“Sistema de generación de energía eléctrica a partir de una fuerza de empuje aerostático”

Sector técnico de la invención

La invención se refiere a un sistema de generación de energía eléctrica a partir de una fuerza de empuje aerostático. Antecedentes de la invención

Es previsible que los compromisos internacionales en materia de reducción de gases de efecto invernadero establezcan, y hagan efectivos, imperativos cada vez más restrictivos respecto al alcance de la producción eléctrica a partir de combustibles fósiles, lo que redundará en una mayor inversión en energías renovables, aquellas que no producen efectos adversos sobre la atmósfera ni el medio ambiente.

La demanda intensiva de electricidad producto de la actividad industrial, entre otros criterios particulares, impone medios masivos de producción eléctrica, como la que ofrecen las centrales térmicas, que puedan garantizar el suministro de potencia de manera continua y sostenida. Esta circunstancia, aunada a la disponibilidad intermitente de energía extraíble de los medios naturales, limita las posibilidades de cobertura de la demanda mediante fuentes renovables. La incapacidad de almacenar la electricidad producida a la escala requerida de un modo viable económicamente presenta asimismo un desafío importante, que tiene una incidencia económica que se explica por el desajuste de la oferta con la demanda. Ciertas tecnologías son capaces de atajar esa limitante, como es el caso de un número de plantas hidroeléctricas con capacidad de operar de manera reversible, turbinando (y por tanto generando electricidad) en horas de demanda eléctrica, y consumiendo electricidad para bombear el agua previamente turbinada durante el horario nocturno, cuando la baja o nula demanda supone costos de electricidad proporcionalmente bajos, o acaso inexistentes. El bombeo de agua equivale a dotarse de energía potencial con un mayor gasto neto de energía, que sin embargo es a un costo marginal, mientras que se reserva el agua para producir electricidad en los horarios en que la demanda, y por lo tanto el precio del kWh, es más alta.

La solicitud de patente WO2015027113 A1 se refiere a un sistema y un método para almacenar energía potencial, capaz de generar energía eléctrica a partir de la fuerza de gravedad, que comprende un pistón deslizable en el interior de un cilindro hueco, cuyas paredes definen un volumen interno que contiene un líquido, una junta de sellado dispuesta entre el pistón y las paredes del cilindro, y un conducto de líquido en comunicación con el cilindro. El pistón divide el volumen interior en una primera cámara superior y una segunda cámara inferior, estando ambas cámaras intercomunicadas a través del conducto. El sistema comprende además una bomba/turbina reversible acoplada operativamente en el conducto de líquido para accionar un motor/generador reversible, y válvulas de control. El pistón es susceptible de moverse dentro del cilindro entre una posición elevada a una posición inferior. Cuando el pistón se encuentra en la posición inferior, la turbina deja de funcionar de modo que la energía generada es usada para accionar el motor de la bomba que a su vez impulsa el líquido a través del conducto desde la cámara superior hacia la cámara inferior, aumentando así la presión en la cámara inferior bajo el pistón. La diferencia de presión provoca la elevación del pistón hasta alcanzar la posición elevada, almacenándose energía potencial en el sistema. A continuación, la bomba deja de funcionar de manera que la energía potencial almacenada permite el descenso del pistón, cuyo peso impulsa el líquido hacia el conducto desde la cámara inferior hacia la cámara superior de modo que el líquido fluye a través de la turbina accionando así el generador para producir energía eléctrica, que puede ser utilizada en una central eléctrica. Este sistema puede ser usado, por ejemplo, para almacenar energía potencial que haya sido generada durante las horas de menor demanda de consumo eléctrico.

Sin embargo, se trata de un sistema provisto de una bomba/turbina reversible, análogo al de una planta hidroeléctrica reversible, que requiere electricidad para accionar la bomba para elevar el pistón en modo de recuperar energía potencial, siendo la bomba la misma turbina con rotación inversa. Por tanto, la eficiencia global del ciclo es negativa ya que se extrae menos energía de la que se suministra, aunque por otra parte se obtiene rentabilidad económica al alimentarse con el excedente de energía y producir en horario de alta demanda, cuando el precio del kWh es mayor.

En la actualidad, la necesidad de encontrar soluciones que compatibilicen los intereses económicos y ecológicos afecta a la cadena entera del sistema eléctrico, desde la tecnología de generación eléctrica hasta el consumo eficiente.

Por tanto, sería deseable disponer de un sistema de generación de energía eléctrica a partir de energía potencial, que permita generar electricidad en modo inmediato y continuo, y que garantice en todo momento una eficiencia global del ciclo positiva, esto es con un nulo o insignificante aporte de energía eléctrica para restaurar la energía potencial cedida.

Asimismo, es de interés que la solución pueda implementarse de una forma estructuralmente sencilla, economizando el coste energético y reduciendo los costes de explotación.

Explicación de la invención

Con objeto de aportar una solución a los problemas planteados, se da a conocer un sistema de generación de energía eléctrica a partir de una fuerza de empuje aerostático, caracterizado porque comprende al menos una unidad generadora de electricidad que comprende

- un conducto vertical estanco dispuesto soterrado bajo el nivel de la corteza terrestre, de modo que contiene en su interior un volumen de aire a presión atmosférica;

- un aeróstato alojado en el interior del conducto vertical configurado con capacidad para desplazarse con un movimiento alternativo entre una posición de elevación y una posición de descenso del conducto vertical, estando el aeróstato configurado por una carcasa que comprende

- al menos una cámara hueca que alberga en su interior al menos un compartimento de gas que confina en su interior un volumen de un gas de sustentación con una densidad menor a la densidad del aire a presión atmosférica, y - al menos un compartimento de aire para la carga de un volumen de aire, preferentemente a la presión atmosférica, configurado con capacidad de comprimir parcialmente el menos un compartimento de gas para procurar un aumento de la densidad del gas de sustentación;

- unos medios de carga configurados para inyectar un volumen de aire en el interior del compartimento de aire del aeróstato a través de una boca de carga, cuando dicho aeróstato se encuentra en la posición de elevación, lo que procura un movimiento descendente del aeróstato hacia su posición de descenso por efecto de la fuerza de gravedad;

- unos medios de descarga configurados para evacuar el volumen de aire contenido en el compartimento de aire del aeróstato a través de una boca de descarga, cuando dicho aeróstato se encuentra en la posición de descenso, lo que procura un movimiento ascendente del aeróstato hacia su posición de elevación, por efecto de una fuerza de empuje aerostático capaz de contrarrestar la fuerza de la gravedad;

- al menos un conducto de recirculación en comunicación con el conducto vertical, para procurar la recirculación del volumen de aire desplazado por el aeróstato durante su movimiento alternativo de elevación y descenso; y

- unos medios de conversión energética asociados operativamente con el aeróstato y configurados para convertir la energía potencial resultante del movimiento de elevación del aeróstato en energía eléctrica.

De este modo, se obtiene un sistema que permite generar electricidad en modo inmediato y continuo, garantizando en todo momento una eficiencia global del ciclo positiva, esto es con un nulo o insignificante aporte de energía eléctrica para restaurar la energía potencial cedida, a diferencia de los sistemas de generación de energía eléctrica conocidos en el estado de la técnica que requerían almacenar la energía potencial para su uso en horas de mayores picos de demanda de electricidad.

En efecto, para procurar la elevación del aeróstato se aprovecha la fuerza de sustentación aerostática con el propósito de generar electricidad, mientras que para procurar el descenso del aeróstato, sin tener que aplicar una fuerza de tracción, se aplica aire (que es más denso que el gas de sustentación) dentro del compartimento de aire, de modo que permite contraer las cámaras aerostáticas (en aproximadamente un 40% con respecto al volumen de gas original). Por tanto, el peso debido al aumento de la densidad del gas más el peso del aire contenido dentro del compartimento de aire, así como el peso del aire desplazado hacia los compartimentos que comprimen las cámaras aerostáticas, permite compensar la fuerza de sustentación, de modo que la fuerza gravitacional neta del aeróstato resulta del peso del material que lo conforma, haciendo así descender el aeróstato.

Además, el hecho de que el conducto vertical está soterrado permite al sistema operar en condiciones controladas y continuamente, sin que la meteorología suponga un condicionante y sin generar asimismo disrupción sobre el entorno.

Asimismo, el sistema de la invención se puede implementar de una forma estructurante sencilla, lo cual permite economizar el coste energético y reducir los costes de explotación.

Preferentemente, el gas de sustentación contenido en el al menos compartimento de gas es hidrógeno, aunque como alternativa podría utilizarse helio o una combinación de ambos gases. Cabe destacar que el empleo de hidrógeno tiene la ventaja de que es menos denso que el helio y además es más abundante en la tierra.

De acuerdo con otra característica de la invención, los medios de conversión energética están configurados por al menos un cabrestante dispuesto por debajo de la parte inferior del conducto vertical, provisto de un tirante enrollado al eje giratorio del cabrestante y acoplado por su extremo libre a la parte inferior de la carcasa del aeróstato, de modo que el cabrestante es capaz de recibir la fuerza de tracción del tirante generada por la fuerza de empuje aerostático del aeróstato vacío durante su movimiento ascendente, y estando un eje motriz del cabrestante conectado mecánicamente a un generador de energía eléctrica, a través de un tren de engranajes que actúa como un reductor de velocidad, para generar electricidad en cada movimiento de ascenso del aeróstato.

Conforme a otra característica de la invención, los medios de carga del aire están conectados a una toma exterior en la que se encuentra al menos un ventilador para la inyección de un flujo de aire atmosférico dentro del compartimento de aire, y estando los medios de descarga conectados a su vez a dicha toma exterior de modo que el ventilador es susceptible de actuar en sentido inverso de giro para aspirar el volumen de aire inyectado en el compartimento de aire.

Ventajosamente, los medios de carga del aire están configurados por una conducción de alimentación conectada a la toma exterior para la inyección de aire, provista de una válvula de carga antirretorno situada sobre la parte superior del conducto vertical, y adaptada para acoplarse a la boca de carga del compartimento de aire cuando el aeróstato se encuentra en su posición de elevación; y los medios de descarga del aire están configurados por una conducción de evacuación conectada a la toma exterior para la evacuación de aire, provista de una válvula de descarga antirretorno situada bajo la parte inferior del conducto vertical, y adaptada para acoplarse a la boca de salida del compartimento de aire cuando el aeróstato se encuentra en su posición de descenso, estando la conducción de evacuación dispuesta con un tramo de retorno que discurre a través del interior de uno de los conductos de recirculación para su conexión con la toma exterior. Asimismo, ambas bocas de carga y descarga del compartimento de aire disponen de respectivas válvulas antirretorno.

Según una realización preferida de la invención, la carcasa del aeróstato está configurada por un compartimento de aire central de configuración preferentemente cilindrica y múltiples cámaras de configuración paralelepipédica, cada una alojando en su interior un compartimento de gas, y estando dichas cámaras fijadas a la pared exterior del compartimento de aire sobresaliendo a modo de alas verticales, preferentemente cuatro cámaras formando una cruz.

Según otra característica de la invención, cada cámara periférica comprende una estructura rígida a modo de rejilla y una envolvente exterior fabricada de un tejido, preferentemente de lona, fijada a la estructura rígida.

Ventajosamente, el compartimento de aire central está dispuesto de modo que su parte inferior está separada una distancia predeterminada por encima de su boca de descarga, lo que define un espacio en comunicación con una abertura inferior prevista en cada cámara periférica, de modo que el aire inyectado dentro del compartimento de aire es capaz de penetrar en cada cámara a través su respectiva abertura y comprimir parcialmente el respectivo compartimento de gas, lo que procura un aumento de la densidad del gas, y por ende un aumento de su peso específico que, sumado al peso del volumen de aire contenido dentro del compartimento de aire y del volumen de aire desplazado dentro de las cámaras, permite compensar la fuerza de sustentación del aeróstato.

Preferentemente, cada cámara está fijada por su lado inferior a varios tirantes enrollados a sendos cabrestantes de los medios de conversión energética.

Conforme a otra característica de la invención, el conducto vertical comprende una cavidad central longitudinal excavada en la corteza terrestre, configurada para el alojamiento del aeróstato; y el conducto de recirculación comprende múltiples cavidades laterales, preferentemente cuatro, excavadas en la corteza terrestre, dispuestas en torno a la cavidad central, y estando dicho conducto vertical y dicho conducto de recirculación sellados por sus extremos superior e inferior mediante sendas tapas superior e inferior de configuración abovedada de modo que definen sendos espacios que procuran un circuito cerrado de recirculación del aire desplazado por el movimiento alternativo del aeróstato.

Ventajosamente, la tapa superior comprende un orificio para el paso de la conducción de alimentación y de la conducción de evacuación del compartimento de aire, y unos deflectores estratégicamente posicionados en su parte inferior para direccionar el paso del aire de recirculación.

Adicionalmente, la tapa inferior comprende una pluralidad de orificios para el paso de los respectivos tirantes de los cabrestantes. Según otra característica de la invención, el aeróstato comprende unos rodamientos previstos para deslizar sobre unos railes longitudinales complementarios dispuestos en la pared interior del conducto vertical, con el propósito de mantener la estabilidad del aeróstato durante su movimiento alternativo a lo largo del conducto vertical.

Ventajosamente, el sistema puede comprender múltiples unidades generadoras dispuestas de modo que los respectivos aeróstatos están sincronizados según un orden secuencial de carga, con el propósito de multiplicar la capacidad productiva y a su vez generar continuidad en el suministro eléctrico.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos adjuntos se ilustra, a título de ejemplo no limitativo, un modo de realización preferido del sistema de generación de energía eléctrica a partir de una fuerza de empuje aerostático de la invención. En dichos dibujos:

- la Fig. 1 es una vista esquemática del sistema según una realización preferida de la invención;

- la Fig. 2 es una vista en perspectiva del aeróstato según una realización preferida, provisto de un compartimento de aire central y cuatro compartimentos del gas de sustentación dispuestos en forma de cruz, mostrando la estructura rígida a modo de rejilla de las cámaras:

- la Fig. 3 es una vista en perspectiva del aeróstato de la Fig. 2, desprovisto de la estructura rígida de las cámaras, para mostrar con mayor claridad los compartimentos de gas y el compartimento del aire;

- la Fig. 4 es una vista ampliada de la Fig. 3 mostrando la abertura inferior de las cámaras representando mediante flechas la entrada de aire en su interior;

- las Figs. 5a y 5b son vistas en perspectiva de una cámara sin representar su estructura rígida por motivos de claridad, mostrando esquemáticamente el compartimento de gas alojado en su interior, en líneas discontinuas, y mostrando respectivamente una primera posición del compartimento de gas expandido ocupando todo el volumen de la cámara, y una segunda posición con el compartimento de gas parcialmente comprimido;

- la Fig. 6 es una vista parcial en perspectiva de la parte superior del aeróstato que muestra la boca de carga de aire y mostrando la envolvente exterior fijada a la estructura rígida de las cámaras;

- la Fig. 7 es una vista parcial en perspectiva de la parte inferior del aeróstato que muestra la boca de descarga de aire;

- la Fig. 8 es una vista esquemática en perspectiva del aeróstato que muestra sus dimensiones para el cálculo de su volumen;

- la Fig. 9 es una vista esquemática en perspectiva superior del sistema soterrado según un corte cilindrico de la corteza terrestre, mostrando la tapa superior y las conducciones de alimentación y evacuación del compartimento de aire:

- la Fig. 10 es una vista en perspectiva de la tapa superior, mostrando su cara interior;

- la Fig. 11 es una vista esquemática en perspectiva de la parte superior del sistema según la Fig. 9, visto sin la tapa superior;

- la Fig. 12 es una vista en planta superior del conducto vertical y los conductos de recirculación de aire excavados en la corteza terrestre;

- la Fig. 13 es una vista esquemática en perspectiva inferior del sistema soterrado según un corte cilindrico de la corteza terrestre, visto sin la tapa inferior;

- la Fig. 14 es una vista en planta inferior de la tapa inferior, mostrando un detalle de uno de los orificios de paso para los tirantes de los cabrestantes;

- las Figs. 15a y 15b son vistas en perspectiva del sistema, mostrando el aeróstato en su posición de descenso y en su posición de elevación, respectivamente;

- la Fig. 16 es una vista ampliada en perspectiva de la cavidad central del conducto vertical para el alojamiento del aeróstato, mostrando los raíles longitudinales para el deslizamiento de los rodamientos del aeróstato;

- la Fig. 17 es una vista ampliada en planta de una de las cámaras del aeróstato, mostrando un detalle de los rodamientos;

- las Figs. 18a y 18b son respectivamente vistas esquemáticas de un cuarto de potencia de los medios de conversión energética conformado por al menos un cabrestante, un tren de engranajes y un generador de energía eléctrica, dispuestos en la parte inferior del conducto vertical, que muestran mediante flechas el sentido de la fuerza sobre el tirante en su funcionamiento en modo de generación de energía durante el ascenso del aeróstato y en modo recuperación de la energía potencial durante el descenso del aeróstato, respectivamente; y

- la Fig. 19 es una vista esquemática de una secuencia operativa de un conjunto de seis unidades generadoras para procurar continuidad de suministro de potencia.

Descripción detallada de la invención

A continuación, se describe un sistema de generación de energía eléctrica a partir de una fuerza de empuje aerostático según una realización preferida de la invención.

El sistema 1 puede comprender una o múltiples unidades generadoras de electricidad. Por motivos de claridad, en las figuras 1 a 18 se ha representado una sola unidad generadora de electricidad.

Según esta realización, la unidad generadora de electricidad comprende un conducto vertical 2 estanco dispuesto soterrado bajo el nivel de la corteza terrestre T (ver figura 1), de modo que contiene en su interior un volumen de aire a presión atmosférica; y un aeróstato 3 alojado en el interior del conducto vertical 2 configurado con capacidad para desplazarse con un movimiento alternativo entre una posición de elevación A (ver figuras 1 y 15b) y una posición de descenso B del conducto vertical 2 (ver figuras 1 y 15a).

Tal como se puede apreciar en las figuras 2 a 8, el aeróstato 3 está configurado por una carcasa que comprende varias cámaras 4 huecas que albergan respectivamente en su interior un compartimento de gas 5 que confina en su interior un volumen de un gas de sustentación con una densidad menor a la densidad del aire a presión atmosférica; y un compartimento de aire 6 para la carga de un volumen de aire a la presión atmosférica, configurado con capacidad de comprimir parcialmente el menos un compartimento de gas 5 para procurar un aumento de la densidad del gas de sustentación, como se explicará más adelante.

El compartimento de aire 6 está provisto de una boca de carga 6a para la entrada de aire dispuesta en su parte superior y una boca de descarga 6b para la evacuación del aire (ver figura 3). Asimismo, ambas bocas de carga 6a y descarga 6b están provistas de respectivas válvulas antirretorno (no mostradas).

En esta realización, el gas de sustentación contenido en los compartimentos de gas es hidrógeno, aunque como alternativa podría utilizarse helio o una combinación de ambos gases.

En la realización mostrada, la carcasa del aeróstato 3 está configurada por un compartimento de aire 6 central de configuración cilindrica y cuatro cámaras 4 de configuración paralelepipédica, cada una alojando en su interior un compartimento de gas 5. Dichas cámaras 4 están fijadas a la pared exterior del compartimento de aire 6 sobresaliendo a modo de alas verticales, formando una cruz visto en planta. Además, cada cámara 4 periférica comprende una estructura rígida 4a (ver figura 2) a modo de rejilla y una envolvente exterior 4b (ver figura 6) fabricada de un tejido, preferentemente de lona, fijada a la estructura rígida 4a.

En la figura 8 se ha representado las dimensiones del aeróstato 3 para el cálculo de su volumen, como se explicará más adelante en un ejemplo de caso práctico. Dichas dimensiones son:

- a: alcance, esto es la medida entre los extremos de dos cámaras 4 opuestas que conforman la forma de cruz;

- b: profundidad o atura; y

- c: anchura o grosor de cada cámara 4.

Como se puede observar en las figuras 3 y 4, el compartimento de aire 6 central está dispuesto de modo que su parte inferior está separada una distancia predeterminada por encima de su boca de descarga 6b, lo que define un espacio en comunicación con una abertura 21 inferior prevista en cada cámara 4 periférica, de modo que el aire inyectado dentro del compartimento de aire 6 es capaz de penetrar en cada cámara 4 a través su respectiva abertura 21 y comprimir parcialmente el respectivo compartimento de gas 5, lo que procura un aumento de la densidad del gas, y por ende un aumento de su peso específico que, sumado al peso del volumen de aire contenido dentro del compartimento de aire 6 y del volumen de aire desplazado (en un 40% el volumen original de gas) dentro de las cámaras 4, permite compensar la fuerza de sustentación del aeróstato.

En la figura 4 se puede apreciar la abertura 21 inferior de las cámaras 4 que permite el paso del aire representado mediante flechas para comprimir los compartimentos de gas 5.

Las figuras 5a y 5b muestran una cámara 4 (sin representar su estructura rígida por motivos de claridad) mostrando esquemáticamente el compartimento de gas 5 alojado en su interior, ilustrado en líneas discontinuas, y mostrando respectivamente una primera posición del compartimento de gas 5 expandido ocupando todo el volumen de la cámara 4, y una segunda posición con el compartimento de gas 5 parcialmente comprimido debido a la entrada de aire a través de la abertura 21 inferior de la cámara a medida que se va llenando el compartimento de aire 6.

Por otra parte, haciendo referencia a las figuras 1 y 9 a 13, el sistema 1 comprende unos medios de carga 7 conectados a una toma exterior 19 en la que se encuentra al menos un ventilador 20 para la inyección de un flujo de aire atmosférico dentro del compartimento de aire 6, y unos medios de descarga 8 conectados a su vez a dicha toma exterior 19 de modo que el ventilador 20 es susceptible de actuar en sentido inverso de giro para aspirar el volumen de aire inyectado en el compartimento de aire 6.

En la realización mostrada, los medios de carga 7 están configurados por una conducción de alimentación 15 conectada a la toma exterior 19 para inyección de aire, provista de una válvula de carga 16 antirretorno situada sobre la parte superior del conducto vertical 2, y adaptada para acoplarse a la boca de carga 6a del compartimento de aire 6 (ver figura 6) cuando el aeróstato 3 se encuentra en su posición de elevación A, lo que procura un movimiento descendente del aeróstato 3 hacia su posición de descenso B por efecto de la fuerza de gravedad. Asimismo, los medios de descarga 8 del aire están configurados por una conducción de evacuación 17 conectada a la toma exterior 19 para la evacuación del aire, y provista de una válvula de descarga 18 antirretorno situada bajo la parte inferior del conducto vertical 2, y adaptada para acoplarse a una boca de salida 6b (ver figura 7) del compartimento de aire 6 cuando el aeróstato 3 se encuentra en su posición de descenso B, lo que procura un movimiento ascendente del aeróstato 3 hacia su posición de elevación A, por efecto de una fuerza de empuje aerostático capaz de contrarrestar la fuerza de la gravedad.

El sistema además comprende al menos un conducto de recirculación 9 en comunicación con el conducto vertical 2, para procurar la recirculación del volumen de aire desplazado por el aeróstato 3 durante su movimiento alternativo de elevación y descenso, como se detallará a continuación.

Según la realización mostrada en las figuras 9 a 14, el conducto vertical 2 comprende una cavidad central 22 longitudinal excavada en la corteza terrestre T, configurada para el alojamiento del aeróstato 3; y el conducto de recirculación 9 comprende cuatro cavidades laterales 23 excavadas en la corteza terrestre T, dispuestas en torno la cavidad central 22. Además, dicho conducto vertical 2 y dicho conducto de recirculación 9 están sellados por sus extremos superior e inferior mediante sendas tapas superior 24 e inferior 25 de configuración abovedada a modo de plenum, de modo que definen sendos espacios internos que procuran un circuito cerrado de recirculación del aire desplazado por el movimiento alternativo del aeróstato 3. De este modo, durante el ascenso del aeróstato 3, las cavidades laterales 23 que conforman el conducto de recirculación 9 toman el aire descargado en el espacio interno de la tapa superior 24 y lo descargan en el espacio interno de la tapa inferior 25, e invirtiéndose dicha operación cuando desciende de nuevo el aeróstato 3.

La tapa superior 24 comprende un orificio 26 para el paso de la conducción de alimentación 15 y de la conducción de evacuación 17 del compartimento de aire, y unos deflectores 27 estratégicamente posicionados en su parte inferior para direccionar el paso del aire de recirculación (ver figuras 9 y 10).

En la realización mostrada, la conducción de evacuación 17 está dispuesta con un tramo de retorno que discurre a través del interior de una de las cavidades laterales 23 del conducto de recirculación 9 (ver figuras 11 y 13) para su conexión con la toma exterior 19, de modo que el ventilador 20 es susceptible de actuar en sentido inverso de giro para aspirar el volumen de aire inyectado en el compartimento de aire 6.

Alternativamente, según otra realización (no mostrada), el desalojo del aire puede llevarse a cabo a través de la propia boca de carga 6a, de modo que ambas funciones de carga y descarga de aire se realicen por la parte superior del aeróstato 3, con la incorporación de un ventilador auxiliar fijado al aeróstato que permita extraer el aire a través de la boca superior de carga y descarga. En este caso, se prescinde del tramo de retorno de la conducción de evacuación 17, utilizándose por tanto una sola conducción que realiza ambas funciones de alimentación y evacuación del aire, conectada en comunicación con el ventilador 20 de la toma exterior 19. Esta opción, generaría menor pérdida por tratarse de un camino más corto y más directo para la evacuación del aire.

El sistema 1 además comprende unos medios de conversión energética 10 configurados para convertir la energía potencial resultante del movimiento de elevación del aeróstato 3 en energía eléctrica. Según se puede apreciar en las figuras 18a y 18b, los medios de conversión energética 10 están configurados por al menos un cabrestante 11 dispuesto por debajo de la parte inferior del conducto vertical 2, provisto de un tirante 12 enrollado al eje giratorio del cabrestante 11 y acoplado por su extremo libre a la parte inferior de la carcasa del aeróstato 3 (ver figuras 15a, 15b). De este modo, el cabrestante 11 es capaz de recibir la fuerza de tracción del tirante 12 generada por la fuerza de empuje aerostático del aeróstato 3 vacío durante su movimiento ascendente. Además, un eje motriz del cabrestante 11 está conectado mecánicamente a un generador de energía eléctrica 13, a través de un tren de engranajes 14 que actúa como un reductor de velocidad, para generar electricidad en cada movimiento de ascenso del aeróstato 3.

En las figuras 15a y 15b se muestran mediante flechas el sentido de la fuerza sobre el tirante 12 en su funcionamiento en modo de generación de energía durante el ascenso del aeróstato 3 y en modo recuperación de la energía potencial durante el descenso del aeróstato 3, respectivamente. Tal como se puede apreciar en las figuras 15a y 15b, cada cámara 4 está fijada por su lado inferior a tres tirantes 12 enrollados a sendos cabrestantes 11 de los medios de conversión energética 10. Para ello, la tapa inferior 25 comprende una pluralidad de orificios 28 para el paso de los respectivos tirantes 12 de los cabrestantes 11.

Por otra parte, haciendo referencia a las figuras 16 y 17, el aeróstato 3 comprende unos rodamientos 29 previstos para deslizar sobre unos railes 30 longitudinales complementarios dispuestos en la pared interior del conducto vertical 2, con el propósito de mantener la estabilidad del aeróstato 3 durante su movimiento alternativo a lo largo del conducto vertical 2.

Tal como se muestra en la figura 19, el sistema 1 puede operar con múltiples unidades generadoras dispuestas de modo que los respectivos aeróstatos 3 están sincronizados según un orden secuencial de carga, con el propósito de multiplicar la capacidad productiva y a su vez generar continuidad en el suministro eléctrico. Por motivos de claridad, solo se ha representado esquemáticamente los respectivos aeróstatos 3 dentro de su conducto vertical 2 y se ha ilustrado con flechas el sentido ascendente o descendente de cada aeróstato 3. En el ejemplo representado se han empleado seis unidades generadoras, de las cuales cinco operan ascendiendo en modo secuencial y una desciende para recuperar su estado inicial. Cabe destacar que la configuración de la carcasa del aeróstato 3 descrita, configurada por un compartimento de aire 6 central de configuración cilindrica y cuatro cámaras 4 de configuración paralelepipédica, que sobresalen a modo de alas verticales, formando una cruz, ha sido escogida como realización preferida ya que permite optimar el volumen de los compartimentos de gas sin incrementar el diámetro del conducto vertical 2.

En efecto, gracias a esta geometría en forma de cruz (ver figura 8) permite distribuir el volumen verticalmente (dimensión en altura b) pero no horizontalmente, es decir requiriendo un escaso grosor c, de modo que cuanto menor sea el grosor, menor deberá ser el diámetro del conducto vertical 2 y por ende, se podrá minimizar el diámetro de la excavación subterránea para soterrar el conducto vertical 2, con el consiguiente disminución de los costes de producción. Por tanto, es deseable maximizar el volumen del aeróstato para permitir su elevación, pero minimizando el área de excavación para alojar el conducto vertical 2.

No obstante, aunque se ha descrito esta realización preferida, cabe destacar que se podrían utilizar otras configuraciones para el aeróstato, tales como por ejemplo una forma cilindrica o una forma toroidal, en modo de distribuir su volumen horizontalmente, pero con el inconveniente de que se requiere un diámetro de excavación mayor.

Por otra parte, es importante destacar que la fuerza gravitacional debida al volumen de aire a ingresar debe compensar la fuerza de sustentación del gas. Considerando el volumen del aeróstato 3 como la suma de los compartimentos del gas 5 y del aire 6, y sin considerar, para efectos de cálculo, el peso de la carcasa, la fuerza requerida para neutralizar la sustentación durante el descenso:

(paire Pgas) ^' Q ^' l^comp. gas ^— Paire ^' Q ^' l^comp. aire obteniendo el volumen del compartimento de aire: l^comp. aire ^— l^comp. gas (1 Pgas / Paire)

Si las densidades del gas (hidrogeno) y del aire son, respectivamente, 0,089 kg/m ³ y 1,23 kg/m ³ el volumen del compartimento de aire 6 requerido para anular la sustentación será equivalente a 92,8% del volumen del gas (1 - 0,089/1,23).

Lo anterior ocurre en caso de que ambos compartimentos estén rígidamente separados. Sin embargo, tal como se ha mencionado, en la realización preferida se incluye un espacio en la parte inferior del compartimento de aire 6 (ver figura 4) en comunicación con las respectivas aberturas 21 de las cámaras 4 que contienen los compartimentos de gas 5, lo que permite que el aire que ingresa por la parte superior del compartimento de gas 6, a medida que se va llenando, se desplace lateralmente para comprimir los compartimentos de gas 5, y con ello vaya aumentando la densidad del hidrogeno, con el entendido de que a medida que se modifica la densidad del compartimento del gas 5 (aumentando según el aire ocupa su volumen) la cantidad de aire requerida para compensar la sustentación disminuye proporcionalmente.

La rigidez del aeróstato 3 se justifica precisamente en mantener baja la presión del gas (a presión atmosférica), lo que redunda en una menor resistencia o presión requerida para aumentar su densidad (lo que comporta necesariamente aumentar su presión).

Sabiendo que masa es el producto de la densidad por el volumen, se convierte la expresión anterior en términos de masa y densidad, y añadiendo la masa de aire del conducto vertical 2 central por donde se desplaza el aeróstato 3:

Hlaire ^— Higas ^' (pgas / Paire - 1 ) ^— Ttl aire conducto central

La masa del gas es fija, dado que el hidrogeno está confinado en sus bolsas o compartimentos 5. El cambio de densidad del aire al ingresar es residual (su densidad siendo mucho mayor a la del hidrogeno) respecto al cambio de densidad del hidrogeno; se considera entonces la densidad del aire fija y se resuelve de manera iterativa para encontrar la relación de volumen de gas y volumen de aire en modo de que se cumpla la relación que iguala ambas fuerzas de empuje. Cabe mencionar que se incluye igualmente el peso de la columna central de aire sobre el conducto vertical 2.

Para un volumen total del gas expandido = 2.500.000 m ³ , que con la densidad del hidrogeno a presión atmosférica resulta de una masa (fija) de 222.500 kg, se selecciona un porcentaje de volumen de aire, a partir del cual se obtiene la nueva densidad del gas que se corresponde con dicho volumen. De la ecuación anterior se resuelve para obtener la masa de aire, obteniendo su volumen dividiendo dicha masa por la densidad del aire (fija). El volumen resultante (calculado) se compara con la resta del volumen total (2.500.000) menos la del volumen del gas seleccionado al principio, siguiendo un proceso iterativo hasta que coincidan el volumen calculado y el de la sustracción.

Las fuerzas se igualan entonces cuando la densidad del gas (ahora 0.1589 kg/m ³ ) es tal que su compartimento ocupa el 58,5% de su volumen original (que era 2,500,000 m ³ ), siendo ahora 1,462,500 m ³ .

El volumen total del aire es entonces el restante de 2,500,000 más el de la columna de aire central sobre el conducto vertical 2 (que se ha establecido en este ejemplo a un diámetro de 25 metros para hacer la excavación más contenida y mantener la integridad geométrica): 1 ,160,000 m ³ , ocupando el 41 ,5% del compartimento del gas (y no el 92,3% como sería el caso si el aire estuviese confinado en un compartimento rígido).

En las figuras 5a y 5b se muestra una cámara 4 que aloja en su interior un compartimento de gas 5 (ilustrado esquemáticamente mediante líneas discontinuas) representando el compartimento de gas expandido (figura 5a) y en estado comprimido (figura 5b) habiéndose reducido un 40% aproximadamente su volumen original.

Ejemplo de un caso práctico:

A modo de ejemplo, a continuación, se incluye un caso práctico idealizado de esta realización del sistema de generación de energía eléctrica, con objeto de ilustrar su contribución energética potencial técnicamente. Este ejemplo se basa en un sistema de múltiples unidades de energía y el tipo de aeróstato 3 empleado es el que presenta un compartimento de aire central 6 y cuatro cámaras 4 periféricas de configuración paralelepipédica, a modo de cruz visto en planta, que alojan en su interior sendos compartimentos de gas 5.

• Datos del sistema múltiple conformado como se indica:

- Dimensiones del aeróstato (ver figura 8): a: 125 m de alcance (x 4 compartimentos) b: 250 m de profundidad (altura) c: 20 m de anchura - Longitud del conducto vertical central: 1000 m

- Volumen del aeróstato: 2.500.000 m ³ (equivalente a un globo esférico de 170 metros de diámetro)

- Diámetro de cada cabrestante (múltiples): 1 ,5 m

- Diámetro del conducto vertical central de aire: 25 m

- Volumen: p (12, 5) ² x 250 = 122.718 m ³

• Fuerza de sustentación: Fs = (p _a ¡re - _H 2) g V = (1 ,23 - 0,089) x 9,81 x 2.500.000 = 28 MN (meganewtons), o empuje gravitacional equivalente al de una masa algo superior a 2.850 toneladas. Siendo el peso del conjunto marginal, no se incluye por tanto en la ecuación.

• Par sobre el cabrestante (para efectos de simplificación del cálculo, se considera 1 solo soportando la carga entera): t = Fs ñ _cabrestante = 27.983.025 ^c 0,75 = 21 MNm (meganewtons metro).

El tren de engranajes acoplado al eje motriz del cabrestante se dimensiona para una velocidad del tirante de 20 metros por minuto, por lo que la carrera entera de 1000 metros se recorrerá en 50 minutos.

• La velocidad del tirante, tangencial a la polea (eje de giro) del cabrestante:

V = 20 / 60 = 0,33 m/s

• La velocidad angular de la polea del cabrestante: w = 0,33 / 0,75 = 0,44 rad/s

• Potencia teórica durante el ascenso (sin considerar las pérdidas de transmisión; en torno al 5%):

W = t w = 20.987.269 ^c 0,44 = 9,2 megawatts por conducto. Más de un conducto permitiría mantener una operación sincronizada y continua, por lo que la potencia durante los instantes de operación simultanea se sumaría.

• Energía consumida en llenado de aire

En el presente caso, es conveniente que la envolvente exterior del compartimento de gas esté montada en una estructura rígida, de otro modo se requeriría de dotar al aire y al gas de presión interna para mantener la forma (y volumen) del aeróstato, como es el caso de los aerodirigibles semirrígidos o aún más con los llamados 'blimps' (elásticos), lo que consumiría energía considerablemente con cada llenado de aire, tomando en cuenta el enorme volumen de la envolvente exterior. Por lo que respecta al peso de tal estructura, como revelan las cifras en el cálculo anterior, resulta casi tan marginal en la subida como conveniente en el descenso.

En base en lo anterior, el llenado de hidrogeno en sus compartimentos se realiza a presión atmosférica (sin presión añadida), de modo que el aire de llenado se inyecta a una presión mínima (por ejemplo, 15 milímetros de columna de agua).

Para ello se requiere de un gran ventilador axial o centrifugo operando a gran caudal y mínima presión estática de descarga. El requerimiento de potencia del motor del ventilador:

W = Q * DR / (h _n ?7 _m ) donde Q es el caudal, suponiendo una entrega de 1 ,000 m ³ /s; AP es la diferencia de presión a través del ventilador, de 15 mm H2O o 147 pascales; h _n es la eficiencia del ventilador, asumiendo del 75%, y ?7 _m la eficiencia del motor, asumiendo del 90%. Por tanto, la carga del motor:

W = (1 ,000 x 147) / (0,75 0,9) = 217.778 Watts ^« 218 kilowatts

El tiempo de carga de aire: t = V / (Q x 60 min/s) = 1,160,218 / (1 ,000 x 60) = 19,33 minutos.

Redondeando a 20 minutos.

La energía consumida por llenado: enenado = 218 ^c 0,33 horas = 72 kWh (kilowattshora).

La misma operación se repite para descargar el aire, por tanto, la energía total consumida por aeróstato por ciclo: 144 kWh.

Con 50 minutos de ascenso, 20 minutos de carga y 20 de descarga, contando 20 minutos de descenso y preparación/pausas, en una hora y 50 minutos se completa un ciclo. En 24 horas cabrían 13 ciclos. • Energía entregada

E = W t = 9,2 ( MW ) x 0,83 hrs = 7,67 MWhlciclo x 13 ciclos x 1 aeróstato = 99,7 MWh ³ 100 MWh por aeróstato.

• Energía neta

99,7 - 0,144 = 99,5 MWh (la energía de llenado y descarga de aire es marginal). A continuación, se resumen las principales ventajas del sistema de generación eléctrica de la invención:

- Energía limpia. La fuente primaria de energía proviene de la fuerza de sustentación de un gas (hidrogeno o helio) confinado, a través del aire.

- El sistema es eficiente de manera intrínseca. La conversión de energía es directa al eje del generador (sin mediar otro medio cualquiera de conversión de energía), las únicas pérdidas son de transmisión a través del tren de engranajes. Dado que el aeróstato está confinado en un conducto, no está por tanto expuesto a otros elementos, cuyo reforzamiento añadiría peso y reduciría las prestaciones, y en razón de operaren condiciones controladas permitiría un factor de utilización del 100%.

- Simplicidad conceptual y operativa. Se trata esencialmente de un globo que sucesivamente sube y baja. El balance de planta o empleo de equipo auxiliar es mínimo, y por tanto los costos asociados (inversión y sobre todo costos operativos) se prevén muy bajos por MWh generado.

- Sistema regenerable indefinidamente. El aeróstato concentra su propio aporte de energía, no debe por tanto tomarlo de una fuente externa (aire, oleaje, radiación solar, carbón, gas natural, uranio...) y estar por tanto a expensas de su disponibilidad, periodicidad o intermitencia, dado que la disponibilidad es siempre absoluta (el medio con el que interactúa es la presión atmosférica, que está presente de manera permanente y prácticamente inalterable). Asimismo, dado que el sistema está aislado, y existe mínima interacción con el entorno, no se genera disrupción.

- Escalabilidad. La energía disponible aumenta proporcionalmente con el volumen de gas confinado (a presión atmosférica), con capacidad de producir energía muy intensiva (potencia) en una superficie contenida. El sistema es asimismo replicable, con posibilidad de múltiples unidades actuando simultáneamente.