CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuentra dentro del campo técnico de los generadores hidráulicos y neumáticos, que, a través del aprovechamiento de la energía y movimiento del agua, producen o generan energía eléctrica siendo una alternativa a los medios convencionales de producción de energía sin la emisión de gases que afecten el medio ambiente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El consumo de energía es un factor proporcional al desarrollo de la humanidad, pero para obtener esta energía se implementan diferentes métodos de los cuales algunos generan deterioro al medio ambiente por la emisión de gases contaminantes, algunos de los otros dependen de un caudal constante de agua como lo son los generadores hidroeléctricos, algunos no son aprovechados al máximo según su capacidad o eficiencia energética.

Algunas de las energías renovables como la fotovoltaica y eólica, tienen un impacto ambiental para usarlas en la producción de hidrógeno, y las Centrales Hidroeléctricas o Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH), tienen que usar grandes extensiones de cableado e infraestructura para transportar el fluido eléctrico.

Ninguna de las anteriores son opciones rentables y 100% ecológicas para producir hidrógeno verde. El sol y el viento no operan todo el tiempo y el uso de grandes y costosas baterías que se deterioran para almacenar energía son tan necesarias como contaminantes al final de su vida útil. Por otro lado, los paneles solares y aspas eólicas desechadas en el mundo ya representan por toneladas un indicador de impacto ambiental, y el impacto por fabricación de estos productos con vida útil de 10 a 15 años, sigue siendo alto, ya que los desechos como los residuos de baterías o pilas con baja atracción por el reciclaje entre los usuarios, representa una seria amenaza mundial y una huella considerable de emisión de contaminantes (carbono) en su producción, tanto como en la misma extracción del silicio y níquel entre otros recursos necesarios para su producción. En la actualidad, existen varias soluciones de generadores hidroeléctricos en donde se usa la conversión de la energía potencial del agua a energía cinética y esta aprovechada para el movimiento de las aspas de la turbina.

Así mismo en el documento ES1223212 se evidencia un sistema de generación de energía hidroeléctrica con dos tanques, uno superior y otro inferior, entre ellos existe una turbina con dos extremos de conexión, uno de ellos conectado por un conducto al tanque superior y el otro extremo por un segundo conducto al tanque inferior, esta turbina es accionada por el flujo de agua entre los conductos, los tanques que contiene esta invención son llenados y controlados por válvulas, para evitar que se llenen o que se desocupen. Este dispositivo presenta una desventaja en la eficiencia energética ya que parte de la energía generada es consumida en el retomo del fluido hacia el tanque superior por la bomba centrifuga, elemento que se encuentra acoplado al sistema de recirculación.

Igualmente, se conoce el documento US2014250879 que es una microcentral hidroeléctrica compuesta de un tanque acoplado por conductos a uno de los extremos de la turbina y con cambios de secciones en su tubería para dar aceleración al flujo del agua, esto con el fin de garantizar su retorno o bombeo al tanque superior, esta micro central hidroeléctrica esta implementada para suministrar de energía eléctrica a un edificio pequeño, casa o vehículo del tipo casa rodante, ya que puede ser móvil y transportada. Esta micro central hidroeléctrica cuenta con sensores para el monitoreo del equipo y con impulsores para la recirculación del fluido que tienen que ser calentados por una fuente externa o por la misma micro central hidroeléctrica, indicando que puede depender de fuentes extemas para su funcionamiento o que necesariamente la eficiencia energética del dispositivo se afecta directamente en el bombeo de agua para su funcionamiento.

Por otro lado, existe otro documento con el nombre de minicentral hidroeléctrica ES2429346T3 en donde el principio de funcionamiento es similar al mencionado anteriormente, el cual contiene dos tanques de almacenamiento y entre ellos esta acoplada una turbina que a través del choque de agua con las aspas impulsa el movimiento de eje acoplado mecánicamente al generador eléctrico.

Esta invención cuenta con un mecanismo que lleva el agua del tanque inferior al tanque superior denominado mecanismo de arrastre accionado por un motor que es alimentado por fuentes de energías alternas, como energías eólicas, solar o electricidad convencionales las cuales no garantizan el funcionamiento continuo del proceso de generación de energía y que puede ser propenso a detenerse por falta de velocidad en el viento o por la luz solar en las noches.

Usar una tecnología que use recursos naturales renovables de mayor disponibilidad terrestre, para emitir energía todo el tiempo como lo hace una central hidroeléctrica a menor escala, pero generando menos impacto de carbono en mantenimiento y vida útil, sin suministros contaminantes y que pueda producir energía eléctrica y emplear a su vez “in situ” (o en el mismo lugar donde está la demanda); siendo una tecnología hidromecánica, monitoreada y alimentada como cualquier generador pero de pequeñas dimensiones, que pueda ser controlada para generar con la ayuda de una Turbina tradicional Banki o Tesla, la suficiente energía para obtener con energía verdaderamente limpia.

De acuerdo con lo anterior, se concluye que las soluciones propuestas en el estado de la técnica no resuelven la necesidad de desarrollar dispositivos de generación de energía de forma continua y que tengan aplicación “in situ” (o en el mismo lugar donde está la demanda) que empleen recursos naturales renovables de mayor disponibilidad terrestre, y que disminuya el impacto de carbono en mantenimiento y vida útil, ya que no tiene materias primas o suministros contaminantes.

El objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático, que tiene como fundamento la tecnología hidromecánica, que es monitoreada y alimentada como cualquier central hidroeléctrica, pero de pequeñas dimensiones, que pueda ser controlada para generar con la ayuda de una turbina tradicional Banki o Tesla, la energía suficiente para obtener energía verdaderamente limpia.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención corresponde a un dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático capaz de aprovechar la energía cinética del agua para la generación de energía eléctrica, el cual incorpora tres tanques de almacenamiento de agua (superior, inferior y abastecimiento), cada uno contienen aire comprimido a diferentes valores de presión para su funcionamiento.

Cada uno de los tanques anteriores está conectado a través de tubos, el superior con el inferior, que son utilizados como tubería estructural del tanque superior, el superior con el tanque de abastecimiento con una tubería octagonal compuesta de 8 tubos y el tanque inferior con el tanque de abastecimiento por un solo tubo de abastecimiento.

El tanque superior e inferior permiten el paso del caudal de agua por ocho válvulas check y por la tubería de succión, realizando la succión del fluido de trabajo que consisten en extraer fluido desde el tanque inferior al tanque superior;

El dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático tiene una tubería octagonal por la cual transita el caudal de agua que genera el movimiento en las aspas de la turbina Banki. Esta turbina esta acoplada por un eje a un multiplicador de velocidad y este mismo a un generador de inducción asincrono.

La presente invención mantiene los parámetros de presión en los tanques superior e inferior a través de un circuito neumático que funciona en semiautomático controlado por un microcontrolador que a través de la información de los sensores puede determinar acciones para sostener el funcionamiento continuo del dispositivo.

El funcionamiento de la invención se logra por medio del agua que actúa como el fluido de trabajo, el cual se almacena en los tres tanques, en el momento en que se habilita la salida de caudal desde el tanque superior pasando por la tubería octagonal y por la turbina Banki se transforma la energía potencial en cinética sobre el fluido y a su vez transformando esta misma en energía eléctrica gracias al trabajo de la turbina, después de este proceso el fluido recae en el tanque de abastecimiento y posteriormente al tanque inferior en donde la presión del aire comprimido con respecto al tanque superior genera un diferencia de presión la cual permite que el fluido retorne al tanque superior.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La presente invención se puede entender de una forma más adecuada a partir de las siguientes figuras que muestran todos sus partes y componentes.

La figura 1. Muestra una vista lateral derecha del ensamble total del dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático (100) un tanque superior (1) que esta soportado por la tubería (7) y a su vez conectado al tanque (6), un elemento (36) en donde su parte superior se encuentra la turbina banki (5) conectada por la tubería (3) al tanque (1).

La figura 2. Vista isométrica del conjunto ensamble del dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático (100) donde se muestra el eje de acople (19) con el generador eléctrico (22) y su amplificador de velocidad (23).

La figura 3A. Se observa la vista isométrica del subconjunto que comprende: turbina Banki (5) acoplada al tanque de abastecimiento (36) por la tapa de tanque inferior de abastecimiento (37) que esta atornillada al cono de tanque inferior de abastecimiento (38) y acoplado al anillo de tanque inferior de abastecimiento (39).

La figura 3B. se observa la vista posterior de corte de sección II del subconjunto que comprende la válvula de descompresión (8B) incrustad en el anillo de tanque inferior de abastecimiento (39) y el cono de tanque inferior de abastecimiento (38) atornillado y acoplado a el tanque de abastecimiento (36).

La figura 4A. Se observa la vista isométrica del tanque superior (1), tapa estanca (16) acoplada a la tapa tanque (15) accionada por la perilla (30) y el vacuómetro (29) incrustado en la tapa tanque (15).

La figura 4B. se observa la vista lateral izquierda de las válvulas neumáticas superiores (40) incrustadas en la tapa de tanque (15) y el cono de tanque superior (14).

La figura 5A. Se observa la vista isométrica del acople a la turbina Banki (5), compuerta de caudal (2B) compuesta de su perilla de compuerta de caudal (9B) y de su hoja de guillotina de caudal, acoplada a la caja de despresurización (4) y su válvula de descompresión (8A).

La figura 5B. se observa la vista lateral izquierda de la compuerta de caudal (2B) acoplada a la caja de despresurización (4) por la unión de la tubería (3) y del soporte central unión de tubería (27).

La figura 6A. Se observa la vista isométrica de la caja despresurizadora (4) soporte para hoja de guillotina (24), el soporte para compuerta (32) para la compuerta de caudal (2B). La figura 6B. se observa la vista lateral derecha de la caja despresurizadora (4) con la tubería octogonal (3) acoplada por el soporte para tubería (25) y el soporte para la válvula de descompresión (26).

La figura 7A. Se observa la vista isométrica de la tubería (7) estructural del tanque superior (1), sus válvulas (17) tipo check y las barras de soporte (18)

La figura 7B. se observa la vista isométrica de la válvula tipo check (17).

La figura 7C. se observa la vista lateral derecha de la válvula tipo check (17).

La figura 7D. se observa la vista lateral izquierda de la válvula check (17).

La figura 8A. Se observa la vista isométrica de la turbina banki (5) con y su eje rotor (19) y el cojinete eje presurizado (20).

La figura 8B. se observa la vista posterior de la turbina banki (5) donde se observa las aspas de turbina (21).

La figura 9A. Se observa la vista isométrica del tanque inferior (6), un sensor de presión (31) acoplado a su tapa (13) sujeta al cono (11) acoplado al anillo de tanque inferior (12) y las válvulas neumáticas inferiores (41) incrustada en la tapa (13).

La figura 9B. se observa la vista lateral izquierda del ensamble del tanque inferior (6) con su cono de tanque inferior (11).

La figura 10A. Se observa la vista isométrica del tanque de abastecimiento (36) con su válvula de descompresión (8B), ensamblado con su tapa de tanque inferior (37) sujetada por tornillos al cono de tanque inferior de abastecimiento (38) y acoplado al anillo de tanque inferior de abastecimiento (39).

La figura 10B. se observa la vista lateral derecha del ensamble total del tanque de abastecimiento (36). DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, se observa el dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático (100) en una vista lateral izquierda e isométrica que cuenta con un tanque superior (1) que es soportado por la tubería estructural de succión (7), la cual está soldada en la pared interior del tanque inferior (6), este tanque inferior (6) está conectado al tanque de abastecimiento (36) por medio del tubo de abastecimiento (35) el cual tiene una inclinación con respecto a la superficie de soporte.

En las figuras 1 y 2 se observa el acople del cono tanque superior (14) con la compuerta de caudal (2A), cuando esta se habilita permite el flujo de agua del tanque superior (1) hacia el tanque de abastecimiento (36) a través de la tubería octogonal (3) que está conectada con una segunda compuerta de caudal (2B) acoplada a la caja de despresurización (4) que permite el paso del flujo de agua hacia la turbina Banki (5), estos elementos garantizan que la succión inversa generada por la diferencia de presión en la tanque superior (1) y el tanque inferior (6) no afecte el flujo de caída hacia el tanque de abastecimiento (36).

En la figura 2 se observa el generador asincrono de inducción (22) acoplado al multiplicador de RPM (23), el cual adquiere una velocidad angular a través del eje rotor (19), velocidad que se obtiene gracias a que el flujo de agua circula a través de las aspas de la turbina Banki (5), es así como la energía cinética del fluido es transformada a energía eléctrica a través del generador asincrono de inducción (22).

A continuación, se almacena el fluido en el tanque de abastecimiento (36) para que cuando este se llene a un 70% de su capacidad se transfiera el líquido por el tubo de abastecimiento (35) hacia el tanque inferior (6) que conectado por la tubería de succión (7) y la diferencia de presión entre el tanque superior (1) y el tanque inferior (6), permite que el fluido retorne para realizar nuevamente el proceso de conversión de energía.

En las figuras 1, 2, 3 A y 3B se observa el acople de la turbina Banki (5) que esta acoplada por el soporte para Banki (34) que se observa en la figura 4 al tanque de abastecimiento (36), como también se observa la válvula de descomprensión (8B), encargada de liberar la presión de aire que esta internamente en el tanque de abastecimiento (36) evitando la succión inversa por estos elementos, efecto que se produce por la circulación del fluido y porque el generador hidráulico esta herméticamente sellado. En las figuras 1, 2, 4A y 4B se observa el tanque superior (1) en donde la tapa de tanque superior

(15) tiene un vacuómetro (29), el cual permite medir la presión, la cual, de acuerdo con el diseño del dispositivo debe estar por debajo de la presión atmosférica, este cambio de presión se da por liberación de la masa de agua desde el tanque superior (1), es de tener en cuenta que la presión es la variable de medición necesaria ya que esta permite garantizar la succión del agua desde el tanque inferior (6). El tanque superior (1) se puede alimentar abriendo la tapa estanca

(16) a través de la perilla tapa estanca (30).

En las figuras 5 A, 5B, 6A y 6B se observa la caja de despresurización (4) que es modular con el soporte para caja (33) y a su vez acoplada con la compuerta de caudal (8), la cual contiene la hoja de guillotina de caudal (10), este elemento permite el paso del flujo de agua a la turbina Banki (5) que está sujeta a la caja de despresurización (4) por el soporte para Banki (34), teniendo en cuenta que por la turbina solo puede circular el fluido, por ende, la caja de despresurización (4) tiene acoplada la válvula de descompresión (8A) por el soporte para válvula de descomprensión (26) para la liberación del gas a presión que pueda circular por la tubería octogonal (3) que está conectada y sostenida por el soporte central de unión de tubería (27), la circulación del flujo de agua solo se da si la compuerta de caudal (2B) se habilita desde la perilla de compuerta de caudal (9) que mueve la hoja de guillotina de caudal (10), esta compuerta (2B) está sujeta al soporte para compuerta (32).

En las figuras 7A, 7B, 7C y 7D se observa la tubería de succión (7) que comprende al menos ocho tubos con un diámetro de 11.43 cm y un largo de 550 cm, unidos por las barras de soporte (18) soldadas entre sí, este conjunto de elementos cumple con dos funciones importantes, el primero es servir de conducto de circulación para la succión de agua del tanque inferior (6) al tanque superior (1), esta succión solo se da si las válvulas check (17) se encuentran abiertas, el segundo aspecto de esta tubería de succión (7) es soportar el peso del tanque superior (1).

En las figuras 8 ^a y 8B se observa la turbina Banki (5) y en su interior las aspas de turbina (21), elemento encargado de proporcionar el movimiento hacia el eje rotor (19) soportado por el cojinete de eje presurizado (20), movimiento proveniente del choque entre el agua y la superficie transversal de las aspas (21).

En las figuras 9A y 9B se observa el tanque inferior (6) que tiene acoplado el cono de tanque inferior (11) y el anillo de tanque inferior (12) del cual también está unida por soldadura la tubería de succión (7). En la tapa de tanque inferior (13) se encuentra incrustado el barómetro (31), elemento que permite garantizar la medición de la presión en el tanque inferior (6) y por medio de las válvulas neumáticas (41) permite suministrar aire comprimido al tanque (6) a través del circuito neumático automatizado (no mostrado) para cumplir con los parámetros de presión sobre el tanque inferior (6).

En las figuras 10A y 10B se observa el tanque de abastecimiento (36) en el que se almacena el fluido cuando este sale de la turbina Banki (5), este está conformado por el soporte (34) y acople de la turbina Banki (5), este soporte (34) está sujeto a la tapa de tanque inferior de abastecimiento (37) que esta soportada por el cono de tanque de tanque inferior de abastecimiento (38), que también está sujeto por tornillos al anillo de tanque inferior de abastecimiento (39) adherido a la pared del tanque de abastecimiento (36).

El dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático (100) funciona de forma continua gracias a la compensación de presión otorgada por el circuito neumático, el cual a través de la medición del barómetro (31) y el vacuómetro (29) permite obtener la información de la variable y tomar decisiones desde el microcontrolador para inyectar aire comprimido para su funcionamiento, esto solo se realiza en el momento en que el dispositivo se enciende y cuando las pérdidas generadas por la evaporación del agua descompensan o desestabilizan el funcionamiento del dispositivo, lo cual indica que este solo depende de este circuito neumático en momento de pérdidas de presión o del fluido del trabajo.

EJEMPLO

A continuación, se describe la puesta en marcha de la presente invención en donde se explica el proceso de encendido y funcionamiento continuo del dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático, compuesto de cuatro condiciones:

CONDICIONES DE LLENADO

El encendido del dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático (100) debe cumplir con las condiciones de posición mecánica de algunos dispositivos como lo son: las compuertas de caudal (2A) y (2B) abiertas, la tapa estanca (16) y el conjunto de válvulas check (17) abiertas para así introducir el fluido de trabajo a el tanque superior (1) con medidas aproximadas de 210 cm de alto y un radio de 100 cm, pasando este fluido a la tubería octogonal (3) de diámetro de 11.43 cm cada uno, hasta el tanque de abastecimiento (36) y posteriormente el fluido llenara al tanque inferior (6) pasando por la tubería de abastecimiento (35) que tiene una inclinación con respecto a la superficie de contacto y un diámetro de 47 cm la cual permite mantener la masa de agua sobre el tanque inferior (6) necesaria para que no exista succión inversa, los tanques se llenan hasta tengan un nivel de al menos 70% de su capacidad máxima el tanque inferior (6) y el tanque de abastecimiento (36), el tanque superior se llena con un nivel del 80% de su capacidad cerrando la compuerta de caudal (2B).

CONDICION DE PRESURIZACION

Se inyecta aire comprimido proveniente del circuito neumático (no mostrado) hacia el tanque inferior de reciclaje (6) con un diámetro de 232 cm y 149.3 cm de altura, por las válvulas (41) que esta incrustada, lo que ocasiona que el fluido de trabajo se desplace hasta el nivel de las válvulas check (17) por la tubería de succión (7) con diámetro de 11.43 cm y un largo total de 570 cm y por el tubo de abastecimiento (35) llenando el tanque de abastecimiento (36) en al menos un 10% más de su contenido inicial y bajando el nivel del tanque inferior (6) en al menos 40% de su capacidad total.

CONDICION DE ENCENDIDO

Con el procedimiento anteriormente descripto se procede a cerrar la tapa estanca (16), lo que indica que el fluido en el tanque superior (1) ya tiene energía potencial que se está transformado a energía cinética por el desplazamiento de la tubería octogonal (3), la velocidad del fluido se aumenta gracias al cono de tanque superior (14) que aplica el funcionamiento del principio de Bernoulli, en ese instante se activa la compuerta de caudal (2B) que habilita el paso del fluido sobre la turbina banki (5) ubicada con una orientación de 10°, que procedente al movimiento de las aspas (21) acciona el movimiento angular del eje rotor (19) que acoplado al multiplicador de rpm (23) entrega una velocidad angular al generador asincrono de inducción (22) mayor a la velocidad angular del eje rotor (23).

CONDICION DE COMPENSACION NEUMATICA

Para mantener en funcionamiento continuo se activa el circuito neumático (no mostrado) que comprende: una bomba de vacío (no mostrada), un compresor de aire (no mostrado), presostato (no mostrado), un vacuostato (no mostrado) y un microcontrolador o PCL (no mostrado), este circuito neumático (no mostrado) habilita el suministro o liberación de aire comprimido a través de las válvulas inferiores (41) hacia el tanque inferior (6), como también habilita el funcionamiento de la bomba de vacío (no mostrado) instalada en el tanque superior (1) para extraer o inyectar el aire por las válvulas neumáticas (40).

Lo anterior describe la puesta en marcha y funcionamiento continuo del dispositivo estacionario de generación de energía por medio de un circuito hidráulico y neumático (100), en el cual se contempla las pérdidas generadas por la segunda ley de la termodinámica que descompensan funcionamiento continuo del dispositivo, por ende, se adiciona el circuito neumático.