectada, dispersión y tamaño de gota las variables para considerar rendimiento del equipo.

Breve Descripción De Los Dibujos

La figura 1 muestra diversos tipos de boyas productoras de energía por medio del aprovechamiento de la fuerza del oleaje.

La figura 2 muestra una boya marítima de amarre sencillo, con una barra de amarre con distintas posiciones para el enganche de cadena y con lastre regulable, permite compensar la inclinación de la boya sometida a la corriente imperante.

La figura 3 muestra un sistema básico de bombeo que permite impulsar volúmenes de agua por medio de un sistema de cilindro y palanca.

La figura 4 muestra la deriva de pulverización, que puede ser incrementada o disminuida por acción del viento.

La figura 5 muestra una boya marítima que cuenta con un mecanismo de aspersión para eyección y pulverización de agua de mar.

La figura 6 muestra, resumido, el efecto bomba biótica en superficie continental plana.

La figura 7 muestra la formación de bosques de neblina en zona costera con zona montañosa o escarpada.

La figura 8 muestra la carta Psicrométñca con los valores de temperatura de bulbo húmedo, temperatura de bulbo seco, y humedad relativa.

La figura 9 muestra la humedad en gramos por metro cúbico, en relación a la temperatura de saturación en grados Celsius.

La figura 10 muestra el modelo matemático "Atractor de Lorenz", donde en determinadas condiciones de presión y volumen un sistema caótico puede producir precipitaciones.

La figura 11 muestra la formación de un Atractor de Lorenz artificial, generado por un flujo continuo de aire cargado de humedad atmosférica, direccionado por la presencia de vegetación en sectores a cierta altitud por sobre el nivel del mar. Mejor Manera De Realizar La Invención

Como se muestra en la Fig. 1 , el proceso comienza con la selección del modelo de boya undimothz óptimo, que permita maximizar la obtención de energía y convertirla en impulso ascendente. Siendo factible de acoplar a sistemas sencillos, pero que cuenten con sistemas para regular lastre y posiciones de enganche, ( Fig. 2) ya que permiten soportar empujes de hasta 450 kg.

Los volúmenes de agua medidos, para ser eyectados por medio de un sistema básico de bombeo, (Fig. 3) se encuentran entre 1 a 10 It. de acuerdo al volumen del cilindro, el cuál según las condiciones su radio óptimo se encuentra entre los 10 a 15 cm. de radio según la fórmula :

V = TT x h x r ²

No pudiendo descartarse flujos de agua mayores, cercanos a 100 It. eyectados, con cilindros de radio mayores, hasta 30 cm, si el sistema y las corrientes lo permiten.

Por el Principio de Bernoulli, si el caudal del fluido es constante, al disminuir la sección, su velocidad aumenta; con boquillas de aspersión de amplio espectro y con ángulos de pulverización por encima de 80 ^s permite obtener salidas mayores a 50 cm. de altura por sobre el nivel de mar, siendo la altura mínima para que las gotas de agua de mar empiecen a derivar por pulverización.

La deriva de pulverización (Fig. 4), ampliamente estudiada en agroindustha, describe el movimiento físico de gotas o partículas a través del aire fuera del área circundante. Las gotas más propensas a derivarse son las menores de 150 mieras de diámetro, pudiendo predecirse en cierta medida, la dirección de su deriva ya que sigue los vientos predominantes. De los factores que determinan la deriva, el más determinante es la velocidad del viento, seguida por temperaturas superiores a 25 ^S C y humedad relativa baja, menor tamaño de la boquilla y mayor presión de pulverización.

Un modelo de utilidad, del tipo boya marina mareomotñz genérico, (Fig. 5) que propela agua de mar por un cilindro, impulsado por la fuerza del oleaje. El agua ingresa desde la parte inferior de la boya, para ascender por una columna que permita alcanzar mayor altura y mejores posibilidades de dispersión y deriva, siendo mejores los resultados obtenidos por sobre los 50 cm. de altura de columna.

El método de impulso puede variar, siendo el más sencillo un sistema bomba de mecate, que aprovecha la tracción producida por la corriente de agua, moviendo una palanca que dará la presión adecuada para salir por las boquillas que den una dispersión máxima, con tamaño de gota no mayor a 150 mieras.

Los atlas de oleaje consultados, consideran frecuencias de oleaje que van de 6 a 30 segundos entre una cresta de ola y la siguiente; al accionar el modelo de utilidad generan desde 2,8 toneladas de agua pulverizada a la atmósfera diariamente, hasta cerca de 150 toneladas/día según el tamaño de cilindro y frecuencia de oleaje.

La masa nubosa generada ingresa como neblina tierra dentro, debiendo capturarse siguiendo los principios descritos por Makarieva y Gorshkov en su publicación de 2006, "Bomba biótica de humedad atmosférica como impulsora del ciclo hidrológico en tierra"; (Fig. 6) que concuerdan con el estudio de Maldonado & Marquet, 2006, "Historia de los Bosques Relictos de Neblina y su Relación con los Cambios Climáticos Durante el Holoceno, en la Región Semiáhda de Chile" (Fig. 7).

El incremento y saturación de humedad atmosférica, será dado principalmente por la deriva de pulverización, que aún pudiendo alcanzar más de 150 ton. de agua por día, sólo llega a valores de punto de rocío cercanos a 20 gramos de agua por metro cúbico de acuerdo a las Figuras 8, y 9, según las tablas psicrométhcas y de punto de rocío, ya que depende de la velocidad del viento, radio de dispersión de la deriva y vegetación adecuada.

Los sistemas de captación de agua pueden ser rudimentarios, como malla raschel con rendimientos cercanos a 100 litros día para superficies de 12 metros de largo por 2 de ancho, rendimientos mayores se observan al adicionar enfriadores por agua, ventiladores y condensadores Peltier, como los hidropaneles ofrecidos por la empresa Source.

La bomba biótica de humedad atmosférica, agrega al incorporar árboles a los sistemas mencionados anteriormente, mucha superficie foliar que ofrece altas tasas de evaporación, lo que genera un punto que empieza a mover masas de aire próximas a la costa donde se encuentra funcionando la boya impulsora. Una vez alcanzado el punto de saturación atmosférica a una temperatura ambiental dada, la velocidad del viento es determinante para obtener flujos continuos de humedad atmosférica, que duplican la cantidad de agua recolectada al pasar su velocidad de 10 km/hr a 20 km/hr, modificándose los resultados dependiendo tanto de la temperatura, como del relieve cercano a la costa.

El efecto Foehn, que contribuye a la formación de los Bosques de Neblina, hace que al subir por un relieve escarpado una masa de aire húmedo, este se enfríe y condense, precipitando en forma de lluvia, formando nuevas zonas con mayor disponibilidad de agua que permiten continuar y repetir el proceso tierra adentro, de forma similar a las antiguas cuencas fluviales boscosas de Australia, extintas desde hace 50 mil a 100 mil años.

Aplicación Industrial

Al comparar el modelo matemático "Atractor de Lorenz" con los procesos descritos anteriormente, dos puntos que presenten altas tasas de evaporación y acumulación de vapor de agua, uno de ellos en el agua y otro tierra dentro, (Fig. 11 ) de preferencia en zonas elevadas como los bosques de neblina; generarán movimiento ascensional y direccional, similar a un río atmosférico que se puede orientar su dirección según la geografía circundante, diferenciales de temperaturas y vegetación dominante. Al establecer puntos de captura de humedad atmosférica con sistemas de malla raschel, peltier o lanzadores de yoduro de plata, permite establecer abrevaderos, recuperación de flora, fauna y actividades humanas.