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Patent Searching and Data


Title:
SYSTEM FOR ENERGY EXTRACTION IN WATERCOURSES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/064785
Kind Code:
A1
Abstract:
This invention lies within the scope of systems for converting the energy of a watercourse (artificial or natural) into mechanical and/or electric energy. The technical problems overcome by this invention are varied and are the main reason that many artificial channels with energy generating potential remain unexploited. First, one of the most important problems for converting the energy of a watercourse without drops is that the level of energy that can be extracted by conventional means is usually very low for practical applications, making it technically or economically unviable. Second, artificial channels commonly show a large variability in flow levels throughout the year, which involves different heights of water levels throughout the year, thus making energy production difficult due to the fixed size of the rotors in conventional systems, which in conditions of variable height would cause part of the turbine to be outside the water, leading to splashing and waves for a horizontal turbine and a smaller wetted area for a vertical turbine. The third problem solved by this system is that when a turbine is installed in the channel, current systems generate obstructions to the water flow, which can cause the channel to overflow during floods and require the channel to be designed for maximum spill. The fourth problem solved by this invention is the cutting off or change in direction that must be performed in a channel when installing a turbine, since the structural work required by conventional systems requires redirecting or completely cutting off the water flow, leaving downstream users without water. The system of the invention includes the following subsystems: turbines, sluice gates, with their respective supports and positioning systems, all of which are supported from outside the channel in order to maintain the same discharge capacity as it had before installing the system. At the flow inlet, the system has an entirely removable gate, the function of which together with the blocking caused by the turbines, is to regulate the pouring height upstream from the channel, at the same time keeping the turbines submerged for different mass flow rates throughout the year. The device comprises a plurality of turbines, which may be entirely removed and have one or more rotors that may be independent or interconnected with electric pumps or generators to convert the mechanical energy of the rotor into useful energy. The system changes a series of geometric and dynamic parameters in a balanced manner in order to maximise the performance of energy extraction, changing the rotation speed and torque of the turbine together with the height of the sluice gates in order to maximise energy extraction for different flow levels throughout the year, while preventing water from being spilled over the edge of the channel. The system is designed for installation in series and to maximise the energy extracted from the watercourse, generating more output and energy per year than conventional systems.

Inventors:
DE LA JARA HARTWIG, Emilio Alfonso (Camino de la humildad 5930, La Florida, Santiago, CL)
Application Number:
CL2016/000057
Publication Date:
April 12, 2018
Filing Date:
October 06, 2016
Export Citation:
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Assignee:
DE LA JARA HARTWIG, Emilio Alfonso (Camino de la humildad 5930, La Florida, Santiago, CL)
International Classes:
F03B13/08; E02B5/00; E02B9/02; F03B1/00; F03B15/20
Foreign References:
US20110089695A12011-04-21
US4317330A1982-03-02
US20150285209A12015-10-08
US20130062882A12013-03-14
Other References:
MUNOZ, A. H. ET AL.: "A design tool and fabrication guidelines for small low cosi horizontal axis hydrokinetic turbines", ENERGY FOR SUSTAINABLE DEVELOPMENT, vol. 22, 2014, pages 21 - 33, XP055474610, Retrieved from the Internet DOI: doi:10.1016/j.esd.2014.05.003
Attorney, Agent or Firm:
BEUCHAT, BARROS & PFENNIGER (Europa 2035, Providencia, Santiago, CL)
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Claims:
REVINDICACIONES

1. Sistema de extracción de energía desde un curso de agua confinado en forma natural o artificial para convertir dicha energía en mecánica y/o eléctrica, CARACTERIZADO porque dicho sistema comprende de una pluralidad de turbinas (1) dispuestas en paralelo en la dirección perpendicular al flujo, separadas entre sí por una placa de separación de flujo (16), conectadas mecánicamente (2) con un generador eléctrico (3), soportado por una estructura de soporte adecuada (4) la cual puede ser posicionada en distintas posiciones, gracias a un sistema de accionamiento mecánico (5) y soportada por una estructura (6) que se apoya en el suelo fuera del canal, mediante base de hormigón armado, la cual también soporta una pluralidad de compuertas móviles (7) que se instalan aguas arriba de las turbinas, las cuales son posicionadas de manera independiente por un sistema mecánico (8).

2. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque comprende de una pluralidad de turbinas (1) de eje horizontal del tipo hidrocinético, con una pluralidad de aspas, que poseen forma hidrodinámica, con ángulos de ataque variables a lo largo de su radio.

3. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque consta de una pluralidad de turbinas (1) de eje horizontal, axial al flujo, con rotor del tipo Kaplan, bulbo o pit.

4. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque consta de una pluralidad de turbinas (1) de eje horizontal, transversal al flujo, con rotor del tipo Banki, Darrieus o Gorlov.

5. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque consta pluralidad de turbinas (1) de eje vertical, con rotores del tipo Banki, Darrieus o Gorlov.

6. Sistema de extracción de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque la conexión mecánica (2) entre un rotor de la turbina (1) y un generador eléctrico aislado (3) es mediante un eje que conecta de manera directa el generador (3) con la turbina (1).

7. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque consta de una estructura de soporte (4) por cada turbina, permitiendo posicionar cada turbina de manera independiente.

8. Sistema de extracción de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, CARACTERIZADO porque consta de una conexión mecánica (2) entre el eje de cada turbina (1) y el eje de un generador eléctrico (12), uno por turbina, todo esto a través de conexión mecánica correas o cadenas, dejando los ejes secundarios y el generador apoyados en la estructura de soporte (4) sobre el nivel del agua.

9. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 7 y 8, CARACTERIZADO porque reemplaza el generador eléctrico (3 y 12) por una bomba de agua (13 y 14) la cual se conecta con una tubería donde succiona agua del canal hacia un sistema de tuberías afuera del canal para diversos usos.

10. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 7, CARACTERIZADO porque los ejes secundarios de cada turbina (11) se encuentran conectados entre sí, para ser conectados mecánicamente a un solo generador (12).

11. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO por poseer un generador (3 y 12) de imanes permanentes, rectificado y conectado con un sistema de inversor y MPPT.

12. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO por poseer un generador (3) de inducción, conectado con un sistema de electrónica de potencia adecuado.

13. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque consta de una pluralidad de sistemas de posicionamiento mecánico (5) de huinche mecánico y cable de acero, el cual permite alzar la estructura que soporta las turbinas (4) la cual puede bajar accionada por su peso propio.

14. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque la pluralidad de sistemas de posicionamiento mecánico (5) son del tipo tornillo sin fin accionados manualmente o por un motor.

15. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 12, CARACTERIZADO porque la pluralidad de sistemas de posicionamiento mecánico (5) son de piñón y cremallera, accionados manualmente o por un motor.

16. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 12, CARACTERIZADO porque la pluralidad de sistemas de posicionamiento mecánico (5) son pistones hidráulicos accionados manualmente o por un grupo hidráulico.

17. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque consta de una pluralidad de soportes de hormigón armado (6) donde cada soporte soporta de manera independiente la estructura de soporte de las turbinas (4) y las compuertas (7).

18. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque consta de una compuerta (7) del tipo deslizante o de orugas que cubre el ancho completo del canal y múltiples compuertas secundarias (15). 19. Sistema de extracción de energía de acuerdo con la reivindicación 17 y 18,

CARACTERIZADO porque consta con una compuerta (15) deslizante o de oruga por cada una de las turbinas.

20. Sistema de extracción de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque consta de compuertas (7 y 15) del tipo reja hidráulica.

21. Uso del sistema de extracción de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque dicho sistema puede ser útil para ser utilizado cualquier curso de agua artificial y/o natural, con escurrimiento subcrítico o supercrítico.

22. Uso del sistema de extracción de energía de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque se instalan varios de estos sistemas en serie en cualquier curso de agua artificial y/o natural, con escurrimiento subcrítico o supercrítico.

Description:
"SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE ENERGÍA EN CURSOS DE AGUA"

1. Campo de la invención

Sistema para la extracción de energía desde cursos de aguas artificiales y naturales, con el objetivo de generar energía eléctrica y/o mecánica.

2. Descripción del estado del arte

A lo largo de la historia de la hidroélectricidad, ésta tecnología nos ha proveído de energía limpia, estable y predecible, la cual ha sido la base dé la energía eléctrica en muchos países del mundo, pero a pesar de todo esto, esta tecnología aún tiene desafíos para su expansión hacia nuevas fuentes de energía hídrica. Uno de los principales requisitos para la instalación de una planta hidroeléctrica, es que posea una diferencia de altura entre la aducción de la cañería hasta la turbina, lo cual al menos debe tener 2 metros y es precisamente esta condición que deja fuera de factibilidad técnica a muchos lugares con potencial energético. En todo el mundo existen una serie de canales artificiales con un importante flujo de agua, pero no poseen caídas, tal como canales de riego, navegación, aducción de centrales hidroeléctricas, entre otros canales artificiales, en los cuales aún no ha sido posible instalar una tecnología para extraer su potencial energético de manera eficiente y eficaz. Durante varios siglos, muchos inventos han sido propuestos para la extracción de energía en canales artificiales, desde ruedas de agua en la edad media, hasta sofisticados sistemas propuestos los últimos años. A pesar de esta gran cantidad de propuestas, aún no existe una opción tecnológica dominante a nivel mundial, principalmente debido a los desafíos tecnológicos que todavía enfrentan este tipo de inventos. Cada uno de estos sistemas para generación hidroeléctrica "sin caídas" de agua tienen sus propias ventajas y desventajas, las cuales pretendemos dilucidar en esta sección.

Un tipo de solución para generar energía a partir del movimiento de agua, es la aplicación de sistemas de generación hidrocinéticos, las cuales pueden ser abiertas o cerradas (con ducto) de las cuales existen varias patentes con ventajas y desventajas. Respecto de las turbinas hidrocinéticas abiertas, su principal ventaja es la simpleza, las cuales en general poseen pocas partes móviles, disminuyendo la probabilidad de falla. Por otro lado, la gran desventaja de este tipo de sistemas es que sólo capturan un porcentaje menor de la potencia total que lleva el curso de agua, proporcional al cubo de la velocidad local del canal, la cual muchas veces son muy bajas (menores a Im/s) y que por construcción generalmente no sobrepasan los 2.5 m/s. Además, la eficiencia de estas turbinas limitada por el tipo de turbina, su geometría particular y el límite de betz, en el caso que el efecto bloqueo de las turbinas sobre el canal sea pequeño, como es en la mayoría de los casos del estado del arte actual. Otro problema práctico de este tipo de sistema, es para que las turbinas generen potencias del orden de kilo-watts, la velocidad local de la zona de instalación debe ser superior a los l,5m/s, lo cual es poco frecuente en canales artificiales, ya que en muchos casos la pendiente es baja para poder acceder la mayor cantidad de área a regar por el canal de regadío. Para poder mostrar más en específico los desafíos del estado del arte de este tipo de turbinas, podemos dividir esta categoría de soluciones por el tipo de turbina que utilizan: Verticales, horizontales y de eje transverso.

Respecto de las turbinas de eje vertical como la que se muestra en las patentes CN101719243A, US8550786B2, WO2012073320A1, US20140217732A1, WO2016004506A1 y JP2006207475A éstos sistemas presentan ventajas como la simpleza de sus componentes y la aislación de sistemas eléctricos fuera del agua. La mayor desventaja de estos sistemas es su menor eficiencia respecto de turbinas de eje horizontal, una mayor probabilidad de problemas con elementos flotantes que pueden quedar entre sus aspas y a una baja cantidad de energía extraíble en un flujo con velocidades menores a 1,5 m/s. Éstas desventajas hacen que la aplicación de este tipo de sistema sea limitada a pocos lugares donde existan velocidades suficientes para que la potencia generada pague el costo de capital.

Respecto de las turbinas de eje horizontal tales como las expuestas en US2010/024452A1, EP2463508A1, US 7682126 B2, entre otras, poseen la ventaja de ser eficientes (alrededor de 40%) y simples, pero tienen varias desventajas intrínsecas. El problema más importante de este tipo de turbina, es que al igual que todas las hidrocinéticas a flujo abierto, se requieren velocidades superiores a 1.5m/s para generar una cantidad de potencia que sea útil para aplicaciones prácticas, lo cual deja a muchos lugares sin factibilidad técnica ni económica para instalarse.

Respecto de las turbinas de eje transverso, tales como WO 2014/194438A1 y US 20130026761 Al, entre otras, éstas tienen como gran ventaja la cantidad de área a la cual acceden, la cual es más parecida a la forma de un canal rectangular. Las desventajas más importantes son en primer lugar que son muy propensas al bloqueo por elementos flotantes y en segundo lugar que generan un efecto de bloqueo importante, lo cual en muchos casos disminuye la cantidad de generación, dejándola en alrededor de 10% de eficiencia de conversión de energía. En el caso de turbinas del tipo Darrieus y Gorlov, el efecto bloqueo en un canal, cuando éstas alcanzan una alta velocidad de giro, puede generar que la superficie libre sobrepase la revancha del canal y se pierda agua de éste, perdiendo su función principal de transportar agua.

Una opción interesante para disminuir el problema de la baja eficiencia de las turbinas hidrocinéticas es hacer uso de "estatores", tal como los expuestos en las patentes como por ejemplo US6472768 Bl, US9097233 Bl, US7471009 B2, US20120139251 Al, US6954006 B2, US8633609 B2, US9000604 B2, US20080211233A1, US 20110148117 Al, US20120139251 Al, US20120243987 Al, WO2010017869A2, US 8764391 B2, entre otras. El objetivo de estos estatores es usualmente aumentar el área que enfrenta la turbina, mejorando su eficiencia. La gran desventaja de este tipo de sistemas, es que generan muy poco espacio entre la turbina y el estator, lo cual es un problema cuando entra un elemento extraño de dimensiones similares. Otro problema importante es que al igual que sus pares sin estator, la cantidad de energía que potencialmente pueden acceder es relativamente pequeña en caudales que posean velocidades menores a l,5m/s, lo cual deja fuera de factibilidad económica y técnica a muchos lugares con canales artificiales y naturales. Otro de los problemas importantes, es que este tipo de sistemas funcionan, en general, completamente sumergidos, por lo que en el caso que el caudal sea menor al requerido para sumergir por completo el sistema, éste estaría funcionando de manera sub-óptima.

Las "ruedas de agua" o "water-wheels" en inglés, es probablemente una de las soluciones más antiguas, pero cuyo concepto aún se encuentra presente en varias soluciones técnicas propuestas actualmente, tales como las expuestas en las patentes EP 2735729 Al, EP 2463508 Al, US 6877968 B2, US7503744B1, EP 2691636 Bl, EP 2691636 Bl, DE 38139258, US4053787, US6877968, entre otras. Las principales ventajas de estos sistemas son el que poseen un eje fuera del agua, lo cual facilita la instalación de generadores o lo que sea que se requiera conectar mecánicamente (bomba, molino, etc). Las principales desventajas de estos sistemas es que poseen una eficiencia que en muchos casos es baja (alrededor de 10%) y que en casos de ruedas más eficientes, no cambian de orden de magnitud de eficiencia y poseen un alto bloqueo del flujo de agua, subiendo el nivel de agua aguas arriba y posiblemente derramando agua fuera del canal.

Otra opción para la aplicación de sistemas de ruedas de agua es hacer arreglos de éstos, de manera de lograr mayores velocidades locales alrededor de las turbinas. En la patente WO2006011781 Al se muestra un sistema de varias ruedas de agua en serie, a lo largo del canal, maximizando la extracción de energía, pero con el problema que el máximo de extracción por turbina es muy bajo (menor al 10%). En la patente WO 2007023432 A2, se muestra un arreglo de ruedas de agua en paralelo para la extracción de energía o bombeo de agua, pero al igual que las otras ruedas de agua, la eficiencia por sistema hace que técnica y económicamente la aplicación de estos sistemas deje de tener sentido. Otra falencia importante de este tipo de soluciones es que en general no se toma en cuenta que para distintos comportamientos de las ruedas de agua, se inducirán distintas alturas de agua aguas arriba, lo cual puede incidir en problemas de derrame de agua por fuera del canal.

Una opción eficiente y atractiva para capturar el potencial energético en canales es hacer uso de soluciones de la hidroelectricidad tradicional ya que es una tecnología muy eficiente y probada, pero que aún no se encuentra una solución técnicamente suficiente para su uso extensivo en la generación de energía en flujos de agua sin caída. En patentes tales como US 4289971, US 4441029 y WO 2013/093727 A2, se ha mostrado el concepto de incluir sistemas hidroeléctricos convencionales, pero todas estas patentes aún poseen problemas técnicos no resueltos. El principal problema técnico que generan es la modificación permanente el flujo del canal, la cual es inducida por la obra civil permanente que se requiere para la aplicación de este tipo de turbina. El que posea parte de la obra civil fija, implica que el canal ya no tendrá la capacidad de evacuación máxima con la que había sido diseñado, lo cual puede provocar un accidente por derramamiento en caso que se produzca una crecida en el canal. Otro de los problemas técnicos que inciden la aplicación de este tipo de tecnologías, es que en muchos de los casos se requiere detener o desviar el flujo del canal para realizar las obras civiles, perdiendo la función principal del canal de proveer agua.

Una de las opciones para contrarrestar las bajas velocidades de los escurrimientos sub-críticos de un canal artificial, es realizar ciertas modificaciones a éste, con el objetivo de maximizar la potencia extraíble por turbinas en ciertas zonas del canal. Algunos ejemplos de estas modificaciones se pueden ver en las patentes US 20080101866 Al, WO 2016020933 Al y WO2011125072 A2, en donde se muestran las capacidades de este tipo de solución técnica. Las principal desventaja, que hace que estas soluciones técnicas no sean ampliamente adoptadas es que todas ellas modifican la infraestructura del canal, no permitiendo necesariamente la evacuación total del agua que se tenía en el diseño original del canal, provocando eventuales problemas en las crecidas. Otro tema importante no tomado en cuenta en este tipo de solución, es el bloqueo del agua que ejercen las turbinas, lo cual modifica el escurrimiento del canal, disminuyendo la velocidad que enfrenta la turbina en muchos casos. Otra de las opciones para maximizar la velocidad que enfrentan las turbinas, puede ser el uso de compuertas y turbinas tales como las que se presentan en las patentes US 8558402 B2, WO20140/51526 Al y US 2013/0062882 Al, pero en todas ellas aún persisten problemas técnicos no resueltos. En el caso de la patente US 8558402 B2, se presenta un sistema modular y transportable con varias turbinas que se pueden elegir con sus compuertas respectivas; El principal problema que presenta este sistema, es que para la posición de generación con todas las compuertas arriba, no se permite el paso del agua por el costado de las turbinas, por lo que el bloqueo producido por el funcionamiento de las turbinas, podría generar el rebalse del canal o bien disminuir la potencia generada al perder la energía cinética de la caída de agua sobre la compuerta. En el caso de la solución propuesta en WO 2014/051526 Al, el mayor problema es que las turbinas que utiliza (Banki) tienen un área de bloqueo cercano al 100%, lo cual es sub- óptimo para caudales cercanos al caudal máximo de diseño que tenía el canal antes de la instalación del problema; Adicionalmente, en esta solución no especifica cuál es el caudal de evacuación total, con las turbinas en posición separada, pudiendo provocar problemas de rebalsamiento del canal aún en la posición sin turbinas, ya que éstas no se pueden remover fácilmente fuera del canal en caso de una crecida. Por último, la solución propuesta US 2013/0062882 Al, posee la desventaja intrínseca de generar desahogo por arriba de la compuerta, lo cual puede ser posible sólo en salidas laterales de agua del canal, o bien, cuando el flujo del canal es menor al caudal máximo de diseño del canal, caso en el que no podría realizarse el represamiento requerido para que esta solución funcione.

Una opción interesante para explotar el potencial en canales artificiales es lo planteado por la empresa JAG Seabell en sus patentes EP 2711541 Al, US 8475113 B2 y WO2010086958A1 por ejemplo. El principal problema técnico que no resuelve esta solución es que dado que el porcentaje de área bloqueada por la máquina es muy cercana al 100%, los niveles de agua aguas arriba de la máquina están limitados por la cantidad de flujo que pueden evacuar por sobre la máquina. Este problema es particularmente complicado cuando se requiere instalar una de estas máquinas en un canal con poca pared sobre la superficie libre del agua y con un caudal de diseño que implique que la altura de escurrimiento esté cerca del borde de la pared, caso en el cual se rebalsaría el canal. Otro problema que no se resuelve de manera directa con este sistema es cómo el sistema reacciona ante crecidas repentinas del canal, lo cual puede provocar el rebalsamiento catastrófico del canal. n de la Invención

as Técnicos resueltos por la invención

les problemas técnicos no resueltos por el estado del arte y que el sistema descritonte invención intenta resolver son:

sibilidad de generación hidroeléctrica en cursos de agua sin caída, con régimen escurrimiento subcrítico con pendientes desde 0,05%, cambiando el paradigma sobre qué lugares son factibles para la generación hidroeléctrica y generación de presión de agua para riego o consumo humano.

ificación de la sección transversal del canal artificial o el cauce natural del río, lo cual provoca problemas de desabastecimiento temporal o permanente del agua durante la construcción y/o operación del sistema de generación de energía, además del impacto social y/o ambiental por la disminución de los caudales.

lemas de seguridad de los equipos, el canal o los alrededores, en el caso de crecidas que requieran el caudal de evacuación máximo que tiene por diseño del canal. Esto ocurre en todos los casos en que se obstruya el canal, modificando su caudal máximo de diseño, lo cual generaría un rebalse del canal en el escenario que se dé el caudal máximo de diseño.

cantidad de energía extraíble del flujo en canal abierto, lo cual dificulta la extracción de energía por medio de una turbina. Una turbina requiere energía cinética para funcionar, ya sea en forma de energía cinética que lleva el flujo o inducida por una diferencia de altura, siendo ambas alternativas relativamente poco frecuentes a lo largo de canales artificiales. Ésta baja cantidad de energía extraíble, muchas veces sucede en canales que poseen una gran cantidad de energía total, pero en las siguientes combinaciones: Un régimen sub-crítico de escurrimiento del canal con velocidad baja y un área de gran tamaño; O bien un régimen supercrítico de escurrimiento del canal con velocidad alta del flujo pero un área muy pequeña para agregar una turbina para la extracción de energía. eficiencia de las turbinas al enfrentar condiciones dé flujo fuera de su rango de operación. Independiente del tipo de turbina, todas ellas necesitan ciertas condiciones físicas específicas para operar de manera eficiente, por lo que una gran variabilidad de caudales hace que su eficiencia sea muy baja. La gran variabilidad de los caudales en canales artificiales genera grandes variaciones en las alturas y velocidades de escurrimiento, ya sea en escala de segundos, minutos, horas, días, meses o años. Esta gran variabilidad implica que las alternativas actuales de turbinas hidrocinéticas tengan una menor área mojada en el caso que sean de eje vertical, o bien que las aspas de la turbina queden por fuera del agua en el caso que sean de eje horizontal, generando vibración, olas en la superficie y una menor eficiencia.

Poca cantidad de área para extracción de energía en el flujo de un canal, lo cual incide en que la cantidad de energía mecánica por eje de cada rotor sea muy baja para aplicaciones prácticas de generación de energía eléctrica, presión de agua u otro fin productivo.

No existe una metodología que maximice la cantidad de energía generada anual de una serie de dispositivos dispuestos en serie en un canal desde 0,05% de pendiente.

Las bombas hidráulicas para extraer agua del canal de regadío, requieren electricidad y un generador eléctrico para funcionar, lo cual no es factible técnica y/o económicamente en muchas localidades rurales y posee varias pérdidas por calor en el motor eléctrico y su controlador utilizado.

3.2. Medios para resolver el problema y efectos de la invención

Los medios que se ocupan para resolver los problemas técnicos anteriormente mencionados son variados, por lo que usamos ejemplo de aplicación en concreto para mostrar la manera en que el sistema logra mejorar las soluciones actuales descritas en la sección de la descripción del estado del arte. El ejemplo de aplicación que se utilizará es un canal revestido de regadío, con pendiente de 1,6%, 2.000 metros de largo, de sección cuadrada con 1,6 metros de profundidad y 3,2 metros de ancho, con revestimiento de concreto con coeficiente de Manning de 0,016. De esta manera, podremos mostrar los medios para resolver los problemas enunciados en la descripción del estado del arte y los efectos que tiene la invención por sobre el estado actual de la técnica.

El sistema no modifica la obra civil del canal, gracias a que los elementos de soporte y anclaje del sistema son adicionales al canal y pueden ser instalados sin el requerimiento de alterar los muros ni el fondo del canal, lo cual permite la instalación del sistema sin la necesidad de modificar el cauce normal del canal. De esta manera se mantiene la capacidad máxima de escurrimiento del canal y el acceso de agua a usuarios aguas abajo de la instalación de la turbina. En la figura 1 se muestra el sistema en su posición fuera del agua, la cual permite el escurrimiento máximo del canal y/o realizar labores de limpieza y mantención del canal. En la figura 2 se muestra el sistema en posición de generación con 3 turbinas del tipo hidrocinético, con su eje de manera axial al flujo.

Una de las grandes diferencias del dispositivo, en comparación con las alternativas existentes, es que el sistema accede a una cantidad de energía extraída mayor que la energía cinética que éste posee en su escurrimiento sin sistema, gracias a la metodología que denominamos "Represamiento Dinámico". Represamiento dinámico es una metodología que permite acumular energía entre distintos sistemas en serie en forma de energía potencial, usando la infraestructura o batimetría natural de éste, para que luego sea liberada en forma de energía cinética en la turbina. La metodología de represamiento dinámico combina la acción de las distintas compuertas (principales y de turbina) junto con el torque y velocidad angular del rotor de cada una de las turbinas. El efecto agregado de estas tres variables, tiene como objetivo maximizar la cantidad de energía extraída por las turbinas, sujeto a qué no se escurra agua fuera del canal, regulando el nivel del agua aguas arriba y abajo de cada sistema. Gracias a que el sistema regula de manera precisa los niveles de agua, entre cada sistema, se puede acumular una cantidad importante de energía en forma de energía potencial gravitatoria, logrando niveles de escurrimiento mayores a la altura normal de escurrimiento, pero menores a la revancha del canal, aprovechando así la infraestructura existente de éste. En la figura 3 se muestra un ejemplo del sistema, en una vista isométrica en corte, donde se muestran las compuertas y turbinas fuera del agua, con el nivel normal de escurrimiento del agua (A) y la dirección del flujo de derecha a izquierda (B). En la figura 4 se muestra el mismo sistema y vista que en la figura 3, pero con las turbinas y compuertas en posición de generación, las cuales modifican el nivel de escurrimiento aguas arriba (C) y aguas abajo (B), manteniendo la altura de agua menor al borde de la pared del canal. En este caso, donde el dispositivo se encuentra sumergido, el nivel de agua aguas arriba del sistema se eleva por sobre la altura normal de escurrimiento (1 m) a una altura más cercana al borde del canal (1,5 m). Gracias a este efecto, se provoca una contracción del flujo del agua por debajo de la compuerta, haciendo que el flujo de agua acelere en la zona de la turbina, pasando generalmente de flujo subcrítico a supercrítico, logrando mayores velocidades y direcciones para la propulsión de una turbina. Tanto el nivel de agua aguas arriba y abajo del dispositivo se ven afectados ya sea por la posición de las compuertas como con el comportamiento de los rotores de la turbina. Otro problema técnico que resuelve este dispositivo es la maximización del área de extracción de energía. Tal como se visualiza en las figuras 3 y 4 del ejemplo enunciadas anteriormente, el dispositivo posee múltiples rotores a lo ancho del canal, lo cual da la capacidad de tener mayor área de captación de energía en comparación con una turbina hidrocinética común. En las figuras 5 a 8 se muestra la comparación de dos situaciones de flujo para ejemplificar esta ventaja del sistema por sobre un sistema hidrocinético común. En la figura 5 se aprecia una vista frontal en corte del canal, con la superficie libre del agua (A) y una turbina hidrocinética (B) de 1 m de diámetro, con altura de escurrimiento de 1,2 m y caudal 7 m 3 /s de flujo, la cual queda completamente sumergida. En la figura 6 se muestra una vista frontal en corte del canal, con la superficie libre del agua (A) y una turbina hidrocinética (B) de 1 m de diámetro, con altura normal de 0,8 m y 4,2 m 3 /s de flujo, quedando parte del aspa fuera del agua, generando pérdidas por generación de olas en la superficie y vibraciones en la turbina, bajando la cantidad de potencia generada por ésta. En la figura 7, se muestra un ejemplo del sistema de la invención, con 3 turbinas hidrocinéticas de eje horizontal (B) de 0,6 m de diámetro altura normal aguas arriba de l,5m y 7 m 3 /s de flujo, con parte del flujo aliviado por sobre las turbinas y bajo la compuerta principal (C), maximizando la velocidad del agua alrededor de las turbinas para evitar que se rebalse el canal. En la figura 8, se muestra un ejemplo del sistema de la invención, con 3 turbinas hidrocinéticas de eje horizontal (B) de 0,6 m de diámetro, con flujo másico de 5,6 m 3 /s y altura normal aguas arriba de l,3m, gracias a que la compuerta principal (C) bajó alrededor de 20 centímetros, logrando mantener constante el nivel del agua aguas arriba. La turbina hidrocinética convencional que se muestra en las figuras 5 y 6, tiene como requerimiento funcional el que la altura de escurrimiento sea mayor a su diámetro, ya que con menores flujos, disminuye el área de captación de energía, además de las pérdidas de potencia por generación de olas en la superficie y vibraciones en los elementos mecánicos, por quedar parte del rotor fuera del agua (véase figura 6). En el caso del ejemplo de sistema de la invención que se muestra en las figuras 7 y 8, se puede apreciar que la invención resuelve el problema del área y sus distintos niveles de agua en el año, gracias a lo que denominamos represamiento dinámico, buscando una combinación óptima entre la compuerta y el bloqueo de las turbinas, de manera que se mantenga el agua sobre las turbinas y la superficie libre, en algún nivel cercano pero por debajo al borde superior del canal, evitando las pérdidas de agua por sobre el muro del canal.

Otro problema técnico importante que resuelve este dispositivo, es la adaptación a distintos flujos másicos de agua que se dan a lo largo del año, maximizando la cantidad de energía anual. Este problema se resuelve con la capacidad que posee el sistema para adaptarse a distintos flujos másicos de agua, modificando el efecto de bloqueo por las turbinas en operación, junto con la posición de las compuertas que disminuye el área a la entrada de las turbinas. De esta manera, se logra un nivel de bloqueo que maximiza la potencia instantánea del sistema de dispositivos, sujeto a que la superficie del agua no supere la altura del borde del canal. En las figuras 9, 10 y 11, se muestra la invención en un canal de sección rectangular, con la posición óptima de las compuertas para distintos flujos másicos: 5,6m 3 /s (figura 9), 4,2m 3 /s (figura 10) y lm 3 /s (figura 11). Tal como se aprecia en las figuras anteriormente mencionadas, gracias al uso de las compuertas secundarias, el sistema logra mantener el nivel del agua previo a la turbina, cerca del borde del canal, logrando la acumulación de energía potencial aguas arriba, gracias a la infraestructura existente del canal, la cual es descargada en las turbinas que estén disponibles para la generación (3,2 o 1 turbina en este caso). Si se considera la distribución de caudales que se aprecia en la figura 12, podemos calcular la potencia generada durante el año como se muestra en la figura 13, comparando la potencia generada por la invención versus una turbina hidrocinética convencional de lm de diámetro a lo largo del año. Como podemos notar, la invención genera entre 2,8 a 3,5 veces más potencia instantánea que una turbina hidrocinética convencional, en los meses que ambas generan (octubre hasta abril). Además, la invención logra producir 6,3 kW en los meses de mayo y junio, cuando la turbina hidrocinética no puede operar, ya que queda con el rotor fuera del agua.

El objetivo final de la invención es maximizar la energía extraída del canal a lo largo del año de varios sistemas en serie, lo cual no es trivial, ya que existe interacción física entre ellos, dado que cada sistema afectará el eje hidráulico a lo largo del canal. El efecto de la captación de energía por parte de los sistemas, tiene efectos en el escurrimiento aguas arriba y abajo, por lo que el dimensionamiento de cuántos y cuáles sistemas instalar es un tema importante a resolver para poder lograr una escala técnica y económicamente eficiente, para cada grupo de turbinas instaladas en serie a lo largo del canal. Haciendo los balances de energía, flujo másico y momentum a través de los sistemas, se puede establecer cuál sería la potencia total de los sistemas en un periodo de tiempo (e.g. un año) a distintas distancias entre los sistemas, determinando el nivel óptimo de bloqueo de cada sistema en cada flujo másico del año. En la figura 14 se puede apreciar la energía total generada por todos los sistemas en un año, es decir, la suma de energía de todos los sistemas dispuesto en serie a lo largo de los 2 kilómetros de canal, para distintos flujos másicos que se dan en ese año (véase flujos másicos en figura 12) comparado con la potencia de la suma de turbinas hidrocinéticas convencionales instaladas en el mismo lugar y a la misma distancia. Tal como se aprecia en la figura 14, la invención es capaz de generar hasta 5,4 veces más de energía anual que su alternativa convencional, en el caso de 1 turbina y 4,7 veces más energía anual para la potencia máxima de los sistemas dispuestos en serie, que sería cuando se instalan 4 sistemas de la invención puestos en serie, versus 4 sistemas hidrocinéticos convencionales en el mismo lugar.

Si en la figura 14 se analiza el incremento en la energía por año que genera un sistema adicional, la cantidad de energía por un sistema de la invención adicional, la tasa de incremento de la energía anual comienza a decrecer por cada sistema adicional, creciendo un 100% de 1 a 2 sistemas, un 42% de 2 a 3, un 27% de 3 a 4 y sólo un 3% de 4 a 5, ya que estos comienzan a influir la manera en que escurre el agua en el canal, disminuyendo la cantidad de energía extraída a medida que aumento un sistema adicional. Este efecto no afecta en los sistemas hidrocinéticos convencionales analizados en este caso, ya que la influencia en el eje hidráulico para las distancias analizadas es despreciable, principalmente porque el canal alcanza a recuperar su eje hidráulico para tales distancias. Por otro lado, en el caso del ejemplo, cuyos resultados dado que la pendiente del canal es la misma en el tramo analizado, todos los sistemas estarían separados equidistantemente ya que la pendiente es constante a lo largo del tramo, tal como se muestra en la figura 15. En caso que las pendientes cambiaran a lo largo del canal, o bien existan singularidades hidráulicas (cambios de área, curvas, etc) la distancia óptima entre los sistemas debería no ser equidistante.

4. Descripción de los dibujos

A continuación se detallan las figuras que pretenden ilustrar distintos elementos de la invención y cómo se relacionan entre ellos. Las medidas de las figuras no son necesariamente las reales con el objetivo de mostrar los conceptos de la invención de manera clara.

La figura 16 muestra una vista isométrica en corte y la figura 2, una vista lateral del sistema, en su posición de generación, mostrando el efecto en el escurrimiento del agua, aguas arriba (A) y aguas debajo del sistema (B), con las principales piezas del sistema a la vista. En estas figuras se aprecia el uso de turbinas (1) hidrocinéticas de eje horizontal, las placas de separación de flujo (16), la estructura de soporte (4) de las turbinas (1) y placas de separación de flujo (16), cuya posición está determinada por el sistema mecánico de posicionamiento (5) a partir de un hinche, el cual permite que la estructura de soporte (4) pueda subir gracias al acortamiento del cable que se conecta con ésta, la cual puede bajar por gravedad al alargar el cable, deslizando por la estructura de soporte general (6). La estructura de soporte general (6) posee un bloque de hormigón armado que se apoya en el suelo fuera del canal (D), que se conecta con todas las vigas que dan soporte los sistemas de posicionamiento con hinche (5 y 8), la estructura de soporte de las turbinas (4) y las compuertas (7), para que todo pueda posicionarse por sobre la pared del canal (C) en caso que se requiera, tal como se muestra en la figura 1. Las compuertas de la figura (7) son del tipo deslizante, todas comandadas de manera independiente por su propio sistema de posicionamiento (8), que en el casó de la figura, es de hinche, que permite que la compuerta se deslice hacia arriba al acortar el cable de acero que se conecta con la compuerta, la cual puede bajar gracias a su peso propio. Todo este sistema está soportado por una compuerta principal que desliza en una viga vertical que es parte de la estructura de soporte principal (6).

La figura 16 y 17 son esquemas generales, ya que cada subsistema tiene distintas opciones tecnológicas para cada uno. Respecto del subsistema de las turbinas (1) que se muestra en la figura 16 y siguientes, se muestran turbinas del tipo hidrocinético de eje horizontal, lo cual puede variar en otros tipos de rotor de turbina, cambiando tanto la orientación de su eje como el tipo de turbina, pudiendo ser: i. De eje horizontal, axial al flujo, con rotores del tipo Kaplan, Bulbo o Pit; ii. Eje vertical con rotores del tipo Banki, Darrieus o Gorlov; iii. Eje horizontal, transversal al flujo, con rotores del tipo con rotores del tipo Banki, Darrieus o Gorlov. Respecto de los subsistemas mecánicos de posicionamiento (5 y 8) que están encargados de posicionar el soporte de las turbinas (4) y las compuertas (7), el huinche que se muestra en las figuras puede ser reemplazado por: i. Sistema de tornillo sin fin accionado manualmente o por un motor; ii. Un sistema de piñón y cremallera, accionados manualmente o por un motor; iii. Un sistema de pistones hidráulicos, accionados manualmente o por un grupo hidráulico. Respecto del subsistema de compuertas (7), en el caso de canal con escurrimiento supercrítico, éstas serían reemplazadas por rejas hidráulicas removibles, las cuales estarían en contacto con el fondo del canal, por delante de las turbinas, con el objetivo de evitar la entrada de objetos distintos al agua; Respecto de la instalación de rejas en el caso subcrítico, éstas serían instaladas de manera independiente aguas arriba del sistema, con el mismo objetivo que se menciona anteriormente.

En la figura 18 se muestra una vista de detalle lateral, en perspectiva, mostrando la conexión mecánica directa con un eje (2) de una turbina (1) con el generador eléctrico (3). El sistema de sellos y soporte de ejes para evitar el ingreso del agua, mostrando el retén de goma (16), el soporte del retén de goma (21), luego el soporte de sellos mecánicos y rodamientos (22), con sus respectivos sellos mecánicos (17), rodamientos (18), tuerca de ajuste (19) y acople flexible entre ejes (20). En las figuras 19 y 20 se muestra una variación donde el eje de la turbina (2) se conecta con una bomba hidráulica (23) que reemplaza el generador eléctrico, para generar presión y flujo de agua a una red hidráulica fuera del canal, succionando agua a través de un filtro de entrada (24) hacia una red de distribución de agua (25).

En la figura 21, se muestra una vista de isométrica posterior en corte y perspectiva, mostrando la conexión mecánica entre las turbinas (1) del sistema, su eje (2) y un generador (12) mediante un sistema de correas y poleas (10). En la figura 22 y 23 se muestra una vista en perspectiva superior e isométrica trasera (respectivamente) mostrando la conexión mecánica entre las turbinas (1) del sistema, que están bajo el nivel de agua, conectando su eje (2) y el eje de un generador (12), mediante un sistema de correas y poleas (10). En las figuras 24, 25 y 26, se muestra la misma configuración que las figuras 21 a 23, pero mostrando la variación que incluye una bomba hidráulica (14) en vez de un generador (12), conectando la turbina (1) y su eje (2), con un sistema de correas y poleas (10), con el eje de la bomba (14) la cual succiona agua del canal desde un tubo (26) adecuadamente conectado con el agua, el cual no se muestra en la figura, con el objetivo dar simplicidad en la explicación del concepto. El tubo de salida (27) de la bomba hidráulica (14), se conecta con una red hidráulica exterior al canal. En las figuras 27, 28 y 29, se muestra una vista frontal de la invención, mostrando el nivel de la superficie libre del agua (A), la estructura de soporte de las turbinas (4), las turbinas (1), la estructura de soporte general (6) y las compuertas independientes (15) en distintas posiciones. En la figura 27, se aprecia él sistema con todas las compuertas independientes abiertas, en la figura 28 se muestra el sistema con una de las compuertas cerradas para disminuir el flujo a través del sistema y mantener el nivel de represamiento de agua (A), y en la figura 29 se muestra el sistema con dos compuertas cerradas para lograr el mismo efecto con un flujo másico menor.

Las siguientes dos figuras muestran los esquemas eléctricos de conexión, entre los generadores eléctricos (12 o 3) y el sistema interconectado eléctrico (conectados a la red o en una red independiente) para distintas topologías. En la figura 30 se muestra el esquema de conexión para un generador de ¡manes permanentes. En la figura 31 se muestra el esquema de conexión para un generador de inducción doblemente alimentado por la red eléctrica.