COMPRIMIDO

Campo de Ia invención La presente invención se refiere a un conjunto de sistemas que comprenden una planta completa de captación, licuefacción para almacenamiento y utilización de energía eólica. La planta incluye las aeroturbinas aplicables, los dispositivos necesarios para Ia conversión de Ia energía eólica en aire comprimido, el tratamiento de licuefacción hasta su almacenamiento y, también, las diferentes maneras de utilización industrial de dicha energía, fundamentalmente para Ia generación de electricidad.

La planta tiene un ámbito de aplicación general en el sector energético de generación eléctrica. Es muy apropiada en aplicaciones de energías renovables y en todos los diversos usos industriales del aire líquido.

Antecedentes de Ia invención

El agotamiento progresivo de los llamados combustibles fósiles ha originado Ia búsqueda de cualquier otro recurso ostensible de producir energía. En nuestra atmósfera se originan naturalmente grandes movimientos de aire, cuya energía cinética puede ser captada por aeroturbinas y transformada en otras formas de energía. Antiguamente Ia navegación a vela y los persas utilizaron los primeros molinos de viento (600 a. C). Posteriormente también Ia fuerza eólica se utilizó en los típicos molinos de grano manchegos o en las bombas de agua holandesas.

Actualmente el uso más frecuente de las aeroturbinas está en los aerogeneradores eléctricos, que se instalan agrupados formando parques eólicos. Sin embargo, no es esta Ia única aplicación y son muy diversas las formas mediante las cuales hoy se pretende utilizar Ia fuerza del viento y múltiples las patentes que protegen los conocimientos técnicos alcanzados hasta Ia fecha. Se ha procurado transformar Ia energía de las aeroturbinas en energía de aire a presión, US 2008/0047271 A1 , o en aceites a presión, como Ia aeroturbina de velas US2007024058 que bombea aceite hasta Ia cimentación estando presurizado por un gas, o en energía potencial como WO20077001154 que utiliza Ia energía eólica para elevar agua a un depósito y utilizarla en turbinas hidráulicas.

Pero Ia aplicación de Ia fuerza del viento, tan variable y sin control posible, a Ia generación eléctrica, tiene un grave problema de almacenamiento, dada Ia imposibilidad de adaptar una aleatoria producción a Ia demanda y todos estos desarrollos son formas parciales que no han llegado a ser una solución del problema, tal como Ia presente invención pretende.

Descripción de Ia invención La presente invención, describe una planta para utilizar energía eólica en circunstancias tales, que el abastecimiento con energías ecológicas es fundamental para el desarrollo y Ia vida futura en nuestro planeta.

La invención preconizada consigue las siguientes ventajas: " El método de almacenamiento permite dotar al flujo utilizado de una presión constante, Io cual representa una ventaja excepcional para los dispositivos que posteriormente han de aprovechar dicha energía. Esto significa que una energía altamente variable como Ia del viento se transforma en otra de poder equivalente pero de elevada calidad. ~ Con Ia patente preconizada desaparecen los problemas de los aerogeneradores convencionales originados por las ráfagas de viento como el llamado parpadeo (flicker), fluctuaciones de tensión y otros, e incluso por el número de revoluciones de Ia aeroturbina, pues todas las posibles variaciones son absorbidas y estabilizadas por el propio sistema de almacenamiento. Disponiendo de suficiente almacenamiento se garantiza el suministro requerido o se puede inyectar electricidad a Ia red en el momento más interesante. Se utilizan mecanismos de uso corriente, tales como compresores, bombas, motores, tuberías e intercambiadores, que reducen el coste de las instalaciones.

Cuando se utilizan aeroturbinas de palas retráctiles se produce una importante mejora en el transporte y en Ia instalación. Para los generadores actuales y futuros se requieren grandes potencias, que necesitan palas de longitud considerable, Io cual dificulta el transporte y el montaje en una sola pieza, de aquí que tengan gran interés las palas con varios tramos, servidos desde fábrica ya montados dentro del primero. Igualmente, frente a vientos extremos las palas quedan completamente retraídas, reforzándose estructuralmente entre sí, y ofreciendo Ia menor resistencia al arrastre, Io que origina un mínimo momento al vuelco en Ia torre y en consecuencia menor necesidad de cimentación.

Otras ventajas son particularmente ofrecidas por el procedimiento que utiliza aire comprimido respecto de los oleohidráulicos:

No son necesarios circuitos de retorno, que incluirían depósitos reguladores de aceite, rebombeo a las torres y otros equipos auxiliares.

El aire líquido requiere un volumen de almacenamiento muy bajo y fácilmente presurizable.

El aire es un fluido más limpio que el aceite frente a fugas o roturas de tuberías y mecanismos.

Estas y otras ventajas se irán desprendiendo de Ia descripción que sigue. La presente invención se refiere a una planta para Ia explotación de Ia energía eólica que comprende un conjunto de dispositivos situados en zonas especializadas. Un área de captación, otra para el proceso del aire comprimido hasta su almacenamiento licuado y otra zona de gasificación pasa su aplicación a las turbinas de generación.

La captación de energía eólica puede realizarse con aeroturbinas de cualquier tipo, incluido las de eje vertical. A continuación del buje de Ia aeroturbina, un eje hueco transmite el par producido a Ia góndola. El tránsito de flujo y cables entre Ia zona estática de góndola y Ia de giro en Ia aeroturbina se realiza por Ia parte hueca del eje mediante un racor coaxial. Sucesivamente, sobre dicho eje se dispone un freno de seguridad, normalmente de discos con resorte y desacoplamiento neumático, y a continuación un multiplicador con diversos ejes secundarios de salida, dotados de sendos embragues de accionamiento neumático, que terminan en los compresores de Ia primera etapa.

Al menos uno de los referidos compresores será de caudal variable y todos tendrán una presión máxima de funcionamiento constante. El sistema de mando informático determinará, a partir de Ia velocidad media de giro, del par disponible y de las prestaciones solicitadas, Ia entrada en servicio de los compresores. La carga requerida a Ia aeroturbina varía desde cero hasta el máximo establecido por el pleno funcionamiento de todos los compresores. Cuando el viento está en calma Ia aeroturbina se haya parada, pero cuando inicia el movimiento y su velocidad llega a un determinado valor, las palas de Ia aeroturbina, completamente desplegadas, inician su giro con requerimiento de potencia nula, es decir, con los compresores desconectados. Conforme Ia velocidad media del viento progresa el compresor de caudal variable se conecta y va nivelando Ia carga de acuerdo con las disponibilidades de viento. Esto permite una entrada en servicio del aerogenerador a muy baja velocidad de viento. Cuando el viento aumenta se recogerá toda Ia energía disponible con Ia entrada en servicio el resto de los compresores, hasta que Ia energía facilitada por Ia aeroturbina supere a Ia potencia nominal del sistema, en cuyo caso se producirá Ia retracción de los tramos móviles en las palas retráctiles o Ia actuación del sistema de cambio de paso en las aeroturbinas con palas de un solo tramo.

La orientación de Ia góndola se produce por motores bidireccionales neumáticos con divisor de flujo, actuando mediante los correspondientes piñones sobre Ia corona dentada fijada en Ia torre. Puede admitirse aquí Ia opción oleohidráulica por las mismas razones descritas anteriormente. Todas las partes metálicas están conectadas a una red de tierras sin perjuicio de Ia protección de pararrayos considerada necesaria.

La parte trasera de Ia góndola es ocupada por un acumulador neumático que permite el funcionamiento de todas las funciones auxiliares asignadas a Ia góndola aún cuando Ia aeroturbina esté parada.

El flujo del compresor principal de Ia etapa inicial pasa de góndola a torre por otro racor coaxial de flujo y cables.

A Ia altura de Ia superficie terrestre los flujos de los diversos aerogeneradores se unifican en una tubería general para dar paso al proceso de licuefacción. Se conocen diversos métodos de licuefacción de aire, cualquiera de ellos será aplicable, así, el método de LINDE esencialmente aplica una compresión, se retira el calor producido y a continuación se expansiona el fluido. El método preconizado en esta invención comprende estas pautas esquemáticas, pero adaptadas a las condiciones particulares del proceso que se pretende.

El fluido de Ia tubería general ha sido comprimido a Ia presión de góndola con Ia energía motriz obtenida en las aeroturbinas y se halla caliente, debe enfriarse en un intercambiador y seguidamente se pasa a un depósito regulador, donde se continúa enfriando, por Io que parte del vapor de agua se licúa en el fondo, pudiendo ser drenado abriendo una válvula. Este depósito regulador dispone de un presostato de máxima y mínima para regular el funcionamiento del resto del proceso. Cuando el presostato indica Ia presión máxima se ponen en marcha las etapas de licuefacción propiamente dichas, consistentes en compresión, enfriamiento y expansión, que se repetirán las veces necesarias hasta que el aire resulte en una porción licuado. En este momento se pasa Ia mezcla bifásica a un depósito separador, donde queda el líquido en el fondo y el gas arriba. Este gas retorna a Ia entrada del último compresor para Io que se interpone un tubo capilar regulador, mientras que Ia porción líquida se bombea a Ia presión deseada pasando a las celdas de almacenamiento. Los motores necesarios utilizan gas procedente de las aeroturbinas. La razón de Ia licuefacción se justifica por Ia gran reducción de volumen que experimenta el aire al convertirse en líquido, Io que facilita su almacenamiento y bombeo a altas presiones.

El almacenamiento de energía se realiza en una serie de celdas constituidas por cilindros verticales de suficiente diámetro que contienen el fluido a presión. Cerrando Ia base superior de cada cilindro se dispone un émbolo de longitud similar a Ia del cilindro, y con los elementos de estanqueidad necesarios. Este émbolo soporta en su extremo superior un gran peso situado en contenedores. Estos contenedores de sección regular están construidos, al menos en su zona inferior, de hormigón armado. Los cilindros de almacenamiento se colocan aislados o en grupos bajo un mismo contenedor gravitatorio, siempre con simetría y equilibrio de cargas que garanticen Ia igualdad de presión en todos los cilindros. Este tipo de almacenamiento gravitatorio es el único que mantiene Ia presión constante en Ia zona siguiente de gasificación y potencia, tanto si Ia aeroturbina produce un caudal superior al demandado, en cuyo caso el émbolo ascenderá almacenando el exceso, como si el consumo supera Ia energía producida, en cuyo caso ha de cederlo, descendiendo el émbolo. Así se regula Ia presión para cualquier caudal demandado en Ia zona siguiente de gasificación y consumo, incluso cuando el viento esté en calma. El peso de los contenedores se produce con materiales inertes como rocas, arena y tierra, cuya fuerza gravitatoria dividida por Ia superficie de Ia sección del cilindro que los soporta muestra Ia presión de trabajo del proceso de gasificación hasta Ia entrada de las turbinas. La zona de cilindros estará a una temperatura adecuada y se establecerá el aislamiento térmico necesario para reducir Ia gasificación dentro del cilindro, como proceso natural de "auto refrigeración".

De los cilindros de almacenamiento puede salir gas, líquido o una mezcla de ambos, pero en cualquier caso a muy baja temperatura. La siguiente fase de gasificación pretende colocar a Ia entrada de Ia turbina de generación gas a Ia presión de salida de los cilindros de almacenamiento y a una temperatura apropiada para un buen rendimiento del proceso. Ello va a requerir una importante cantidad de calor, que se obtendrá de todos los intercambiadores situados a continuación de los compresores y del último que recuperará el calor de los gases de salida de Ia turbina. Para garantizar Ia temperatura adecuada a Ia entrada de Ia turbina, esta, será precedida por una cámara de combustión automática. Y finalmente Ia citada turbina cuyo eje motriz se conecta al generador de energía eléctrica. Nótese que sobre el eje de esta turbina no se dispone el compresor, como suele suceder en las centrales térmicas de gas, dispositivo que absorbe entre el 40 y el 50% de Ia potencia producida por Ia turbina. En el procedimiento propugnado en esta patente Ia presión necesaria parte de las celdas de almacenamiento, pues los intercambiadores y Ia cámara de combustión son dispositivos isobáricos. Esto representa una ventaja económica adicional y como en los intercambiadores se recupera el calor de compresión y salida de Ia turbina principal, solo será necesaria una pequeña cantidad de calor de combustión, Io que representa una mejora medioambiental importante. Conviene decir aquí, que las turbinas de generación trabajan a una presión muy alta por Io que no se requieren gases con temperaturas tan elevadas como en las turbinas convencionales, simplificándose Ia construcción de los alabes, esto aconsejará recalentamiento intermedio.

El aprovechamiento de Ia energía lograda tiene múltiples aplicaciones. Se dispone normalmente de un área de generación eléctrica con diversos grupos para suministrar diferentes potencias, cada uno constituido por una turbina con su generador. Como se garantiza Ia presión para cualquier caudal demandado y Ia temperatura a Ia entrada de Ia turbina, su funcionamiento es constante y, sincronizando Ia frecuencia, pueden conectarse directamente a red sin necesidad de convertidores. Este procedimiento elimina el temible efecto de las variaciones en las ráfagas del viento, así como los armónicos, y cualquier otra variación ocasional, dando una tensión propia de un funcionamiento constante del generador. El procedimiento de almacenamiento y utilización descrito en esta patente puede aplicarse para energías de otros orígenes diferentes al indicado y con difícil regulación, como fotovoltaica, hidráulica y otras.

El aire licuado puede utilizarse con cualquiera de los fines industriales posibles, a partir de tomas situadas apropiadamente.

Sin embargo, son múltiples los dispositivos que no se han indicado en esta descripción y que están incluidos en Ia invención propuesta, tales como filtros, veleta y sistema de orientación, algunos elementos de control como presostatos, indicadores de nivel de las celdas gravitatorias múltiples, diversos caudalímetros, elementos de regulación como válvulas, reguladores de presión y de caudal otros dispositivos auxiliares.

A todos estos elementos hay que añadir un centro de mando y control; aquí se toman las decisiones de almacenamiento y suministro energético, tal como el momento de inyectar energía eléctrica a Ia red. El sistema de mando y control de los diferentes actuadores de Ia instalación puede ser informático, centrado o disperso por áreas según convenga.

La posibilidad de almacenar energía adquiere especial relevancia para los sistemas de generación llamados distribuidos, cuando concurren circunstancias de déficit puntual, pudiéndose aliviar tal desequilibrio independientemente de que exista suficiente viento. Evidentemente las ventajas se multiplican en los sistemas aislados, en los cuales puede garantizarse un suministro energético continuo disponiendo del almacenamiento adecuado. En estas circunstancias, y para grandes potencias, convendrá dividir en varias las turbinas de generación para adaptarse más fácilmente a Ia demanda.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 corresponde con una vista esquemática de una instalación completa según Ia patente propugnada. En ella pueden observarse las áreas más características y Ia disposición de sus elementos básicos. En el área de captación se indican las aeroturbinas, 11 , con su góndola, 12, y torre, 13. El aire comprimido en las góndolas baja las torres y se reúne en una tubería principal, 14, hasta un depósito regulador, 15. Los medios de licuefacción 118 donde se produce Ia licuefacción en una serie de etapas o escalonamientos, comprenden: intercambiadores, 16, que actúan como medios de enfriamiento, compresores o medios de compresión, 17, y medios de expansión, 18. Finaliza este proceso en el receptor de separación, 19, desde donde se bombea el líquido a través de medios de bombeo, 119, hasta las celdas o medios de almacenamiento, 111. La gasificación se produce aportando calor en los intercambiadores, 16, que actúan como medios de calentamiento, y en Ia cámara de combustión, 112, hasta Ia turbina principal, 113, conectada a generador, 114, Los gases de salida se expulsan por una chimenea, 115. Otros usos del aire licuado se dispondrán a partir de Ia correspondiente toma, 117, y todo ello gestionado por un centro de control, 116.

La Figura 2 muestra, también esquemáticamente, los elementos básicos de Ia góndola con los circuitos neumáticos de Ia misma. El eje de Ia aeroturbina penetra en Ia góndola, 41 , y a continuación se coloca un freno, 42, sigue Ia caja multiplicadora con dos o cuatro engranajes secundarios, 43, dotados de sendos embragues, 44, previos a los compresores principales, 45. Además existen los motores de orientación, 46, provistos de un divisor de flujo, 47. Los conectores concéntricos rotativos: uno en Ia tubería principal, 49, para pasar a Ia torre y otro secundario, 410, que garantiza el paso de fluido y cables desde Ia góndola a Ia aeroturbina, 411. Un motor, 412, permite Ia producción de Ia energía eléctrica de mantenimiento en góndola. El acumulador 413 permite mantener aire a presión para cualquier uso en góndola, aunque Ia aeroturbina se halle parada.

Las Figuras 3, 3A muestran los componentes seccionados del área de almacenamiento con celdas tetracelulares, y sus cilindros de almacenamiento fluido, 51 , émbolos, 52, y sobre ellos contenedores de pesos, 53. La Figura 3A muestra una realización con un único cilindro.

Descripción de una realización preferida de Ia invención A continuación se hace una descripción completa de una realización preferente, Ia cual se hará a título de ejemplo, con carácter no limitativo y susceptible de todas aquellas modificaciones de detalle que no alteren fundamentalmente sus características esenciales.

Se compone esta realización preferente de tres áreas bien diferenciadas: captación, licuefacción para almacenamiento y gasificación para el aprovechamiento de Ia energía obtenida.

En Ia góndola, sobre el eje 41 se disponen, sucesivamente, un freno 42 de seguridad, normalmente de discos con resorte y desacoplamiento neumático, o si se prefiere hidráulico y a continuación un multiplicador 43 con diversos ejes secundarios de salida, dotados de sendos embragues 44 de accionamiento neumático o hidráulico, que terminan en los compresores principales 45 para iniciar el circuito a presión. Al menos uno de dichos compresores funcionará en un rango amplio de caudal variable y todos tendrán una presión nominal de funcionamiento constante.

El arranque de Ia aeroturbina 11 , tras una parada por falta de viento, se ejecuta con el freno 42 y los embragues 44 desacoplados, así, Ia energía necesaria para el arranque es mínima y una vez vencidas las fuerzas de inercia, entrará en funcionamiento el compresor de caudal variable, el cual irá aumentando su caudal conforme Ia velocidad del viento Io permita. Sucesivamente entrarán los demás compresores, hasta que Ia energía facilitada por Ia aeroturbina supere a Ia potencia nominal de bombeo, en cuyo caso entrará en funcionamiento el sistema de retracción de los tramos móviles en las palas retráctiles. El sistema de orientación de Ia góndola controla Ia marcha de los motores de orientación bidireccionales oleohidráulicos o neumáticos 46 regulados por un divisor de flujo de orientación 47, que actúan sobre piñones que engranan en una corona dentada de Ia torre 13.

En Ia parte trasera de Ia góndola se dispone un acumulador de presión neumático auxiliar 413 que permitirá el funcionamiento de todas las funciones auxiliares de góndola, incluidas las aplicaciones oleohidráulicas que se estimen, aún cuando Ia aeroturbina esté parada.

Se dispone para Ia producción de energía eléctrica auxiliar en Ia aeroturbina un motor neumático con generador 412.

Cuando se pasa de una zona que gira o puede girar a otra estática, ha de utilizarse un racor coaxial de flujo y cables, así sucede para Ia conducción principal 14 de alta presión que baja de Ia góndola 12 giratoria a Ia torre 13 estática necesitándose el racor coaxial 49 y para el paso de fluido y cables desde góndola a Ia aeroturbina el racor 410.

Los flujos comprimidos en las diferentes góndolas se reúnen en una tubería principal 14, a continuación se enfrían y acumulan en un depósito regulador 15, el cual permite el funcionamiento de las aeroturbinas y compresores de góndola con vientos muy bajos, sin afectar al rendimiento del proceso siguiente de licuefacción, que solo entrará en funcionamiento cuando en este depósito haya fluido suficiente y se alcance una presión máxima, permaneciendo así hasta Ia presión mínima estipulada.

La licuefacción se produce en varios escalonamientos o etapas en los medios de licuefacción 118, que comprenden medios de compresión 17, a continuación se pasa el aire comprimido por el lado caliente de un intercambiador que actúa como medios de enfriamiento 16, cediendo calor, y como final de etapa una expansión, recogiéndose el gas en un depósito que actúa como medios de expansión 18, con posibilidad de drenaje del agua líquida que se condense. La etapa final consigue, tras Ia expansión, una fracción importante de aire licuado disponiéndose Ia mezcla bifásica en un depósito separador 19. La fracción líquida se bombea 119 a Ia presión del almacenamiento 111 y Ia gaseosa retorna a Ia admisión del último compresor colaborando en Ia bajada de su temperatura de entrada por medio de un intercambiador de mezcla 110.

La alta presión que puede efectuarse al aire licuado permite almacenar mucha energía en zonas relativamente pequeñas como en los cilindros reguladores 51. Se construyen con camisas de acero, cubiertos de hormigón armado y aislados térmicamente. El émbolo 52 igualmente con cubierta de acero aleado y hormigón en su interior, excepto Ia parte central ocupada por un taladro en el cual penetra holgado el tubo de salida permitiéndose Ia evacuación del posible gas existente en Ia parte superior del cilindro. Sobre los émbolos se disponen grandes contenedores con pesos 53, que pueden montarse sencillos, Figura 3A, o en celdas tetracilíndricas, Figura 3, ambos casos de hormigón y placas rellenos con rocas y tierra.

La conducción de salida principal pasa por el lado frío de los intercambiadores 16, anteriormente indicados, recogiendo el calor de compresión de Ia fase de licuefacción y de los gases de salida de Ia turbina 113. A continuación los gases entran en una cámara de combustión isobárica y automática 112 que produce Ia salida de los gases a una determinada temperatura para acceder a

Ia turbina principal 113 con recalentamiento intermedio cuyo eje mueve el generador 114. Los gases que salen de Ia turbina están aun calientes, ceden calor por el último intercambiador y se sueltan a Ia atmósfera por una torre o chimenea 115.

A Ia salida de los cilindros se dispone una toma para aplicaciones industriales del aire licuado a alta presión, 117, o bien a media presión, 120. La energía que se almacena en los cilindros tiene una presión constante, cualquiera que sea el funcionamiento de las zonas anteriores de captación y licuefacción, y a esta presión se entrega a las siguientes zonas de gasificación y turbinas de generación eléctrica, cualquiera que sea el caudal demandado. Dado que Ia temperatura de los gases que llegan a Ia turbina se mantiene también constante, Ia sincronización de Ia frecuencia de los generadores con Ia red será fácil y sin necesidad de usar de convertidores.

El control y gestión de Ia planta se lleva en un edificio anejo 116.