ES2972854T3

ES2972854T3 - Sistema de generación de energía

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Publication number: ES2972854T3
Application number: ES19744013T
Authority: ES
Inventors: Mark Anteau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2024-06-17
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: WO2019147841A2; WO2019147841A3; US11073139B2; EP3743625C0; EP3743625A2; CA3089586A1; EP3743625A4; EP3743625B1; MX2020007883A; US20200095985A1

Abstract

La planta de energía descrita es un motor que obtiene su utilidad en la búsqueda de generación de energía mediante la utilización de diferenciales de presión hidrostática que se encuentran o se crean en diversos líquidos, gases o soluciones, tales como, entre otros, agua y aire. Generalmente se proporciona como una configuración diseñada para crear un diferencial de presión y para utilizar el diferencial de presión para aumentar la altura efectiva vista a través de una tubería forzada y un sistema de turbina. Los sistemas de bomba que se emplean incluyen sistemas venturi, sistemas de bomba de chorro y otras bombas de vacío de presión mixta comparables. Múltiples sistemas de generación de energía están interconectados para proporcionar generación de energía continua y constante a través de un sistema de tubería forzada y turbina. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de generación de energía

Campo técnico

Las realizaciones a modo de ejemplo de la presente invención se refieren en general al campo de la generación de energía, y más concretamente a sistemas y métodos de generación de energía hidroeléctrica basados en energías renovables y en los principios de presión diferencial.

Antecedentes

A medida que se encarece el mantenimiento de las fuentes de energía basadas en combustibles fósiles y se constata y cuantifica su coste medioambiental, el mundo ha recurrido a fuentes de energía renovables para combatir estas desventajas de los métodos tradicionales de generación de energía. Una curva de demanda en fuerte aumento continúa impulsando la necesidad de nuevas formas innovadoras de generar energía. Por lo tanto, existe una necesidad actual de nuevas fuentes de energía que utilicen fuentes renovables para generar esa energía.

Un obstáculo especialmente destacado para la generación de energía es la entrada de energía necesaria para su uso en el sistema de generación. La entrada de energía requerida reduce intrínsecamente la eficiencia y, por lo tanto, la viabilidad del sistema. Por lo tanto, existe la necesidad de un sistema de generación de energía que utilice fenómenos naturales tanto para reducir la entrada de energía requerida para el funcionamiento del sistema como para proporcionar una fuente de energía mayor que la energía de entrada y que el sistema pueda convertir en una forma de energía utilizable.

Desarrollos anteriores del solicitante divulgan un sistema de generación de energía basado en el uso, en combinación o en parte, de gradientes de presión, flujos de fluido y fuerzas de flotación naturales. Estas divulgaciones pueden encontrarse, por ejemplo, en las patentes de Estados Unidos n.° 25 9.038.377 (expedida el 26 de mayo de 2015), n.° 9.234.494 (expedida el 12 de enero de 2016) y n.° 9.924.495 (expedida el 12 de enero de 2016), cuyo contenido se incorpora por referencia al presente documento como si estuviese íntegramente reproducido en el mismo. Si bien los sistemas y métodos divulgados han demostrado su eficacia en la generación de energía, sigue siendo necesario mejorar la eficiencia y realizar variaciones de estos sistemas y métodos para satisfacer las crecientes necesidades energéticas de la sociedad de forma eficaz y respetuosa con el medioambiente.

El documento US 2011/109089 A1 divulga una turbina hidroeléctrica de flujo libre y un sistema de bomba de chorro de agua que capta y transforma la energía de las corrientes marinas. El documento US 2011/042956 A1 divulga un ariete hidráulico de flujo libre con un sistema integrado de bomba de chorro de agua que capta y transforma la energía de las corrientes marinas. El documento US 2009/0320459 A1 divulga un motor accionado por agua que capta y transforma la energía del agua que fluye.

Existe, por tanto, una carencia en el estado de la técnica en lo que respecta a sistemas de generación de energía más eficientes, capaces de aprovechar más energía renovable y que sean adaptables para aumentar la eficacia de los sistemas de generación de energía existentes. No se considera que ninguna referencia conocida, tomada de forma aislada o en combinación, divulgue o sugiera el sistema de generación de energía reivindicado en el presente documento.

Sumario de la invención

Las realizaciones a modo de ejemplo de la presente divulgación pertenecen a sistemas y métodos innovadores para realizar trabajos tales como, entre otros, generar energía (electricidad), levantar objetos, bombear líquidos/gases/soluciones y accionar mecanismos tales como sierras, molinos u otros dispositivos que generalmente requieren una entrada de fuerza. El presente documento expone el modo en que la invención genera energía (electricidad) utilizando un diferencial de presión de una fuente natural de agua, una fuente artificial de agua o una combinación de una fuente natural y una fuente artificial de agua. Las fuentes naturales de agua incluyen, entre otras, océanos, lagos, ríos, manantiales, arroyos, la acción de las olas (oleaje), las mareas y el agua de escorrentía. Los suministros de agua artificiales incluyen, entre otros, presas/depósitos, torres de agua, canales, tanques, tuberías, zanjas y pozos. El agua también puede proceder de cualquier combinación de fuentes naturales o artificiales. La invención utiliza un diferencial de presión para mover el agua a través de una central eléctrica en una acción alternativa de las olas para realizar el trabajo. El sistema se reinicia al final de cada carrera del ciclo para revertir la acción de las olas, permitiendo que el flujo y el sistema vuelvan a su estado inicial.

Bajo las mismas condiciones tales como, entre otras: ubicación, geografía/topografía, tamaño de la presa, tamaño del depósito y profundidad del depósito, el sistema de la invención permite extender la longitud/altura de su tubería forzada más allá de lo que es posible con la tecnología actual. Por consiguiente, el sistema de la invención puede generar más energía con eficiencias comparables a las de las centrales hidroeléctricas tradicionales utilizando cualquier fuente de agua natural, fuente de agua artificial o cualquier combinación de fuentes de agua naturales y artificiales que cualquier central hidroeléctrica actual/tradicional en funcionamiento hoy en día. Algunos ejemplos incluyen, entre otros, los siguientes: dado un cabezal hidráulico de 1,5 m (cinco pies) de profundidad, en teoría y en las condiciones adecuadas, el sistema de la invención puede disponer de una tubería forzada de longitud considerablemente mayor que 1,5 m (cinco pies). En teoría, esta innovación permite superar el rendimiento de las centrales hidroeléctricas actuales que utilizan el mismo sistema de depósito de presas. Si una presa con 15,2 m (50 pies) de altura, que cuenta con un depósito de 13,7 m (45 pies) de profundidad, descarga su agua desde la tubería forzada a un cabezal hidráulico bajo a 13,7 m (45 pies) por debajo de la altura del depósito, las centrales hidroeléctricas actuales solo pueden tener una tubería forzada de aproximadamente 13,7 m (45 pies) o menos. Por lo tanto, el mayor cabezal hidráulico que cualquier central hidroeléctrica actual podría utilizar para generar energía, en esas condiciones, se limita a una profundidad de 13,7 m (45 pies). En las mismas condiciones de ubicación, presa de 15,2 m (50 pies), depósito del mismo tamaño con una profundidad de 13,7 m (45 pies) y descarga de agua desde una tubería forzada con el mismo diámetro en un cabezal hidráulico bajo de 13,7 m (45 pies) por debajo de la altura del depósito, el sistema de la invención puede tener una tubería forzada con una longitud muy superior a 13,7 m (45 pies). Bajo las mismas condiciones, tales como, entre otras, la misma ubicación, 15,2 m (50 pies), el mismo tamaño de depósito con una profundidad de 13,7 m (45 pies) y descarga de agua desde una tubería forzada con el mismo tamaño de diámetro en un cabezal hidráulico bajo de 13,7 m (45 pies) por debajo de la altura del depósito, el sistema de la invención puede tener una tubería forzada con una longitud de 0 a 70 m (0 a 200 pies) o mayor. Esto permite que el sistema de la invención genere más energía (electricidad) de la que las centrales hidroeléctricas actuales son capaces de generar en las mismas condiciones.

Un sistema de generación de energía se define en la reivindicación 1. Dado que el sistema de la invención y sus variantes utilizan un diferencial de presión basado en un cabezal hidráulico alto y un cabezal hidráulico bajo para mover el agua a través del sistema, la presión hidrostática (gravedad) mueve el agua. Esto permite ahorrar energía y confiere al sistema de la invención una eficiencia comparable o superior a la de las centrales hidroeléctricas tradicionales, incluidas las centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo (centrales HEPS). El diferencial de presión puede ser el resultado de condiciones naturales tales como, entre otras, la topografía, el diseño artificial (alterando el paisaje) y/o la intervención de dispositivos artificiales tales como, entre otros, presas, depósitos, torres de agua, canales, esclusas (como las de la vía marítima de San Lorenzo y el Canal de Panamá), tuberías y zanjas, y el diferencial de presión puede derivarse de una combinación de causas naturales y artificiales.

Las fuentes naturales de agua incluyen, entre otras, océanos, lagos, ríos, manantiales, arroyos, la acción de las olas, las mareas o el agua de escorrentía. Los suministros de agua artificiales incluyen, entre otros, presas/depósitos, torres de agua, canales, tanques, tuberías, zanjas o pozos. El agua también puede proceder de cualquier combinación de fuentes naturales o artificiales.

Algunas de las variantes de la invención utilizan un sistema de bomba y, si se desea, pueden añadirse uno o más sistemas de bomba a cualquiera de sus variaciones. Si se desea o es necesario, puede añadirse un sistema de bomba al sistema de la invención para ayudar a mover el agua a través del sistema y/o para ayudar a evacuar el agua del sistema. Algunas variantes pueden requerir el bombeo de agua desde un punto de descarga, tal como una tubería de conexión, una cámara de evacuación y/o alguna otra área. Cabe observar que, a efectos de la presente divulgación, los sistemas venturi y la tecnología de eyectores E-jector-transvac se consideran sistemas de bomba.

Dadas las mismas condiciones tales como, entre otras, cabezal hidráulico, ubicación, topografía y el uso o no de un sistema de presa/depósito, el sistema de la invención y sus variantes pueden tener una tubería forzada de longitud considerablemente superior a las centrales hidroeléctricas actuales. Esto significa que el sistema de la invención puede generar más energía (electricidad) que las centrales hidroeléctricas actuales utilizando el mismo cabezal hidráulico. De ello se deduce que el sistema de la invención puede instalarse en emplazamientos donde anteriormente no resultaba práctico construir una central hidroeléctrica porque la cantidad de electricidad generada no era rentable.

El sistema de la invención puede construirse (con o sin) el uso de una presa y un depósito. Sin embargo, si se desea y/o requiere un sistema de presa/depósito, entonces los sistemas de la invención pueden construirse utilizando un sistema de presa y depósito más pequeño y generar una amplia gama de energías, incluso más energía de la que puede generar una central hidroeléctrica tradicional en ese emplazamiento. Por lo tanto, el sistema de la invención y sus variantes pueden construirse en lugares donde anteriormente no resultaba práctico construir una central hidroeléctrica por cuestiones de rentabilidad, topografía, consideraciones medioambientales y pérdida de terreno/propiedades.

El sistema de la invención puede utilizarse para sustituir a las centrales hidroeléctricas existentes y generar más energía. Si se desea, una central hidroeléctrica existente puede ser sustituida por el sistema de la invención para reducir el tamaño de un sistema de presas y depósitos y seguir generando la misma cantidad o una mayor cantidad de energía (electricidad).

Desarrollos anteriores del solicitante (patentes) ilustran el modo de añadir componentes (más estaciones de retorno) a este tipo de centrales eléctricas con el fin de suministrar agua a la tubería forzada de forma continua. Esto permite que el sistema de la invención genere energía de forma continua. Actualmente, sin añadir estaciones de retorno para suministrar agua de forma continua a la tubería forzada, el sistema de la invención generaría energía intermitente. Esto se debe a que, si solo hay una estación de retorno que abastece de agua a la tubería forzada, entonces, al desplazarse hacia arriba y hacia abajo para suministrar agua a la tubería forzada y para rellenarse con agua, no se estaría suministrando agua a la tubería forzada.

El cabezal hidráulico alto puede ser abastecido por una fuente de agua natural, una fuente de agua artificial y una combinación de fuentes de agua naturales y artificiales.

Cuando se descarga agua del sistema de la invención, puede evacuarse a un cabezal hidráulico bajo, al mismo cabezal hidráulico alto que abastece a la central eléctrica o una combinación de evacuación a un cabezal bajo y a un cabezal alto.

Cuando el agua se evacúa de nuevo al cabezal hidráulico original, actúa como una central hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo. La diferencia entre una (central eléctrica HEPS) tradicional y la (planta de almacenamiento por bombeo EHPG) es que una versión de almacenamiento por bombeo del sistema de la invención puede funcionar durante un mayor periodo de tiempo e incluso de forma continua cuando se incluye en el diseño el anterior desarrollo patentado del solicitante, el cual implica añadir una o más estaciones de retorno a la central eléctrica para suministrar agua a la tubería forzada (PS) de forma continua.

El sistema de la invención puede funcionar con o sin un sistema de presa/depósito y, en las mismas condiciones para cualquier ubicación, puede tener una tubería forzada de mayor longitud, lo que le otorga una mayor capacidad de generación de energía que las centrales hidroeléctricas tradicionales. Si se utiliza una presa/depósito para el sistema de la invención, es posible utilizar un sistema de presa/depósito más pequeño para generar una amplia gama e incluso más energía (electricidad) en comparación con una central hidroeléctrica tradicional.

Dadas las características antes mencionadas del sistema de la invención, este puede construirse en lugares que anteriormente no eran propicios para la construcción de una central hidroeléctrica tradicional.

El sistema de la invención también puede sustituir a las centrales hidroeléctricas actuales con el fin de igualar o aumentar su generación de energía y/o reducir el impacto sobre el medioambiente/hábitat al reducir el tamaño del sistema de presa/depósito.

Los componentes del sistema de la invención pueden utilizarse para modificar las centrales hidroeléctricas existentes con el fin de aumentar su generación de energía y/o reducir el impacto sobre el medioambiente/hábitat.

El agua que entra en el sistema de la invención puede ser descargada del sistema de la invención utilizando un sistema venturi y/o un sistema eyector (tecnología Transvac Ejector).

Existen numerosas variantes del sistema de la invención que se describen en el presente documento. Todas ellas requieren un cabezal hidráulico alto y un cabezal hidráulico bajo para generar un diferencial de presión que permita mover el agua hacia delante y hacia atrás en una acción de olas ascendente y descendente a través del sistema de la invención. El diferencial de presión puede proceder de una fuente de agua natural, una fuente de agua artificial o una combinación de una fuente de agua natural y artificial.

El sistema y los métodos de la invención para realizar trabajos utilizan una combinación de dispositivos artificiales y una fuerza fundamental de la naturaleza, la gravedad. El trabajo se utiliza para hacer funcionar una turbina y un generador para generar electricidad. El trabajo también puede utilizarse para hacer funcionar otras máquinas tales, como, entre otras, bombas, sierras y mecanismos para subir y bajar objetos. Ejemplos de esto pueden verse en los anteriores desarrollos. La gravedad, en forma de diferencial de presión, se utiliza para ayudar a hacer funcionar el sistema. El diferencial de presión puede proceder de diversas fuentes, tales como, entre otras, líquidos, gases, sólidos y/o cualquier combinación de tales elementos. El presente documento se centra en el uso de agua para generar el diferencial de presión con el fin de generar energía (electricidad). El agua puede proceder de cualquier fuente natural tal, como, entre otras, océanos, lagos, ríos, manantiales, arroyos, la acción de las olas, las mareas o el agua de escorrentía. El agua también puede proceder de suministros de agua artificiales tales, como, entre otros, presas/depósitos, canales, tanques, tuberías, zanjas o pozos. El agua también puede proceder de cualquier combinación de fuentes naturales o artificiales.

La información contenida en el presente documento se utiliza para describir el método del sistema de la invención de generación de energía únicamente con fines ilustrativos y didácticos. Por consiguiente, las ilustraciones no están dibujadas con las proporciones/especificaciones adecuadas. Los dibujos del presente documento sirven únicamente para mostrar el funcionamiento del sistema. El diseño real de cualquiera de estos tipos de centrales eléctricas debe ser calculado y comprobado por un experto en la materia correspondiente para obtener la mejor eficacia y/o el resultado deseado. El orden de funcionamiento (apertura y cierre) de las válvulas y aberturas de ventilación debe ser calculado y comprobado por un experto en la materia correspondiente.

Muchos de los componentes necesarios para el funcionamiento de este tipo de centrales eléctricas no se incluyen en el diagrama. Sin embargo, son necesarios y están implícitos. Algunos de estos componentes pueden incluir, entre otros, los siguientes elementos: un marco estructural para soportar la central eléctrica, ordenadores, solenoides, pizarras inteligentes, generadores, un sistema para transportar electricidad desde la central eléctrica hasta su destino (sistema de transmisión de energía), portales de acceso para mantenimiento y un sistema de almacenamiento de baterías. Los portales de mantenimiento incluyen, entre otros, puertos de entrada para que los técnicos reparen y realicen el mantenimiento el sistema. También incluyen portales para llenado y drenaje de las diferentes zonas relevantes de la central. Los desarrollos anteriores del solicitante muestran el modo de adaptar el sistema de la invención para permitir que funcione de forma continua. Estas adaptaciones también pueden aplicarse al sistema de la invención. De nuevo, el objetivo del presente documento es explicar el funcionamiento del sistema de la invención y sus variantes. Por consiguiente, el diseño real de cualquiera de estos tipos de centrales eléctricas y el diseño de cualquier adaptación/variante deberán ser calculados y comprobados por un experto en la materia correspondiente para lograr la máxima y/o la cantidad deseada de eficiencia. Además, el orden de funcionamiento (apertura y cierre) de las válvulas y aberturas de ventilación debe ser calculado y comprobado por el experto en la materia correspondiente.

Cabe señalar que la relación entre el sistema de la invención y su entorno puede variar en función del resultado deseado y de la geografía. Así, el sistema de la invención puede construirse sobre el suelo, bajo tierra (parcialmente sobre el suelo y parcialmente bajo el suelo). Asimismo, el sistema de la invención puede construirse sobre el agua, bajo el agua y (parcialmente sobre y parcialmente bajo) el agua. El sistema de la invención también puede construirse dentro de un contenedor.

Es un objeto de la presente invención proporcionar sistemas y métodos para fuentes renovables de generación de energía de los tipos generalmente descritos en el presente documento, que se adapten a los propósitos establecidos en el mismo y superen las desventajas encontradas en el estado de la técnica. Estas y otras ventajas son proporcionadas por la invención que se describe y muestra con más detalle a continuación.

Breve descripción de los dibujos

Las novedosas características y ventajas de la presente invención, además de las mencionadas anteriormente, resultarán evidentes para el experto en la materia a partir de la lectura de la siguiente descripción detallada junto con los dibujos adjuntos, en los que caracteres de referencia idénticos se refieren a partes idénticas y en los que:

Las Figuras 1-36 son dibujos esquemáticos de varias realizaciones a modo de ejemplo del sistema de la invención que demuestran los principios divulgados en el presente documento con mayor detalle.

Descripción de realizaciones

En relación con laFigura 1, se muestra una realización a modo de ejemplo de la presente invención. En esta realización, la invención funciona como una fuente de energía hidroeléctrica complementaria a una presa hidroeléctrica tradicional. En efecto, la realización a modo de ejemplo mostrada en este caso utiliza el diferencial en los niveles de agua que se encuentran aguas arriba y aguas abajo de la ubicación de la presa en combinación con sistemas de "bomba de flujo", "vacío" o "bomba de vacío" para aumentar la altura efectiva experimentada a través de un sistema de turbina situado en una tubería forzada (independiente o en lugar del sistema de turbina del sistema de presa, si corresponde), generando así energía. Se entenderá que, si bien se presentan varias realizaciones a modo de ejemplo de la presente divulgación con sistemas de turbinas de generación eléctrica como medio principal para realizar el trabajo, los sistemas y métodos así divulgados pueden ser adaptados fácilmente por el experto en la materia para otros medios, tales como como, entre otros, levantar objetos, bombear líquidos/gases/soluciones y accionar mecanismos tales como sierras, molinos u otros dispositivos que generalmente requieren una entrada de fuerza.

En lasFiguras 1-4, ejemplos de sistemas de bomba de flujo se incorporan en las realizaciones como un medio de utilizar el cabezal hidráulico alto para ayudar a mantener una velocidad de flujo constante del fluido de trabajo fuera del componente de la cámara de agua de la turbina y, por lo tanto, a través del componente de tubería forzada de generación de energía. Por ejemplo, para evacuar, según sea necesario, agua/líquidos o gases de los componentes pertinentes del sistema pueden utilizarse eductores de líquido, sistemas de bomba de chorro (por ejemplo, un sistema con tecnología de eyector E-Jector/Transvac) o sistemas venturi, que pueden denominarse, de forma general, en el presente documento, sistemas de bomba de vacío. Por lo tanto, el diseño físico real de estos sistemas de bombeo alto-bajo utilizados se aplicará fácilmente según considere oportuno el experto en la materia para aplicaciones concretas y se entiende que no limita el alcance de la invención reivindicada a menos que así se indique específicamente (por ejemplo, en forma o dimensiones exactas). Los sistemas de bombeo de vacío (tales como, entre otros: bombas de vacío, sistemas venturi, eductores y sistemas de tecnología de eyectores) pueden utilizarse para evacuar el flujo total de fluido de trabajo del sistema. Cabe señalar que existen varios métodos para emplear sistemas de bomba de chorro y tipo venturi con el fin de evacuar los fluidos de trabajo del sistema y, por lo tanto, el alcance de la invención no debe considerarse limitado por los siguientes ejemplos.

Como se ilustra en laFigura 1, los sistemas eyectores pueden utilizarse para evacuar el agua del sistema de la invención después de que se haya utilizado para generar energía (electricidad) y aumentar la experiencia de cabezal efectivo por parte del componente de generación de energía. Este caso utiliza un líquido a alta presión (tal como, entre otros, el agua) para evacuar un líquido (tal como, entre otros, el agua) del sistema de la invención. Este es un método muy eficiente para bombear agua fuera del sistema de la invención, ya que permite el uso de diseños de turbinas más pequeñas, eficientes y de mayor velocidad con el fin de adaptarse a una aplicación geográfica y ecológica determinada. La realización mostrada a modo de ejemplo emplea un sistema eyector de una sola unidad, pero el experto en la materia entenderá que pueden emplearse múltiples unidades eyectoras en serie, en paralelo o combinaciones de las mismas con el fin de adaptarse mejor a una realización de la invención para un aplicación concreta. En general, debe interpretarse que las referencias o ilustraciones de sistemas de bombas de vacío en el presente documento abarcan uno o más componentes del sistema de vacío en general, a menos que se especifique lo contrario.

Un método de funcionamiento de sistemas eyectores en los que el agua entra a través de la válvula (V1A) o, de lo contrario, por el cabezal alto del fluido de trabajo puede ilustrarse del siguiente modo: la válvula (VT) se abre permitiendo que entre agua desde el cabezal alto (WL) a la tubería forzada (PS). La válvula (V5) se abre permitiendo que el agua en (PS) pase a través del sistema de turbina/generador (T/G) para generar energía. La abertura de salida de aire (AV/T) está abierta. La válvula (V1A) está abierta. Las válvulas (VT), (V5), (V1A) y la abertura de salida de aire (AV/T) permanecen preferiblemente abiertas durante el funcionamiento normal de la central. Sin embargo, cualquiera de ellas puede abrirse y cerrarse según sea necesario para el funcionamiento deseado.

El agua del cabezal hidráulico alto (WL) entra en la tubería de conexión (CP-1A) a través de la válvula (V1A). Desciende al sistema eyector (EJ) hasta la entrada del difusor. El efecto de boquilla del sistema eyector (EJ) produce su efecto, aumentando la velocidad de flujo y disminuyendo la presión a través de la boquilla. Dado que el agua en (TWC) se ventila a la atmósfera mediante (AV/T), es agua a baja presión. Dado que la columna de agua en (CP-1A) que entra en (EJ) es más alta que la columna de agua en (TWC), el agua que entra en el sistema (EJ) desde (CP-1A) tiene una presión más alta que la del agua en (TWC). Por lo tanto, el fluido arrastrado en (TWC) se mezcla con el agua en (CP-1A). La tubería de conexión (CP-1A) transporta ahora agua procedente del cabezal hidráulico alto (WL) y agua procedente de (TWC) hasta y desde el punto de descarga (POD) del sistema de la invención hacia el cabezal hidráulico bajo (WLL).

El punto de descarga (POD) puede estar por encima, por debajo o en el cabezal hidráulico bajo (WLL). Su ubicación exacta deberá ser calculada y comprobada por un experto en la materia correspondiente. En caso necesario, la presión del agua en (TWC) puede controlarse abriendo y cerrando (AV/T). El cierre (AV/T) crea una contrapresión, que eleva la presión del agua en (TWC). La apertura (AV/T) puede reducir la presión del agua en el (TWC) hasta la presión atmosférica.

De manera opcional, un sistema de bombeo (PTWC) puede añadirse a cualquier (TWC) para evacuar el agua si es necesario. La válvula (VPTWC) puede abrirse cuando la bomba (PTWC) está en funcionamiento, pero cerrarse cuando no está bombeando.

LaFigura 2se utiliza para explicar el modo de uso de un sistema de bomba de vacío tipo venturi para evacuar agua del sistema de la invención utilizando agua. Los diferenciales de presión entre el agua que se evacúa de (TWC) y el agua que entra en la válvula (V1A) pueden variar. Como se muestra en relación con laFigura 1, en esta realización a modo de ejemplo se utiliza una presa para generar una diferencia de presión entre el cabezal hidráulico alto (WL) y el cabezal hidráulico bajo (WLL). Esto permite una mayor generación de energía y, en algunos casos, permite un mayor diferencial de presión entre el agua en (TWC) y el agua que entra en (CP-1A) a través de la válvula (V1A).

Los sistemas de bomba de vacío venturi que utilizan agua (o líquidos en general) pueden utilizarse para evacuar el agua del sistema de la invención después de que se haya utilizado para generar energía. En este ejemplo, se utiliza agua a alta presión para evacuar agua a menor presión. Este es un método muy eficaz para evacuar agua del sistema de la invención y aumenta la experiencia de cabezal efectivo por parte de la tubería forzada. Esto resulta especialmente útil, por ejemplo, para modernizar presas de cabezal bajo o reevaluar los emplazamientos de proyectos de presas de cabezal bajo para nuevas centrales hidroeléctricas.

Un método de funcionamiento de sistemas de bomba de vacío venturi en relación con la realización a modo de ejemplo mostrada en laFigura 2puede ilustrarse del siguiente modo: la válvula (VT) se abre permitiendo que el agua del cabezal alto (WL) entre en la tubería forzada (PD). La válvula (V5) se abre permitiendo que el agua en (PS) pase a través del sistema de turbina/generador (T/G) para generar energía. La abertura de salida de aire (AV/T) está abierta y ventila el espacio de aire en (TWC) a la atmósfera. La válvula (V1A) está abierta. La válvula (VV) está abierta. Las válvulas (VT), (V5), (V1A), (VV) y la abertura de salida de aire (AV/T) preferiblemente permanecen abiertas durante el funcionamiento normal de la central. Sin embargo, cualquiera de ellas puede abrirse y cerrarse según sea necesario para el funcionamiento deseado.

El agua procedente del cabezal hidráulico alto (WL) entra en la tubería de conexión (CP-1A) a través de la válvula (V1A). Desciende hasta el sistema de bomba de vacío venturi (VS). Dado que el agua en (TWC) se ventila a la atmósfera por (AV/T), es agua a baja presión. Dado que la columna de agua en (CP-1A) que entra en (VS) es más alta que la columna de agua en (TWC), el agua que entra en el sistema (VS) desde (CP-1A) está a una presión más alta que la agua en (TWC). Se produce el efecto venturi, en donde el agua a baja presión en la cámara de agua de la turbina (TWC) pasa a través de la válvula (VV) y se combina/mezcla con el agua procedente de (CP-1A) a través de una tubería de conexión (VCP). La tubería de conexión (CP-1A) transporta ahora agua procedente del cabezal hidráulico alto (WL) y agua procedente de (TWC) hasta y desde el punto de descarga (POD) del sistema de la invención hacia el cabezal hidráulico bajo (WLL).

Cabe observar que el punto de descarga (POD) puede estar por encima, por debajo o en el cabezal hidráulico bajo. Su ubicación exacta debe ser calculada y comprobada por un experto en la materia correspondiente para una aplicación concreta. Además, puede añadirse un sistema de bomba opcional (PS-X) en el punto de descarga (POD) para ayudar a evacuar el agua del sistema de la invención.

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 3representa un sistema de bomba de vacío que incorpora el uso de aire (u otros gases). Este caso utiliza aire a alta presión para evacuar agua a menor presión. Se requiere un sistema/dispositivo (AC) para presurizar el aire que entra a través de la válvula (V1A). Este ejemplo utiliza un compresor de aire (AC) para comprimir el aire que entra a través de la válvula (V1A); sin embargo, pueden utilizarse otros sistemas para comprimir el aire que entra a través de la válvula (V1A).

Cabe señalar que no se requieren presas para las realizaciones del sistema de bomba de vacío si el cabezal hidráulico que entra a través de la válvula (V1A) es suficiente para hacer funcionar el sistema. Dado que el mismo cabezal hidráulico entra a través de las válvulas (VT) y (V1A), el agua puede evacuarse hacia el mismo cabezal hidráulico. Además, tanto si se utiliza una presa como si no en los sistemas de bombas de vacío, puede añadirse un sistema de bombeo en el punto de descarga (POD) para ayudar a evacuar el agua del sistema de la invención.

LaFigura 3ilustra una realización a modo de ejemplo del método de funcionamiento de sistemas de bomba de vacío de tipo gas. Cuando se utiliza un compresor de aire (AC) para comprimir el aire que entra en la válvula (V1A), el método de funcionamiento es el mismo que cuando el agua entra a través de la válvula (V1A), con las siguientes excepciones: (1) solo el aire comprimido entra a través de la válvula (V1A); (2) el agua de la cámara de agua de la turbina (TWC) se mezcla con el aire de (CP-1A) debido al efecto venturi; y (3) la tubería de conexión (CP-1A) lleva agua y aire hasta y desde (POD).

Cuando se utiliza un compresor de aire (AC) para comprimir el aire que entra en la válvula (V1A), el método de funcionamiento de un sistema eyector (EJ) es el mismo que cuando el agua entra a través de la válvula (V1A), con las siguientes excepciones: (1) por la válvula (V1A) solo entra aire comprimido; (2) el agua de la cámara de agua de la turbina (TWC) se mezcla con el aire de (CP-1A) debido al efecto de boquilla; y (3) la tubería de conexión (CP-1A) lleva agua y aire hasta y desde (POD). Lo mismo es válido para cualquier otro sistema de bomba de vacío comparable, en donde el sistema de bomba de vacío específico utilizado en una aplicación determinada de la invención implica un efecto de bomba de vacío, en general. Cabe señalar también que, en este ejemplo, el agua no entra en la tubería de conexión (CP-1A) a través de la válvula (V1A). Solo el aire comprimido del compresor de aire (AC) entra a través de la válvula (V1A).

Dado que en esta realización a modo de ejemplo se utiliza un compresor de aire para producir el efecto venturi o el efecto de boquilla, no se requiere estrictamente una presa, como resultará evidente en la divulgación de realizaciones adicionales del presente documento que figuran a continuación. El agua que entra a través de la válvula (VT) para generar energía (realizar un trabajo, generalmente) puede descargarse en el (POD) del sistema en el mismo cabezal hidráulico que entra a través de la válvula (VT). Se utiliza una presa para aumentar el diferencial de presión entre la materia que entra a través de la válvula (V1A) y el agua dentro de (TWC). Una presa también permite una mayor generación de energía.

LaFigura 4representa el flujo de agua a través del sistema de la invención para sistemas venturi, eyectores, eductores y sistemas comparables similares tal como se describe en relación con lasFiguras 1-3. LaFigura 4utiliza el mismo símbolo que se muestra en relación con laFigura 3para representar sistemas de bomba de vacío en general, tales como sistemas venturi, eyectores, eductores, y similares.

Q1 representa el flujo de agua que pasa a través de la tubería de conexión (CP-1A) después de pasar a través de la válvula (V1A). Q2 significa el flujo de agua que entra a través de la válvula (VT), pasa a través del sistema turbina/generador y se precipita en la cámara de agua de la turbina (TWC) después de generar energía. El flujo (Q1+Q2) indica el flujo de agua después del efecto venturi en un sistema venturi, el efecto de boquilla en un sistema eyector u otros sistemas de bomba de vacío comparables. El flujo (Q1+Q2) ilustra la mezcla de materia/agua entre el agua en la cámara de agua de la turbina (TWC) y el agua que entra por la válvula (V1A).

LaFigura 5ilustra varios diseños de venturi, lo que significa que estas variantes de diseño, al igual que otros sistemas de bombas, tales como bombas de chorro (bombas eyectoras), bombas de ariete, bombas de doble ariete y bombas centrífugas, son demasiado numerosos para describirlos y/o representarlos. En estos ejemplos, que tienen fines ilustrativos, lasFiguras 5A,5B,5Cy5Dilustran entradas de baja presión en ángulo en varias configuraciones, así como una variedad de anchos de cono de entrada y salida a modo de ejemplo. En algunas realizaciones, el ángulo de la entrada de baja presión con respecto a la horizontal puede afectar a la eficiencia del efecto de vacío y, por tanto, a la eficiencia general del sistema. LaFigura 5Ees una realización a modo de ejemplo de un diseño venturi con una entrada de baja presión orientada perpendicularmente y con un diámetro relativo más pequeño, y laFigura 5Frepresenta una entrada de baja presión orientada de manera similar con una longitud total relativamente más corta, junto con conos de entrada y salida más grandes.

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 6ilustra que el venturi (VS), la tecnología de eyector (EJ) y otros sistemas de bomba de vacío similares pueden utilizar una torre de agua o un aparato similar para suministrar agua al sistema de la invención. Esto permite construir el sistema de la invención en cualquier lugar donde pueda construirse una torre de agua, incluso lejos de una fuente natural de agua. El suministro de agua puede ser canalizado o transportado en camiones, trenes, aviones y otras formas de transporte/suministro. En teoría, siempre que tenga gravedad o gravedad artificial, también tiene aplicaciones extraterrestres. Esto permite que el sistema de la invención se construya en lugares tales como, entre otros: estaciones espaciales, colonias extraterrestres (complejos submarinos/subterráneos) por encima del nivel del suelo, por debajo el nivel del suelo, por encima del nivel del agua, por debajo el nivel del agua, parcialmente por encima y parcialmente por debajo del nivel del suelo, así como parcialmente por encima y parcialmente por debajo del nivel del agua.

Durante el funcionamiento, la realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 6puede ponerse en funcionamiento de la siguiente manera: preferiblemente, las aberturas de salida de aire (AV/EC) y (AV/T) están abiertas durante las operaciones normales de la central. Preferiblemente, las válvulas (VT), (V5), (V1A) y (VV) están abiertas durante las operaciones normales del sistema (la válvula (VV) se representa en laFigura 2en relación con el sistema de bomba de vacío venturi). Cualquiera de estas aberturas de ventilación y válvulas puede abrirse y cerrarse según sea necesario. En este caso, el cabezal hidráulico alto (WL/WT) está ubicado en la torre de agua. El cabezal hidráulico bajo (WLL/EC) se encuentra en la cámara de evacuación (EC). Dado que el punto de descarga (POD) está en o por debajo de (WLL/EC), (WLL/EC) se convierte en el cabezal hidráulico bajo.

El agua de la torre de agua (WT) pasa a través de la válvula (V1A) y entra en la tubería de conexión (CP-1A). Desciende hasta el sistema venturi (VS). El agua procedente de la cámara de evacuación (EC) pasa a través de la válvula (VT) y baja por la tubería forzada (PS) hasta la turbina/generador (T/G) donde genera energía. Luego, el agua pasa a través de la válvula (V5) y se precipita a la cámara de agua de la turbina (TWC), que se ventila a la atmósfera mediante el sistema de salida de aire (AV/EC). El sistema (AV/EC) también ventila la cámara de evacuación (EC) a la atmósfera. Asimismo, la abertura de salida de aire (AV/T) ventila la torre de agua (WT) a la atmósfera. En la cámara de agua de la turbina (TWC), entre la válvula (V5) y el nivel del agua en (TWC), puede haber un espacio de aire. El nivel del agua en (TWC) se designa como (WLTWC). A medida que el agua procedente de (CP-1A) pasa a través del sistema eyector (EJ), se produce el efecto de boquilla y el agua de (TWC) se mezcla con el agua de (CP-1A). Dado que la columna de agua que entra en el sistema eyector (EJ) tiene un cabezal hidráulico más alto que el agua dentro de (TWC), el agua de (CP-1A) tiene una presión más alta. El flujo combinado de agua que sale (EJ) sube por la tubería de conexión (CP-1A) y sale del punto de descarga (POD) ubicado en la cámara de evacuación (EC). El sistema de bombeo (PSEC) bombea agua desde (EC) de vuelta a la torre de agua (WT), preferiblemente a la misma velocidad que el agua que sale de la torre de agua (WT) a través de la válvula (V1A). Preferiblemente, el agua de (EC) se precipita por (PS) a la misma velocidad que el agua sale de (TWC) a través del sistema eyector (EJ). De nuevo, la válvula (VT) y/o la válvula (V5) controlan el flujo de agua que desciende por (PS) y la válvula (V1A) controla el flujo de agua que entra en la tubería de conexión (CP-1A).

Cabe señalar que, si es necesario, puede añadirse una válvula al sistema eyector (EJ) para controlar el flujo de agua entre este y la cámara de agua de la turbina (TWC).

La realización mostrada en relación con laFigura 7ilustra que cualquier sistema puede colocarse en un sistema de tanque, depósito o contenedor. Esto permite que la planta de energía funcione en emplazamientos tales como, entre otros, sobre el suelo, bajo tierra y bajo el agua. Esta realización también ilustra que una torre/un contenedor de agua (WT) puede proporcionar el cabezal hidráulico alto (WL). De manera opcional, puede añadirse un sistema de bomba (PS-X) al punto de descarga (POD) si es necesario, deseado o apropiado para una aplicación determinada.

La realización que se muestra en relación con laFigura 8incluye un sistema de válvula de cámara de mezcla (VSB) para impedir que el agua en la tubería de conexión (CP-1A) retroceda hacia la cámara de agua de la turbina (TWC) cuando la central eléctrica no está en funcionamiento. La válvula (VPTWC) puede abrirse y cerrarse según sea necesario para permitir que el sistema de bombeo (PTWC) evacúe agua para (TWC) según sea necesario.

LaFigura 9representa una realización en donde el agua que entra en el sistema venturi no necesita ser ventilada a la atmósfera. Sin embargo, si se desea o es necesario, puede añadirse una abertura de salida de aire (TWCB) y (TWCA). LaFigura 9muestra el modo de lograr una generación continua de energía si se desea suministrar agua desde la cámara de agua de la turbina a través de (TWCB) y (TWCA). (TWCB) y (TWCA) no se ventilan a la atmósfera en esta realización.

Esta realización también ilustra que puede haber más de una cámara de agua de turbina que suministre agua al sistema de bomba de vacío (VS). Aunque (TWC) se ventila a la atmósfera mediante la abertura de salida de aire (AV/T), ni (TWCB) ni (TWCA) se ventilan a la atmósfera en este caso. Mientras (TWCA) se rellena con agua de la tubería forzada a través de la válvula (TVA), (TWCB) suministra agua al venturi a través de la válvula (VVB). La válvula (TVB) está cerrada cuando la válvula (VVB) está abierta y la válvula (VVA) está cerrada cuando la válvula (TVA) está abierta. Esto muestra el modo de hacer funcionar esta variante del sistema de la invención con poca o ninguna generación intermitente de energía.

LaFigura 10representa una realización que es un ejemplo modificado de laFigura 9. La diferencia entre lasFiguras 10y9es que la realización mostrada en laFigura 10ha añadido una abertura de salida de aire tanto a (TWCA) como a (TWCB). Por lo tanto, si se desea enviar agua ventilada a la atmósfera en el venturi desde (TWCB), se abre la abertura de salida de aire (AVB). Si se desea enviar agua no ventilada a la atmósfera desde (TWCB) al sistema de bomba de vacío, se cierra la abertura de salida de aire (AVB). La misma relación se aplica entre (TWCA) y (AVA). En cualquier caso, (TWC) preferiblemente se ventila a la atmósfera durante el funcionamiento normal a través de una abertura de salida de aire (AV/T). Para aplicaciones concretas, el experto en la materia correspondiente puede decidir si el agua de la turbina (TWCA) y (TWCB) se ventila o no a la atmósfera.

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 11ilustra que pueden emplearse dos o más sistemas eyectores (EJ) en una aplicación de la invención. Este modelo dispone de sistemas eyectores (EJ) separados que son abastecidos con agua desde la misma tubería forzada. Los sistemas pueden diseñarse para alternar la evacuación de agua o funcionar simultáneamente. Si funcionan al mismo tiempo, las válvulas (WLTWCA) y (VTWCB) se dejan abiertas y las válvulas (V2A), (V3A), (V2B) y (V3B) se dejan abiertas. Entonces las válvulas asociadas con la cámara (TWCA) y (TWCB) pueden alternar apertura y cierre.

Este ejemplo muestra, además, que la tubería forzada, las tuberías de conexión que suministran agua a los sistemas eyectores de bombas de vacío (EJ) y el punto de descarga pueden tener el mismo cabezal hidráulico. Preferiblemente, el agua que se suministra a las válvulas (V1A y V1B) está en movimiento (tal como, entre otros, agua de un río, arroyo o sistema de canales). Si se desea o es necesario, puede añadirse un sistema de presa o un sistema de torre de agua para aumentar el cabezal hidráulico que suministra agua a (V1A) y (VIB). Esto aumentaría el diferencial de presión entre el agua que entra por las válvulas de admisión (V1A y V1B) y los puntos de descarga (POD-A y POD-B). Los ejemplos de lasFiguras 1,6y8muestran variaciones en los niveles de agua entre el agua que entra por la tubería de conexión (CP-1A) y el punto de descarga (POD).

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 12utiliza un componente de bomba de ariete. También pueden utilizarse variaciones de bombas de ariete (también conocidas como arietes hidráulicos) para evacuar el agua del sistema de la invención. Las bombas de ariete funcionan de manera diferente a las bombas venturi y eyectoras (cabe observar que las bombas eyectoras también se denominan "bombas de chorro"). LaFigura 12utiliza una bomba de ariete. Las bombas de ariete también se denominan (arietes hidráulicos). Esta realización a modo de ejemplo también comprende dos cámaras de evacuación, que son (TWCB) y (TWCA). Pueden llenarse al mismo tiempo y luego vaciarse al mismo tiempo. Sin embargo, en este ejemplo, las dos cámaras de evacuación se llenan y evacúan de forma alterna. Así, mientras (TWCA) se llena con agua procedente de la cámara de agua de la turbina (TWC) a través de la válvula (TVA), (TWCB) se evacúa de su contenido de agua a través de la válvula (VVB). Contar con dos o más cámaras de evacuación que se llenan y vacían de forma alterna permite una generación continua de energía.

El compresor de aire (AC) bombea aire al interior de la campana del ariete (HB). Después de bombear la cantidad deseada de aire a (HB), se cierra la válvula (VAVHB) y se apaga el compresor de aire/bomba de aire (AC/AP). La válvula (TVA) se abre para llenar la cámara de evacuación (TWCA) con agua de (TWC) y luego se cierra. Preferiblemente, las válvulas (VT), (V1) y (V5) están abiertas durante el funcionamiento normal de la central. La válvula (V5) se muestra en laFigura 3. La abertura salida de aire (AV/T) está abierta durante el funcionamiento normal de la central.

El agua a alta presión del nivel del agua (WL) entra en la tubería de conexión (CHP) y viaja a través de dicha tubería de conexión hasta la válvula (HV). Las válvulas (HV) y (HVB) pueden funcionar a presión, mecánicamente usando resortes y/o pesos o abrirse y cerrarse electrónicamente. En este caso, se accionan electrónicamente. Pueden utilizarse medidores para determinar cuándo se abren y cierran esas válvulas.

En este caso, (TWCA) se llena con agua de (TWC) a través de una válvula abierta (TVA) mientras que el contenido de agua de (TWCB) se evacúa al interior del venturi a través de una válvula abierta (VVB). El agua a alta presión de la válvula (V1) de entrada de agua a alta presión (WL) entra en el sistema venturi y se mezcla con el agua de (TWCB) y continúa conectando la tubería (CHP) a la válvula (HV) provocando el "efecto ariete". Cuando la presión es suficiente, la válvula (HVB) se abre permitiendo que el agua a alta presión entre en la cámara (HB). El aire en (HB) se presuriza cuando el agua de (CPH) entra en (HB) y hace que su nivel de agua (WLB) aumente. La válvula (V2B) preferiblemente permanece abierta durante el funcionamiento normal de la central, pero puede abrirse y cerrarse según sea necesario. Cuando la presión de aire en (HB) es suficiente, el agua en (HB) sube por una tubería de conexión y se descarga en el cabezal hidráulico bajo (WLL) en el punto de descarga (POD-B). Las válvulas (HVB), (VVB) y (TVA) se cierran después de que se haya evacuado la cantidad deseada de agua y la válvula (HV) puede abrirse para restablecer el efecto ariete. A continuación, se cierra (HV).

Las válvulas (TVB) y (VVA) se abren permitiendo que las cámaras (TWCB) y (TWCA) alternen funciones. Ahora (TWCB) se llena con agua de (TWC) mientras el agua de (TWCA) se evacúa a través de la válvula (VVA) al sistema venturi.

Este caso solo utiliza una cámara (TWCB) para activar el efecto ariete. En este ejemplo, no se utiliza (TWCA) para demostrar que puede utilizarse una cámara de evacuación de una cámara tal como, entre otras, (TWCB), para evacuar el agua del sistema de la invención utilizando el "efecto ariete". La válvula (TVB) se deja abierta y (VVB) se deja abierta. El agua a alta presión que entra a través de la válvula (V1) entra en el venturi y extrae el agua de (TWCB) a través de la válvula (VVB) debido al "vacío" del efecto venturi. La mezcla de agua de CHP y TWCB sube por (CHP) hasta (HV) produciendo el "efecto ariete". Cuando la presión es suficiente, la válvula (HVB) se abre permitiendo que el agua a alta presión entre en la cámara (HB). El aire en (HB) se presuriza a medida que el agua de (CPH) entra en (HB) y hace que su nivel de agua (WLB) aumente. La válvula (V2B) preferiblemente permanece abierta durante el funcionamiento normal de la central, pero puede abrirse y cerrarse según sea necesario. Cuando la presión de aire en (HB) es suficiente, el agua en (HB) sube por una tubería de conexión y se descarga en el cabezal hidráulico bajo (WLL) en el punto de descarga (POD-B). La válvula (HV) se abre tras la caída de presión en HB y (HVB) y (HV) se cierran para restablecer el ariete.

Si se desea, pueden añadirse turbinas auxiliares tales como, entre otras, (ATHV), (ATB) y (ATV2B) para la generación de energía adicional. (ATHV) y (ATB) preferiblemente se disponen de manera que no interfieran con la descarga de agua del sistema.

Con respecto a la variabilidad de diversas realizaciones a modo de ejemplo de la invención, pasando a laFigura 13, la salida o cono divergente del venturi (BSV) se muestra con un diámetro relativamente menor con respecto a otras realizaciones, y con respecto a la entrada o cono convergente del venturi (FSV). Esto se proporciona como un ejemplo ilustrativo de la amplia gama de opciones de diseño que pueden implementarse en una aplicación determinada y no se considera necesariamente un ejemplo de realización preferida de un diseño. El experto en la materia apreciará que estos componentes pueden configurarse para aplicaciones, velocidades de flujo y perfiles de presión determinados del entorno al que se aplica la invención y no se consideran particularmente limitantes con respecto al alcance de la invención reivindicada. En esta realización, los tamaños de cono y las velocidades de flujo deseadas requieren, para la entrada de la tubería de conexión (CP-1A), un diámetro mayor que el de la tubería de conexión de descarga (CP-1AA), en donde el punto de descarga (POD) está en o por debajo del nivel del cabezal hidráulico bajo (WLL). Este punto también puede estar por encima de este nivel, si se desea.

Cabe señalar que la válvula (V-AV/T) puede abrirse para ventilar la cámara de agua de la turbina (TWC) a la atmósfera. Si (V-AV/T) está cerrada, la cámara de agua de la turbina (TWC) no se ventila a la atmósfera. La válvula (V-AV/T) puede abrirse y cerrarse según sea necesario. La cámara de agua de la turbina (TWC) puede tener un espacio de aire entre su nivel de agua (WLT) y la válvula (V5), o su TWC puede estar llena de agua y no tener un espacio de aire.

Los tipos de sistemas de bomba de vacío (tales como, entre otros, bombas de chorro/eyector, sistemas venturi, sistemas eductores, bombas de ariete, bombas de doble ariete y bombas centrífugas) que pueden utilizarse en los sistemas divulgados son demasiado numerosos para enumerarlos y sus diversos diseños para cada tipo de sistema de bomba son demasiado numerosos para describirlos. El propósito principal de las bombas se describe detalladamente en el presente documento, y es de esperar que el experto en la materia pueda sustituirlas por reemplazos comparables sin apartarse del alcance de la presente invención.

También se observa en laFigura 13la tubería forzada (PS) dispuesta en el lado del cabezal alto (WL) de la presa. Sin embargo, puede disponerse en el lado del cabezal bajo (WLL) de la presa, si se desea.

En laFigura 14, se muestra una realización a modo de ejemplo de la invención en la que la tubería forzada (PS) está conectada directamente al venturi (VS) (es decir, no hay una cámara de agua de turbina (TWC) en esta realización). Esta figura también ilustra una variante de diseño diferente de un venturi con fines ilustrativos. El diámetro del cono de entrada (FSV) del sistema venturi (VS) es más pequeño que su cono de salida (BSV). Además, el cono de salida (BSV) es más<largo que el cono de entrada frontal>(F<s>V).<Las posibles variantes de diseño para las posibles bombas que pueden>utilizarse, tales como, entre otras, sistemas venturi, bombas de chorro, bombas de ariete, bombas de doble ariete y bombas centrífugas, son demasiado numerosas para describirlas. En el caso de un sistema venturi, una configuración típica tendrá el cono de entrada con un ángulo de cono más pronunciado que el cono de salida, pero el experto en la materia apreciará que la selección se realizara en función de los detalles de diseño basados en cuestiones medioambientales y en los resultados para una aplicación determinada.

También se ilustra en laFigura 14un diseño diferente de la tubería de conexión (CP-1AA). Su diámetro es relativamente mayor que en otros ejemplos y se curva hacia arriba en un ángulo de aproximadamente 90 grados. Su punto de descarga es más bajo para maximizar la eficiencia. Sin embargo, su curvatura puede tener varios ángulos y el punto de descarga (POD) puede situarse en varias ubicaciones por encima del cono de salida (BSV), en o por debajo del cabezal hidráulico bajo (WLL).

En laFigura 15, la cámara de agua de la turbina (TWC) está llena de un líquido o solución similar, tal como, por ejemplo, agua. En este ejemplo no hay espacio de aire en (TWC). Sin embargo, si se desea, puede utilizarse un espacio de aire, como se representa en otras realizaciones a modo de ejemplo. En este caso, la válvula de salida de aire de la cámara de agua de la turbina (V-AV/T) puede abrirse o cerrarse. Esto permite que la cámara de agua de la turbina (TWC) esté abierta a la atmósfera o cerrada a la atmósfera, según se desee.

En laFigura 15también se muestra una modificación del diseño de la tubería de conexión (CP-1A) que conduce al punto de descarga (POD). Esta variación en la configuración es ilustrativa de la variedad de opciones de características espaciales/dimensionales, en donde sus curvaturas pueden tener varios ángulos/curvas. Además, el punto de descarga (POD) puede situarse en varias ubicaciones por encima, en o por debajo del cabezal hidráulico bajo (WLL).

Si se desea, puede añadirse un compresor de aire (AC) para forzar el aire comprimido (GAS), por ejemplo, a la tubería de conexión de aire hacia abajo (CP-1A) para accionar el venturi. Además, puede utilizarse cualquier sistema de bomba adecuado, tal como, entre otros, un tubo venturi, una bomba de chorro, una bomba de ariete, una bomba de doble ariete y/o una bomba centrífuga para mover el agua a través del sistema y evacuar el agua del sistema. Esto incluye mover el agua que pasa a través de la turbina (TG) a la tubería de conexión (CP-1A), permitiendo que sea evacuada del sistema en el punto de descarga (POD) o reutilizada.

En la realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 16, la cámara de agua de la turbina (TWC) no tiene un espacio de aire. (TWC) se llena con un líquido/solución como, entre otros, agua. La válvula de salida de aire (V-AV/T) puede abrirse y cerrarse según se desee para ventilar la cámara de agua de la turbina (TWC) a la atmósfera o para cerrarla de la atmósfera. Si se desea, también puede proporcionarse un espacio de aire (no mostrado) en la cámara de agua de la turbina (TWC). En esta realización a modo de ejemplo, la tubería forzada (PS) está diseñada para disponerse en el lado del cabezal alto (WL) de la presa, pero, de manera alternativa, puede disponerse en el lado del cabezal bajo (WLL) de la presa.

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 17tiene un sistema de turbina/generador (T/G) colocado directa/indirectamente en la tubería de conexión (CP-1A) para generar electricidad.

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 18utiliza un indicador general (un círculo) para representar todos los posibles sistemas de bomba de vacío tales como, entre otros, sistemas venturi, bombas de chorro (bombas eyectoras), bombas de ariete, bombas de doble ariete y bombas centrífugas, que pueden utilizarse para mover el agua a través de la central eléctrica y para evacuar agua de la central eléctrica. Esto incluye mover el agua que pasa a través de la turbina/generador (TG) hacia la tubería de conexión (CP-1A), permitiendo que sea evacuada del sistema en el punto de descarga (POD) o reutilizada. El indicador “P Sys” también se utiliza para representar todos los distintos tipos de sistemas de bombas que funcionan con este sistema.

En esta realización, el sistema no tiene cámara de agua de turbina (TWC). La tubería forzada alimenta directamente al sistema de evacuación (P Sys), que puede funcionar con varios tipos diferentes de sistemas, tales como, entre otros, un venturi, un sistema de bomba de chorro/eyector, una bomba de ariete, una bomba de doble ariete y/o una bomba centrífuga. El sistema que se emplee finalmente en una aplicación determinada será calculado y comprobado por el experto en la materia para determinar qué tipo es el más adecuado para el resultado deseado.

Del mismo modo, las especificaciones de diseño de la tubería forzada en características tales como diámetro y longitud son demasiado numerosas para describirlas exhaustivamente en el presente documento, pero estarán fácilmente disponibles en una aplicación concreta según las aplique el experto en la materia. El generador de energía hidroeléctrica mejorado (EHPG) de la invención puede diseñarse para que su tubería forzada (PS) reciba el suministro de agua de fuentes tales como, entre otras, el cabezal hidráulico bajo (WLL), el cabezal hidráulico alto (WL), una torre de agua y/o cualquier otra fuente adecuada. En este caso, se muestra la tubería forzada (PS) extrayendo fluido de trabajo del cabezal hidráulico bajo (WLL).

En la realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 19, la tubería forzada (PS) recibe el agua desde el lado del cabezal hidráulico alto (WL) de la presa. Cabe señalar que el generador de energía hidroeléctrica mejorado (EHPG) puede diseñarse para que la tubería forzada (PS) reciba su suministro de agua de fuentes tales como, entre otras, el cabezal hidráulico bajo (WLL), el cabezal hidráulico alto (WL), una torre de agua y/o cualquier otra fuente adecuada.

Volviendo a la realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 20, se representa un sistema que recibe su fluido de trabajo de una fuente sin el uso de una presa para crear un diferencial en los niveles de cabezal de entrada y salida. El diferencial de presión resulta de la distancia entre el cabezal hidráulico alto (WL) de la fuente y el cabezal hidráulico bajo (WLEC) que se mantiene en la cámara de evacuación (EC). El cabezal hidráulico bajo (WLL) se convierte efectivamente en el nivel del agua en la cámara de evacuación (WLEC). La configuración de esta realización es adecuada para la instalación y el funcionamiento en ubicaciones tales como, entre otras, estanques, lagos, océanos, arroyos, ríos, tanques/depósitos, tierra y cualquier combinación de tierra y agua. Además, permite que la tubería forzada se extienda significativamente más de lo que permiten los diseños actuales.

Volviendo a lasFiguras 21A-21C, se representa otra realización a modo de ejemplo en la que el sistema se instala en ausencia de una presa, como en laFigura 20. En esta realización a modo de ejemplo, la tubería forzada puede extenderse considerablemente más de lo que permiten los diseños actuales. Como se observa en laFigura 21A, la cámara de agua de la turbina (TWC) no tiene un espacio de aire y está completamente llena de agua. No se ventila a la atmósfera. Sin embargo, cabe observar que la cámara de agua de la turbina (TWC) puede tener un espacio de aire si se desea. La válvula de salida de aire (V-AV/T) puede abrirse, exponiendo la cámara de agua de la turbina (TWC) a la atmósfera.

Como se observa en laFigura 21B, el sistema puede instalarse y ponerse en funcionamiento de esta manera en conexión con un tanque/depósito. En este ejemplo, la cámara de agua de la turbina (TWC) se muestra con un espacio de aire ventilado a la atmósfera.

Como se ilustra en laFigura 21C, este tipo de realización puede implementarse de manera que se utilice una torre de agua (WT) para suministrar agua al sistema como un circuito de fluido cerrado, actuando la torre de agua a modo de depósito como se describe en desarrollos previos. Esta realización a modo de ejemplo también muestra la ausencia de una cámara de agua de turbina, en donde la tubería forzada (PS) desemboca directamente en un sistema venturi. Esta realización tiene aplicaciones terrestres y extraterrestres.

LaFigura 22representa una realización a modo de ejemplo de la invención en donde la cámara de agua de la turbina (TWC) está llena de agua y no tiene espacio de aire. La cámara de agua de la turbina (TWC) no se ventila a la atmósfera. Cabe señalar que, si se desea, la cámara de agua de la turbina (TWC) puede tener un sistema de ventilación que puede abrirse para exponer la cámara de agua de la turbina (TWC) a la atmósfera. También puede cerrarse según sea necesario para impedir que la cámara de agua de la turbina (TWC) quede expuesta a la atmósfera. Este ejemplo puede tener un espacio de aire por encima del nivel del agua en la cámara de agua de la turbina (TWC), si se desea.

La realización a modo de ejemplo representada en relación con laFigura 23muestra una variante con una torre de agua que proporciona el cabezal hidráulico alto (WL) y la cámara de evacuación (EC) que proporciona el cabezal hidráulico bajo (WLEC). La cámara de agua de la turbina (TWC) no tiene un espacio de aire y está llena de agua. En esta realización, no se ventila a la atmósfera. Esta ilustración muestra el flujo de agua a través del sistema. Si se desea, la cámara de agua de la turbina (TWC) puede tener un espacio de aire por encima del nivel del agua dentro de la cámara de agua de la turbina (TWC). La cámara de agua de la turbina (TWC) puede ventilarse a la atmósfera abriendo la válvula (V-AV/T) y, cerrando dicha válvula, se cierra la cámara de agua de la turbina (TWC) a la atmósfera.

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 24Ademuestra que la tubería forzada (PS) puede alimentar directamente a la tubería de conexión (CP-1A) sin utilizar un venturi ni cualquier otro sistema sustitutivo similar como se ha descrito anteriormente. Cabe señalar que la presión del agua que pasa a través del sistema de turbina (T/G) en la tubería forzada (PS) disminuye. Por consiguiente, el agua que entra a la tubería de conexión (CP-1A) tiene una presión de agua menor que el agua que pasa a través de (CP-1A). Además, el diferencial de presión entre el cabezal hidráulico alto (WL) y el cabezal hidráulico bajo (WLL) ayuda a permitir que el agua en (PS) entre en (CP-1A). Esto permite que (CP-1A) envíe el agua que entra en la misma desde la válvula de admisión (V1A) y el agua que entra en la misma desde la tubería forzada (PS) fuera del sistema en su punto de descarga (POD).

LaFigura 24Bilustra que el ángulo en el que la tubería forzada (PS) se conecta a la tubería de conexión (CP-1A) puede variar sin limitar las reivindicaciones de la invención divulgada en el presente documento. El recuadro también muestra que el diámetro de la tubería de conexión (CP-1A) puede variar antes de que se conecte con la tubería forzada y puede variar en diámetro después del punto en el que (CP-1A) se conecta con la tubería forzada (PS).

Además, en este ejemplo, se muestra una válvula (VPOD) en el punto de descarga que puede abrirse y cerrarse según sea necesario. La válvula de descarga (VPOD) puede accionarse/ajustarse para controlar el flujo de agua que sale de (CP-1A) hacia (WLL) y, si se desea, también para controlar el flujo de agua que entra en (CP-1A) desde el cabezal hidráulico bajo (WLL). Preferiblemente, la válvula (VPOD) está abierta cuando el (EHPG) está funcionando.

En la realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 25A, se muestra un sistema con un sistema venturi en el que hay un puerto de vacío (Va.P.), un tubo de aspiración (DT), una parte divergente (Div.P.), una garganta o restricción (Thr.) y una parte convergente (Con. P.).

La innovación ilustrada ayuda a (dejar caer, mover y/o tirar) agua a través del sistema de turbina/generador (T/G) porque el "efecto venturi" (vacío) reduce la presión del agua por debajo del (T/G) aumentando efectivamente el diferencial de presión a través de la turbina por encima del diferencial de presión disponible (entre los cabezales aguas arriba y aguas abajo con respecto a la presa) utilizando una primera porción del fluido de trabajo total que fluye a través del sistema. Esto crea un diferencial de presión más alto entre el agua por debajo del (T/G) y el agua por encima del (T/G). El agua por debajo de (T/G) ahora está a baja presión y el agua por encima de (T/G) está a alta presión. Este diferencial de presión permite que el agua pase a través del (T/G) para generar electricidad.

El diferencial de presión que permite que el agua se mueva a través del (T/G) se genera por el efecto venturi. El agua a alta presión con velocidad más lenta entra a través de la válvula (V1A) y viaja a través de la tubería de conexión (CP-1) al sistema venturi (VS). La alta presión del agua se reduce a una presión más baja a medida que avanza por la parte frontal (parte convergente) del venturi. La baja velocidad de ese mismo flujo de agua se incrementa a una velocidad mayor. El agua a alta presión y baja velocidad que entra en el sistema venturi ahora tiene baja presión y alta velocidad moviéndose a través de la garganta del sistema venturi. La garganta de un venturi es la tubería estrecha entre su parte frontal convergente, por donde entra el agua (CP-1) y su parte posterior divergente, por donde el agua sale del venturi y entra en la tubería de conexión (CP-2). El agua que pasa a través del sistema venturi inicia el efecto venturi (un vacío) que no solo causa un diferencial de presión entre el agua por debajo del sistema (T/G) y el agua por encima del mismo, sino que también permite que el agua a baja presión pase a través de (T/G) para ser (succionada/aspirada/movida) hacia el venturi a través de un puerto de vacío que conduce a la garganta del sistema venturi. El puerto de vacío de un venturi es una conexión de tubería que recibe el agua a baja presión que pasa a través del (T/G), lo que le permite entrar en la garganta del sistema venturi. Ahora el flujo combinado de agua en (CP-2) se suministra al punto de descarga donde se evacúa de la central eléctrica. El agua de baja presión se eleva a una presión más alta a medida que viaja a través de la parte posterior (parte divergente) del venturi. Del mismo modo, el agua de alta velocidad desciende a un flujo de baja velocidad a medida que viaja a través de la parte posterior (parte divergente) del venturi. El flujo combinado de agua que pasa a través del venturi ahora tiene una presión de agua aproximadamente igual a la presión del agua que entra en el mismo. Asimismo, la velocidad del flujo combinado de agua que sale del venturi ahora tiene la misma velocidad aproximada que el agua que entra (en el venturi). La presión del agua en el sistema de tubería de conexión es ahora capaz de mover (elevarlo si es necesario) el flujo combinado de agua fuera del punto de descarga por donde sale de la central eléctrica.

Este modelo tiene el tubo de aspiración de la tubería forzada (DT) conectado directamente al puerto de vacío (VaP) del sistema venturi. El tubo de aspiración es la conexión de tubería que recibe el agua que se descarga del sistema de turbina/generador (T/G). Es posible conectar el (T/G) directamente al (puerto de vacío) del sistema venturi que se extiende desde la garganta del venturi. En este caso, el puerto de vacío también es el tubo de aspiración.

El orden de apertura de la válvula (V1A) que proporciona el flujo desde el cabezal hidráulico alto (WL) hacia la tubería de conexión (CP-1) y la válvula (VT) que proporciona el flujo de agua que pasa a través del sistema de turbina/generador (T/G) puede variar. Pueden abrirse simultáneamente, o la válvula (V1A) puede abrirse primero o la válvula (VT) puede abrirse primero. El mejor orden para abrir estas válvulas será calculado y comprobado por el experto en la materia correspondiente. Probablemente es mejor abrir la válvula (V1A) para iniciar el efecto de vacío y luego abrir la válvula (VT). Sin embargo, pueden abrirse según se desee y/o sea necesario. Preferiblemente, la tubería forzada y el tubo de aspiración se llenan con agua al igual que el sistema de tuberías de conexión. Sin embargo, para aplicaciones concretas, la configuración de la central eléctrica debe ser calculada y comprobada por el experto en la materia correspondiente.

El agua a alta presión que entra en el venturi desde la tubería de conexión (CP-1) ve su presión reducida a medida que avanza a través de la parte frontal del venturi y hacia la garganta del sistema venturi y su baja velocidad incrementada a una velocidad más alta a medida que se desplaza a través de la parte frontal del venturi y hacia la garganta del venturi. A continuación, a medida que el agua sale de la garganta del sistema venturi, comienza a volver a un flujo de agua a alta presión con baja velocidad. El "efecto venturi" (vacío) reduce la presión del agua detrás del (T/G) situado en el tubo de aspiración, lo que establece un diferencial de presión. Por consiguiente, el agua que se encuentra por debajo del (T/G) ahora está a una presión más baja que el agua que se encuentra por encima del (T/G). Este diferencial de presión permite que el agua a alta presión por encima del (T/G) se mueva a través del mismo para generar electricidad. El agua que pasa a través del (T/G) también pierde presión al funcionar el sistema (T/G). El "efecto venturi" (vacío) aspira/extrae agua a baja presión desde el tubo de aspiración hacia el venturi a través de su puerto de vacío. De nuevo, el flujo combinado de agua que entra en el sistema venturi desde el puerto de vacío del sistema venturi y desde la tubería de conexión (CP-1) aumenta la presión del agua y disminuye su velocidad a medida que continúa moviéndose a través del sistema venturi. Al entrar en la tubería de conexión (CP-2), la presión del flujo de agua que sale del venturi debe ser aproximadamente igual a la alta presión del agua que entra por la tubería de conexión (CP-1). Asimismo, la velocidad del agua que sale del sistema venturi debe elevarse a aproximadamente la misma velocidad baja del agua que entra desde la tubería de conexión (CP-1). Esta agua a alta presión ahora puede mover el agua hasta el punto de descarga donde es evacuada de la central eléctrica.

Las bombas de chorro -o sistemas eyectores- funcionan en modos operativos similares a los sistemas venturi. Las bombas de chorro utilizan un efecto de boquilla para reducir la presión detrás del (T/G) con el fin de generar un diferencial de presión. El diferencial de presión permite que el agua a alta presión situada en la parte frontal del sistema (T/G) pase a través del mismo y genere electricidad. El efecto de boquilla de la bomba de chorro (sistema eyector) también extrae el agua a baja presión que pasa a través del sistema (T/G) hacia la bomba de chorro. El uso de una bomba de chorro tiene un efecto similar al de un sistema venturi. El agua que entra en la bomba de chorro desde la tubería de conexión (CP-1) ve reducida su presión e incrementada su velocidad. El "efecto boquilla" sustituye al efecto venturi. El agua que pasa a través del (T/G) se introduce en la bomba de chorro a través de una abertura debido al "efecto boquilla". El flujo combinado de agua que entra en la bomba de chorro ve incrementada su presión y disminuida su velocidad. Su presión se vuelve igual o casi igual a la alta presión del agua que entra en la bomba de chorro desde la tubería de conexión (CP-1). Asimismo, la velocidad del agua que sale del venturi y entra en (CP-2) disminuye hasta un punto igual o casi igual a la velocidad del agua que entra en la bomba de chorro desde (CP-1).

LaFigura 25Bmuestra diferentes posiciones/ubicaciones de sistemas venturi, bombas de chorro, sistemas eyectores y cualquier otro sistema apropiado (P Sys) capaz de evacuar agua después de pasar a través del (T/G), especialmente bombas eyectoras y bombas de doble ariete.

Pasando a laFigura 26, se representa una realización a modo de ejemplo similar en funcionamiento a la mostrada en relación con laFigura 21, que utiliza una cámara de evacuación para mejorar el diferencial de presión generado por un sistema venturi. Esta realización no utiliza una presa ni una cámara de evacuación como fuente de presión diferencial. El diferencial de presión requerido para hacer funcionar la central eléctrica es suministrado principalmente por el sistema venturi (VS) o cualquier otro sistema apropiado, tal como, entre otros, un sistema de bomba de chorro/eyector, sistema eductor, sistema de ariete, sistema de doble ariete, sistema de bomba centrífuga o cualquier combinación de los sistemas mencionados o sustitutos comparables conocidos en el momento actual o desarrollados con posterioridad. El diferencial de presión también se regula mediante el flujo de agua a través de las tuberías de conexión (CP-1) y (CP-2). Además, el agua que pasa por el sistema de turbina/generador (T/G) también ve reducida su presión.

Esta variante demuestra que el sistema venturi (VS) o cualquier otro sistema apropiado (y cualquier componente comparable (P Sys) como se ha mencionado anteriormente) se utiliza para reducir la presión del agua en la tubería de conexión (CP-1). Por consiguiente, la combinación del efecto venturi (o, por ejemplo, el efecto boquilla si se utiliza un sistema de bomba/eyector de chorro) y la fuerza del agua que viaja a través de (CP-1) ayuda a generar un diferencial de presión que permite al (T/G) funcionar (generar energía).

El agua que pasa a través del sistema de turbina/generador (T/G) ve su presión reducida después de poner en funcionamiento el (T/G). Esto permite que el agua a baja presión entre en el venturi (o cualquier otro sistema apropiado tal como, entre otros, un (sistema de bomba de chorro/eyector). El agua a alta presión en (CP-1) entra en (VS) o en cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente. Tiene una velocidad relativamente baja. Sin embargo, después de entrar en (VS)/(JP)/(PS) su presión se reduce y su velocidad aumenta. Esto permite que el venturi (VS) o cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente, extraiga el agua a baja presión (fluido arrastrado) que pasa a través de (T/G) hacia el venturi (VS) o cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente. En este caso, el agua que pasa por (T/G) y el agua de (CP-1) se mezclan. La velocidad del flujo combinado de agua se reduce y su presión aumenta a medida que viaja a través de (VS) o cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente. Después de salir de (VS) o de cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente, la velocidad del flujo combinado se vuelve igual o casi igual a la velocidad del flujo de agua del (CP-1) que entra en (VS) o cualquier otro sistema apropiado, como se ha indicado anteriormente. Asimismo, después de salir del venturi (VS) o de cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente, la presión del flujo combinado se vuelve igual o casi igual a la presión del flujo de agua de (CP-1) que entra en (VS) o en cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente.

El flujo combinado de agua viaja a través de la tubería de conexión (CP-2) y sale del sistema a través de la válvula (V-POD). La válvula (V-POD) puede abrirse y cerrarse según sea necesario.

Puede ser necesario cebar el (VS) o cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente para que funcione en determinadas aplicaciones. Para cebar el (VS) o cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente, se cierra la válvula (V-POD) y se abren las válvulas (VP), (V1-A) y (VT). El sistema de bomba principal (PP) bombea agua desde la tubería de conexión (CP-2). Cuando (VS) comienza a funcionar, la válvula (V-POD) se abre y el sistema de bomba (PP) se apaga. La válvula (VP) está cerrada. Las válvulas (V-POD) y (VP) pueden abrirse y cerrarse según sea necesario. El sistema de bomba (PP) puede utilizarse según se desee.

(X) representa la profundidad del agua. Esta profundidad puede variar. (B) y (C) representan la longitud de la tubería forzada hasta el sistema de turbina/generador (T/G). (D) representa la ventaja teórica de utilizar el (VS) o cualquier otro sistema apropiado como se ha indicado anteriormente. Esta ventaja permite aumentar la generación de energía por encima de lo que cabe esperar de los sistemas tradicionales de generación de energía hidroeléctrica. El aumento en la generación de energía depende de muchos elementos tales como, entre otros, los siguientes: el tamaño y las especificaciones de las tuberías de conexión, el tamaño y las especificaciones del sistema (T/G), el tamaño y las especificaciones de la tubería forzada (PS), el tipo y las especificaciones del sistema utilizado para evacuar el agua que pasa por el (T/G) de la central eléctrica, las especificaciones del sistema de bombeo (PP), el flujo de agua a través del sistema y la cantidad deseada de generación de energía dada la cantidad de agua disponible.

Este concepto puede utilizarse para cualquier cantidad deseada de generación de energía con el suministro adecuado de agua (cabezal hidráulico bajo, cabezal hidráulico moderado y cabezal hidráulico alto). Como en otras variantes, esta realización puede funcionar en lugares tales como, entre otros, los siguientes: estanques, arroyos, corrientes, ríos, lagos y océanos.

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 27ilustra una variante de laFigura 26. En este caso, se añade una cámara de evacuación (EC) para ayudar a establecer un diferencial de presión con el fin de mover el agua a través del sistema. El agua se envía a (EC) después de pasar por el venturi o cualquier otro sistema de bomba de vacío apropiado, como se ha mencionado anteriormente. A continuación, el sistema de bombeo (PSEC) evacúa el agua de la central eléctrica. Una válvula de control de salida de aire (AVEC) determina si (EC) está abierta o cerrada a la atmósfera. La cámara de evacuación (EC) puede estar abierta o cerrada a la atmósfera según se desee para una aplicación determinada.

Según se desee/sea necesario para una aplicación determinada, la cámara de evacuación (EC) puede extenderse/recorrer cualquier distancia deseada para drenar su contenido de agua en un cabezal hidráulico más bajo. Este método sustituiría la necesidad de bombear el agua desde la cámara de evacuación (EC). Puede colocarse una turbina auxiliar (AT) opcional en el (POD) para generar electricidad adicional si se desea.

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 28ilustra el concepto que conlleva sistemas tales como, entre otros (sistemas venturi, sistemas de bomba de chorro, sistemas eyectores, sistemas de doble ariete, (P Sys), etc.) que pueden aplicarse a cualquiera de los siguientes: presas de cabezal bajo, presas de cabezal moderado y presas de cabezal alto para aumentar la generación de energía y/o la eficiencia por encima de las de las centrales hidroeléctricas tradicionales.

Esta realización demuestra que puede añadirse a los sistemas de generación de energía hidroeléctrica existentes o reemplazarlos si se desea. También puede ser una construcción nueva. La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 29también muestra otra variante de cómo estos tipos de sistemas de generación de energía hidroeléctrica pueden utilizarse para modificar/actualizar centrales hidroeléctricas existentes para que generen más energía y/o sean más eficientes. La realización de laFigura 29muestra uno de los diversos métodos en los que este concepto puede añadirse a una central hidroeléctrica existente para mejorar su generación de energía y/o su eficiencia.

(OIV) es la válvula de admisión antigua para la tubería forzada de centrales eléctricas antiguas. (OPS) es la antigua tubería forzada de la antigua central eléctrica. Esta variante muestra que se está reutilizando la presa de una antigua central. También muestra que pueden aprovecharse partes de la tubería forzada y el punto de descarga de una antigua central. Las posibles variaciones para modificar una central hidroeléctrica antigua con el nuevo concepto son demasiado numerosas para describirlas exhaustivamente en el presente documento, pero estas realizaciones ilustran casos de actualización ejemplificativos y su aplicación en otros casos comparables resultará fácilmente evidente para el experto en la materia cuando se combinen con la divulgación proporcionada en el presente documento.

LaFigura 30y laFigura 31son vistas en alzado y en perspectiva, respectivamente, de un modelo prototipo200creado para demostrar los principios de la invención expuestos anteriormente. Según su configuración, esta realización emplea un sistema de bomba de vacío de tipo sistema venturi202que tiene una entrada o cono convergente204, una salida o cono divergente206y una entrada de baja presión o vacío208en una restricción. El cabezal hidráulico alto entra en el sistema a través de una entrada en la primera tubería de conexión210y entra en el cono de entrada204. En la restricción, la entrada de baja presión208recibe fluido de la tubería forzada212después de pasar a través de una turbina, un generador de turbina u otro componente generador de energía214. El cono de salida206recibe la mezcla de estos dos flujos y la transfiere a la segunda tubería de conexión216hasta el punto de descarga218.

En general, el funcionamiento del sistema permite el uso del flujo de la primera porción del fluido de trabajo para crear una presión más baja en el lado aguas abajo de la turbina a través del cual se dirige la segunda porción del fluido de trabajo, aumentando así el cabezal efectivo experimentada por la turbina con respecto a la diferencia de cabezal "normal" entre el lado aguas arriba y aguas abajo de una presa. Esta novedosa invención y el funcionamiento resultante permiten el uso de turbinas más pequeñas y de mayor eficiencia en instalaciones de presas hidroeléctricas de cabezal bajo, tanto en emplazamientos existentes como posibilitando la viabilidad de nuevos emplazamientos de una manera ecológica y económicamente viable. Pueden emplearse diversas geometrías y relaciones de flujo con el fin de optimizar el rendimiento para una aplicación determinada, como podrá apreciar el experto en la materia.

LaFigura 32muestra un sistema de conexión tal como, entre otros, una tubería, un canal, una zanja o una combinación de cualquier elemento natural y/o artificial para transportar agua desde un cabezal alto (HH) hasta un cabezal bajo (LH) para generar energía. El agua entra en la central eléctrica desde el cabezal hidráulico alto (HH) abriendo la válvula (IV1). El sistema de tubería de conexión (CP/PS) dirige el agua a un cabezal inferior. El agua se precipita por una tubería forzada para accionar un sistema de turbina/generador (TGS) y genera más energía que la que el cabezal hidráulico ubicado en la válvula (IV1) es capaz de generar. Esto se debe a que la tubería de conexión (CP/PS) transporta el agua a una elevación que tiene una elevación menor, lo que permite que la tubería forzada tenga una longitud mayor, por lo que puede generarse más energía de la que puede generarse al estar en el cabezal hidráulico alto (HH). El sistema de conexión (CP/PS) puede diseñarse para transportar volúmenes de agua pequeños, moderados y grandes a distancias cortas, moderadas y largas.

Una tubería de conexión (CP) se extiende desde aguas arriba hacia aguas abajo aprovechando la pendiente descendente para generar un (diferencial de elevación/diferencial de presión) entre el cabezal hidráulico alto (HH) aguas arriba y el cabezal hidráulico bajo (LH) aguas abajo. Por lo tanto, si la elevación desciende 4,6 m (15 pies) sobre 91 m (cien yardas), el sistema tiene aproximadamente una altura de agua de 3 a 4,6 m (10 a 15 pies) para descender por una tubería forzada y hacer funcionar un sistema de turbinas con el fin de generar energía. Si la disminución en la elevación es de 15,2 m (50 pies) sobre una pendiente descendente que se extiende a lo largo de 6,4 km (cuatro millas), el sistema puede tener un cabezal hidráulico de aproximadamente 0,2 a 15,2 m (40 a 50 pies) para descender por una tubería forzada con el fin de generar electricidad/realizar trabajos. La tubería de conexión necesita una estructura de soporte para mantener la elevación original del cabezal hidráulico hasta la tubería forzada. La altura exacta de la estructura de soporte de la tubería de conexión debe ser calculada y comprobada por un experto en la materia correspondiente teniendo en cuenta la topografía de aplicación específica y las características geológicas, lo cual queda fuera del alcance de la presente divulgación. De nuevo, si la entrada de la tubería de conexión en el cabezal hidráulico aguas arriba está a 24,4 m (80 pies) sobre el nivel del mar y la ubicación de la tubería forzada (que está a ocho kilómetros aguas abajo) está a 9,1 m (30 pies) sobre el nivel del mar, entonces hay un diferencial de aproximadamente 10,7 a 15,2 m (35 a 50 pies) (elevación/presión) que puede utilizarse para generar electricidad. El experto en la materia correspondiente debe calcular el diferencial exacto de elevación/presión entre el cabezal alto (HH) aguas arriba y el cabezal bajo (LH) aguas abajo, dependiendo de las variables aplicables para una instalación determinada. Debe tenerse en cuenta la posición de la válvula de admisión para recibir agua aguas arriba y la distancia necesaria entre la turbina y el cabezal hidráulico bajo aguas abajo.

Por consiguiente, si la válvula de admisión (IV-1) se encuentra a 24,4 m (80 pies) sobre el nivel del mar (cuando está dispuesta para recibir agua del cabezal alto (HH) aguas arriba y el cabezal bajo (LH) se encuentra a 9,1 m (30 pies) sobre el nivel del mar, es necesario adaptar el ascenso y descenso estacional del agua en el cabezal hidráulico bajo (LH) aguas abajo para garantizar que la generación de energía pueda producirse con la frecuencia deseada.

Este ejemplo de realización tiene numerosas ventajas, como por ejemplo el hecho de que no se necesitan presas. Las centrales hidroeléctricas pueden ubicarse en numerosos lugares, incluso en emplazamientos donde la tecnología hidroeléctrica actual ha determinado que no es factible. La estructura de soporte para la tubería de conexión puede diseñarse para que sea respetuosa con el medioambiente. También puede utilizarse para instalaciones recreativas (por ejemplo, paseos, carreras, picnics, campos deportivos, pesca, observación de aves, etc.).

Durante el funcionamiento, el cabezal hidráulico alto (HH) entra en la válvula de admisión (IV-1). Viaja por el interior de la tubería de conexión (CP) hasta la tubería forzada (PS), que se encuentra aguas abajo. El agua desciende por (PS) y acciona el sistema de turbina (TGS), que está implícitamente conectado a un generador para generar electricidad. (PS) puede ventilarse a la atmósfera mediante una abertura de salida de aire (AV/WT). La válvula (V) controla si (AV/WT) está abierta o cerrada. El agua que pasa a través del sistema de turbina (TGS) se vacía en el cabezal hidráulico bajo (LH). Si se desea, puede disponerse un sistema de turbina auxiliar (AT) debajo de (PS) para capturar el agua que cae de (PS) y/o capturar la fuerza del agua que se mueve aguas abajo.

LaFigura 33es como laFigura 32con la siguiente excepción. Una combinación del uso de una presa y un sistema de conexión mencionado en la descripción de laFigura 32permite que el agua del cabezal hidráulico alto (WL) se suministre a una tubería forzada (PS) y al sistema generador de turbina (T/G). Este sistema permite que la tubería forzada (PS) tenga una mayor longitud que si estuviera dispuesta en el cabezal hidráulico agua aguas arriba mediante una válvula (V1).

Con referencia a la realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 34, esta ilustra que el concepto puede utilizar un sistema de suministro o "estructura elevada" (ESCP) en lugar de una presa y/o crear el efecto de una presa para generar un diferencial de presión entre el cabezal hidráulico alto (HH) y el cabezal hidráulico bajo (LH) en el punto de descarga (POD) con el fin de realizar trabajos como, entre otros, generar energía, accionar un molino o realizar trabajos de minería utilizando la alta presión para remover la tierra.

Esta innovación permite realizar trabajos sin la construcción de una presa. Esto permite que trabajos como la generación de energía se lleven a cabo en muchos emplazamientos adicionales donde el cabezal hidráulico es demasiado bajo, la elevación en la fuente es demasiado baja o la construcción de una presa tendría un impacto adverso en el uso de la tierra. Por consiguiente, el sistema de suministro puede enviar agua desde lugares cercanos, intermedios o lejanos para realizar trabajos tales como generar energía.

El sistema de suministro o estructura elevada (ESCP) permite que el agua sea transportada desde un cabezal alto hasta un cabezal bajo para realizar trabajos como generar energía. La ventaja en este caso es que la estructura elevada (ESCP) mantiene un diferencial de presión entre el cabezal alto (HH) y la turbina/generador (T/G), creando un diferencial de presión para realizar trabajos. El sistema de suministro mantiene un cabezal alto desde su fuente de cabezal alto hasta la tubería forzada (PS). El agua desciende por la tubería forzada para activar un sistema de turbina/generador con el fin de generar energía. Este cabezal hidráulico alto puede proceder de una fuente natural o artificial. Las fuentes naturales pueden incluir, entre otras, ríos, lagos, manantiales y aguas de escorrentía. Las fuentes de agua artificiales pueden ser, entre otras, depósitos, presas, tanques, sistemas de desbordamiento, sistemas de control de inundaciones, sistemas de cuencas de captación y sistemas de drenaje. Cabe señalar que puede utilizarse un sistema de cuenca de captación para captura, escorrentía, drenaje, precipitación y agua procedente de una caída de agua para abastecer la tubería de conexión (CP) del sistema de suministro o su tubería forzada (PS).

Los tipos de sistemas de suministro que pueden utilizarse son demasiado numerosos para enumerarlos, pero pueden incluir, entre otros: sistemas de tuberías, sistemas de tubos, sistemas de canales, acueductos, canalizaciones, sistemas de drenaje, sistemas de escorrentía, aliviaderos, sistemas de desbordamiento y cualquier combinación de estos sistemas. Estos sistemas pueden estar hechos de materiales naturales, materiales artificiales/sintéticos y cualquier combinación de materiales naturales y artificiales/sintéticos. Los materiales naturales que pueden utilizarse incluyen, entre otros, piedra, tierra, arcilla, madera y/o cualquier combinación de tales elementos. Los materiales artificiales que pueden utilizarse son demasiado numerosos para describirlos, pero pueden incluir, entre otros, metal, cemento/hormigón, baldosas y materiales sintéticos (plásticos/caucho/vinilo). También pueden utilizarse bombas para elevar agua hacia la tubería de conexión. Siempre que el coste de la bomba sea inferior a la generación de energía, esta puede ser una alternativa viable. Véase laFigura 35C, en donde se demuestra que un sistema de bomba (PPS) puede llevar agua al sistema de suministro.

Haciendo referencia específica a laFigura 34A, este ejemplo ilustra que el trabajo que se realiza es generar energía o realizar un trabajo. El sistema de suministro (ESCP) mantiene un diferencial de presión entre el cabezal alto (HH) y la turbina/generador (T/G) mediante el uso de una estructura de soporte (ESCP) para levantar la tubería de conexión (CP) por encima del suelo.

La válvula de admisión (IV) controla el flujo de agua que entra en la tubería de conexión (CP). La válvula de admisión IV se abre permitiendo que el agua del cabezal hidráulico alto (HH), ya sea natural o artificial, viaje a través de la tubería de conexión (CP). El agua que viaja a través de (CP) eventualmente se precipita por la tubería forzada (PS) para activar/poner en funcionamiento el sistema de turbina/generador (TG). A continuación, el agua se evacúa de la central eléctrica en el punto de descarga, POD. El agua que sale del sistema se vacía en el cabezal hidráulico bajo (LH).

LasFiguras 34By34Cmuestran que el sistema de suministro puede tener tuberías de conexión abiertas (CP) (similares a los diseños de canaletas/canalizaciones de aleros) y pueden tener tuberías de conexión cerradas. Si es necesario, la tubería de conexión puede estar parcialmente abierta y parcialmente cerrada. "Q" representa el flujo de agua (líquido) a través de laFigura 34By laFigura 34C.

Cabe señalar que es muy posible que algunas secciones de la tubería de conexión (CP) deban viajar a través de la tierra, como los túneles en autopistas de peaje o autovías. Por lo tanto, laFigura 34Ailustra una porción de la tubería de conexión (CP) que está, de manera opcional, instalada bajo tierra.

Cabe observar también, con referencia a lasFiguras 34Cy34B, que es evidente que la pendiente/el ángulo de la tubería de conexión puede variar según se desee/sea necesario. LaFigura 34Ctambién demuestra que (CP) también puede servir como tubería forzada (PS).

Con referencia a laFigura 35A, esta es una variante del sistema de suministro descrito previamente en relación con laFigura 34. La diferencia es que esta realización a modo de ejemplo mantiene el diferencial de presión entre el cabezal hidráulico alto (HH) y el cabezal hidráulico bajo (LH) elevando el suelo a lo largo del trayecto. Por lo tanto, en lugar de construir un sistema de soporte que levante y/o soporte la tubería de conexión sobre el suelo, eleva el suelo con elementos naturales, artificiales o una combinación de tales elementos y hace que la tubería de conexión descanse sobre el mismo. Por lo tanto, el sistema de suministro o estructura elevada (ESCP) utiliza componentes/materiales naturales y/o artificiales, materiales que permiten que la tubería de conexión (CP) descanse mientras se mantiene un diferencial de presión (diferencia de altura) entre el cabezal hidráulico alto (HH) y el cabezal hidráulico bajo (LH).

En laFigura 35Ase proporciona una escala de elevación con fines ilustrativos. Este ejemplo muestra que el cabezal hidráulico alto (HH) está a 16,8 m (55 pies) sobre el nivel del mar y el punto de descarga (POD), estando los sistemas de generador de turbina (TG) en algún punto intermedio. Obviamente, las posibilidades de diferenciales de presión (diferencia de elevación entre el cabezal alto (HH) y el cabezal bajo (LH)) son demasiadas para enumerarlas. LaFigura 35Afunciona de la misma manera que la realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 34A.

Con referencia a laFigura 35B, esta variante muestra que la tubería de conexión (CP) puede estar en cualquier pendiente/ángulo deseado, según se desee o sea necesario. No es necesario que esté horizontal al suelo. Con referencia a laFigura 35C, esta variante ilustra que puede utilizarse un sistema de bomba para enviar agua a la tubería de conexión (CP). Hay muchas aplicaciones prácticas y son demasiado numerosas para enumerarlas. Incluyen, entre otras, ubicaciones donde es más fácil elevar agua hacia el (CP) en lugar de alterar el terreno, utilizar una cuenca de captación para recoger las precipitaciones, utilizar una cuenca de captación para recoger el agua de escorrentía, el agua de una caída de agua, el uso como sistema de almacenamiento por bombeo y cualquiera de los conceptos antes mencionados. Además, laFigura 35Cmuestra que la tubería de conexión (CP) también puede actuar como tubería forzada (PS).

La realización a modo de ejemplo mostrada en relación con laFigura 36representa la adición de un sistema de turbina/generador (TG1) fuera del punto de descarga (POD) en laFigura 36B. Dado que el agua que sale del sistema de bomba de vacío tiene la misma alta presión que el agua que entra, su energía puede utilizarse para realizar trabajos tales como generar electricidad. Aunque (TG1) puede colocarse dentro de (CPD), en este ejemplo se coloca fuera para que no ejerza un efecto perjudicial sobre la presión del agua que fluye a través del sistema. Por consiguiente, colocar (TG1) fuera de la planta de energía permite que (T/G) genere energía a plena capacidad y (TG1) capture el diferencial de presión entre el cabezal hidráulico alto (HH) y el punto de descarga (POD) para maximizar la generación de energía del sistema. El uso de (T/G) y (TG1) aumenta la eficacia de las centrales eléctricas. Dependiendo de los diferenciales de presión, puede haber un aumento significativo en la generación de energía. El experto en la materia correspondiente deberá calcular y comprobar si (TG1) está colocado dentro o fuera de (CPD) en una aplicación determinada de los principios de la invención que se exponen en el presente documento. De nuevo, puede colocarse en cualquier lugar si se desea.

En laFigura 36Cse muestra que las centrales eléctricas de nueva construcción pueden aumentar su generación de energía utilizando el mismo principio de uso de un sistema venturi o bomba de chorro para accionar un sistema de turbina generadora (TG), así como utilizando también otro sistema generador de turbina (TG1) tal como se describe en laFigura 36B. El experto en la materia correspondiente deberá calcular y comprobar si (TG1) está colocado dentro o fuera de (CPD) en una aplicación determinada de los principios de la invención que se exponen en el presente documento. De nuevo, puede colocarse en cualquier lugar si se desea.

Además, las centrales eléctricas existentes pueden modificarse utilizando el mismo principio descrito anteriormente para aumentar su generación de energía. El experto en la materia correspondiente deberá calcular y comprobar si (TG1) está colocado dentro o fuera de (CPD) en una aplicación determinada de los principios de la invención que se exponen en el presente documento. De nuevo, puede colocarse en cualquier lugar si se desea.

Cualquier realización de la presente invención puede incluir cualquiera de las características opcionales o preferidas de las otras realizaciones de la presente invención. Las realizaciones descritas a modo de ejemplo en el presente documento no pretenden ser exhaustivas ni limitar innecesariamente el alcance de la invención. Los ejemplos de realizaciones han sido seleccionados y expuestos para explicar los principios de la presente invención de modo que otros expertos en la materia puedan poner en práctica la misma. Habiendo mostrado y descrito realizaciones a modo de ejemplo de la presente invención, el experto en la materia entenderá que pueden realizarse muchas variaciones y modificaciones en la invención descrita. Por lo tanto, se pretende que la invención quede limitada únicamente por el alcance de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de generación de energía que funciona con un fluido de trabajo y que comprende:

una entrada (CP-1A) que recibe una primera porción del fluido de trabajo;

un componente de generación de energía que comprende un generador de energía (T/G) que recibe una segunda porción del fluido de trabajo;

un sistema de bomba de vacío (VS) conectado de manera fluida a la entrada y al componente de generación de energía para recibir un fluido de trabajo combinado, en donde el fluido de trabajo combinado comprende una combinación de la primera porción del fluido de trabajo y la segunda porción del fluido de trabajo; y

una tubería de conexión conectada de manera fluida para recibir el fluido de trabajo combinado desde el sistema de bomba de vacío y transportar el fluido de trabajo combinado a un punto de descarga (POD) a un cabezal bajo, en donde el sistema de bomba de vacío (VS) es un sistema venturi que comprende:

un cono de entrada convergente (Con. P.);

una restricción conectada de manera fluida al cono de entrada convergente;

y

un cono de salida divergente (Div. P.) conectado de manera fluida a la restricción, en donde se recibe el fluido de trabajo combinado, y

en donde la tubería de conexión está conectada de manera fluida para recibir el fluido de trabajo combinado procedente el cono de salida divergente y transportar el fluido de trabajo combinado al punto de descarga al cabezal bajo, caracterizado por que:

la entrada recibe la primera porción del fluido de trabajo desde un cabezal alto;

el componente de generación de energía recibe la segunda porción del fluido de trabajo desde un cabezal intermedio; el cono de entrada convergente está conectado de manera fluida a la entrada y

una entrada de baja presión está conectada de manera fluida al componente de generación de energía y a la restricción.

2. El sistema de generación de energía según la reivindicación 1, en donde el cabezal intermedio es menor o igual que el cabezal alto.

3. El sistema de generación de energía según la reivindicación 2, en donde el cabezal intermedio es mayor o igual que el cabezal bajo.

4. El sistema de generación de energía según la reivindicación 1, en donde el cabezal intermedio es igual que el cabezal alto y el cabezal alto es mayor que el cabezal bajo.

5. El sistema de generación de energía según la reivindicación 1, en donde la relación de la primera porción del fluido de trabajo con respecto a la segunda porción del fluido de trabajo es mayor que 1.

6. El sistema de generación de energía según la reivindicación 1, en donde la combinación de la primera porción y la segunda porción del fluido de trabajo aumenta el cabezal efectivo experimentado a través del componente de generación de energía.