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LEX VITAE; LEX UNIVERSALIS

Antecedentes de la invención:

a) De los estudios realizados sobre Turbinas Eólicas o Aerogeneradores

Figura Nº 1 Turbina Eólica o Aerogenerador: Palas o aspas. Rotor. Eje del rotor (eje de baja velocidad) Caja multiplicadora de velocidades. Serie de engranajes dentro de la caja multiplicadora de velocidades. Freno. Eje del generador de electricidad (eje de alta velocidad) Generador (alternador o dínamo) de electricidad. Cables que transportan la energía producida a las líneas de distribución de electricidad.

El funcionamiento de un aerogenerador funciona básicamente convirtiendo la fuerza del viento que hacen girar las palas de rotor en electricidad, a través de una caja multiplicadora de velocidades (Figura 1; ítems 4 y 5) el eje de baja velocidad del rotor transfiere la fuerza multiplicada al eje de alta velocidad del generador de electricidad.

Las turbinas eólicas se diseñan para convertir la energía del movimiento del viento (energía cinética) en energía mecánica, a través del movimiento de un eje. Luego en los generadores de la turbina, esta energía mecánica se convierte en electricidad. La electricidad generada se puede almacenar en baterías, o utilizar directamente, enviando la energía a las líneas de distribución.

Existe una eficacia teórica máxima de los generadores eólicos del 59%. En la práctica, la mayoría de las turbinas eólicas son mucho menos eficientes que esto, y se diseñan diversos tipos para obtener la máxima eficacia posible a diversas velocidades del viento. Los mejores aerogeneradores tienen eficacias del 35% al 49%.

La caja multiplicadora de velocidades es uno de los componentes principales más importantes en una turbina eólica (Véase Figura 1, ítems 4 y 5), colocada entre el eje principal y el generador, su tarea es aumentar la velocidad rotatoria lenta del eje de rotor a la velocidad de rotación del generador de 1000, 1500 o 1800 rpm (revoluciones por minuto). Erróneamente se puede pensar que la caja multiplicadora de velocidades podría utilizarse para cambiar velocidades como si fuera una caja de velocidades normal de un coche. Sin embargo, éste no es el caso de una caja de velocidades de una turbina eólica. En este caso la caja de engranajes tiene siempre una constante y un cociente de aumento de la velocidad, tanto que si una turbina eólica tiene diversas velocidades operacionales, es porque tiene dos tipos de generadores, cada uno con su propia y diferenciada velocidad de la rotación (o un generador con dos estatores).

Analizamos algunos datos proporcionados por General Electric (GE) en su Sitio Web, haciendo referencia a dos tipos de turbinas eólicas y sus correspondientes producciones de energía eléctrica.

Sitio Web: http://www.gepower.com/prod_serv/products/wind_turbines/en/index.htm

1) La Turbina Eólica 1,5 MW de GE (1.5 MW Wind Turbine) opera según las siguientes especificaciones técnicas:

Capacidad Nominal: 1,5 MW (1500 kWh; kilovatios por hora)
Velocidad Nominal del Viento: 12 m/s (43,2 km/h)
Producción Máxima de Electricidad: 5.800.000 kWh/año.

Detalles del Rotor
Número de aspas: 3
Diámetro del Rotor: 70,5 - 77 m
Velocidad del Rotor (variable): 10,1 – 22,2 rpm (revoluciones por minuto)

Sitio Web: http://www.gepower.com/prod_serv/products/wind_turbines/en/15mw/index.htm

Teniendo en cuenta que la velocidad del rotor (incluso la máxima) no es suficiente para hacer girar el eje del generador, a través de una caja multiplicadora de velocidades que consta de una serie de engranajes (Figura 1, ítems: 4 y 5) se logra multiplicar las 22 rpm del eje de baja velocidad del rotor a 1500 rpm y luego se transfiere esa fuerza multiplicada al eje de alta velocidad del generador de electricidad.

Deduciblemente, se puede inferir que:

1500 rpm equivale al 100% de la producción de electricidad.
22 rpm representa el 1,47% de la producción de electricidad.

5.800.000 kWh/año es el total anual de la producción de electricidad de esta turbina eólica. Dividiendo ese valor por 365 días, luego por 24 horas, esta turbina de 1,5 MW es capaz de generar, teóricamente, unos 662,10 kWh (kilovatios por hora).

Con los valores calculados arriba podemos inferir que 22 rpm que corresponde al 1,47% de la producción total de energía producida representa 9,73 kWh (kilovatios por hora).

Teniendo en cuenta que la capacidad nominal de esta turbina es de 1500 kW podemos calcular que en 24 horas su producción será de 36.000 kWh por día y en un año será de 13.140.000 kWh, pero atendiendo que su producción real es de 5.800.000 kWh/año se concluye que este sistema tiene una eficiencia de 44,12%.

A continuación estudiaremos otro tipo de turbina, una de las más potentes que tiene General Electric en la actualidad.

2) La Turbina Eólica 3,6 MW de GE (3.6 MW Wind Turbine) opera según las siguientes especificaciones técnicas:

Capacidad Nominal: 3,6 MW (3600 kW)
Velocidad Nominal del Viento: 14 m/s (50,4 km/h)
Producción Máxima de Electricidad: 15.000.000 kWh/año

Detalles del Rotor
Número de aspas: 3
Diámetro del Rotor: 104 m
Velocidad del Rotor (variable): 8,5 – 15,3 rpm (revoluciones por minuto)

Sitio Web: http://www.gepower.com/prod_serv/products/wind_turbines/en/36mw/index.htm

Análogamente al proceso anterior, se puede inferir que a través del efecto multiplicador de la caja de velocidades que:

1500 rpm equivale al 100% de la producción de electricidad.
15 rpm representa el 1% de la producción de electricidad.

15.000.000 kWh/año es el total anual de la producción de electricidad de esta turbina eólica. Dividiendo ese valor por 365 días, luego por 24 horas, esta turbina de 3,6 MW es capaz de generar, teóricamente, unos 1712,32 kWh.

Con los valores calculados arriba podemos deducir que 15 rpm que corresponde al 1% de la producción total de la energía producida representa 17,12 kWh.

Teniendo en cuenta que la capacidad nominal de esta turbina es de 3600 kW podemos calcular que en 24 horas su producción será de 86.400 kWh por día y en un año será de 31.536.000 kWh, pero atendiendo que su producción real es de 15.000.000 kWh/año se concluye que este sistema tiene una eficiencia de 47,56%.

Los valores para el cálculo de las velocidades resultantes del efecto de la caja multiplicadora de velocidades son teóricos, el número exacto de la relación entre estos valores depende en gran parte de los tipos y de los fabricantes de las turbinas eólicas. Dichos fabricantes generalmente no publican esta relación por considerarla como secreto industrial.

Sean cuales sean estos valores, lo importante aquí lo podemos deducir como expresiones matemáticas.



Donde x es el valor en kWh de la cantidad que representa las rpm del eje de baja velocidad del rotor en la producción total de energía eléctrica.

w es la capacidad máxima en rpm para hacer girar las aspas del rotor de la turbina eólica (15 rpm).
y es la resultante de la multiplicación de la caja de velocidades(1500 rpm).
z es el valor de producción total de electricidad (producción por hora; 1712,32 kWh).
n es el factor de relación entre w e y (1500/15 = 100).

Deduciendo, tenemos que:

El resultado de x es 17,12 kWh.

Para construir una máquina de movimiento perpetuo con los valores de x en kWh (kilovatios por hora) se debe calcular cuanto gastaría un motor eléctrico para hacer girar el eje de baja velocidad del rotor a unas rpm iniciales (el valor de w). En el caso de las turbinas eólicas estudiadas, cuántos kWh serán necesarios para producir 15 o 22 rpm.

Es posible transferir esa energía a un sistema de retroalimentación, en otras palabras, los valores de x (kWh) podrían usarse para producir w directamente en el eje de baja velocidad del rotor, eliminando así el rotor.

Turbina Eólica 1,5 MW:
22 rpm = 8,07 kW por hora = 10,82 HP
Valor real: 662,10 kW por hora = 887,89 HP

Turbina Eólica 3,6 MW:
15 rpm = 17,12 kW por hora = 22,96 HP
Valor real: 1712,32 kW por hora = 2296,25 HP

Potencialmente 9,73 kWh puede mover un rotor a una velocidad de 22 rpm, en el primer caso, y en el segundo caso sería que 17,12 kWh pueda mover un rotor a una velocidad de 15 rpm a través de un motor eléctrico.

Analizando otra situación, se podría eliminar todo el rotor, el sistema multiplicador y a través de un motor eléctrico conectado directamente al eje del generador eléctrico calcular cuanta energía en kWh se necesitaría para producir las rpm necesarias (el valor de y; 1500 rpm) para generar la cantidad de energía que en un principio fue producida por la fuerza del viento que hacían girar las aspas del rotor de la turbina eólica. (Véase Figura Nº 2)

Los siguientes datos extraídos del sitio web de Procobre Perú nos indican los valores de consumo de energía eléctrica de un motor grande de alta eficiencia de 200 HP, 1800 rpm (460 volts) que opera casi continuamente en un ambiente industrial a carga completa:
Eficiencia: 96.2%
Energía de salida (0.7457 kW/HP): 149.1 kW
Energía de entrada: 155.0 kW
Pérdida a una carga del 100%: 5.9 kW

Un motor industrial mucho mas pequeño y, por consiguiente, menos eficiente, de 5 HP, 1800 rpm (460 volts)
Eficiencia: 89.5 %
Energía de salida: 3.73kW
Energía de entrada: 4.17 kW
Pérdida a una carga del 100%: 0.44 kW

Fuente: Sitio Web de Procobre Perú - Centro de Promoción del Cobre
http://www.procobreperu.org/pub_ene_ahorre.htm

Idealmente, un sistema de movimiento perpetuo debería consumir menos energía de la que produce, recurriendo al ejemplo del motor de 200 HP que consume 155 kWh, éste podría ser capaz de generar las 1500 rpm directamente en el eje del generador de electricidad. La Figura Nº 2 ilustra el ejemplo hipotético.

Figura Nº 2 Ilustración hipotética de un sistema de movimiento perpetuo: Motor eléctrico de 200 HP, 155 kWh. Generador de Electricidad (alternador o dínamo). Eje conectado directamente entre el motor eléctrico y del generador. Cable de alimentación para el motor eléctrico conectado a las líneas de distribución. Cables que transportan la energía eléctrica producida por el generador a las líneas distribución

Los valores estimados de producción de electricidad con el generador de una turbina eólica conectado a un motor eléctrico de 200 HP serían los siguientes:

Generador de la Turbina Eólica de 3,6 MW:

Energía real producida por la Turbina de 3,6 MW: 15.000.000 kWh/año (1712,32 kW por hora)

1712,32 kWh – 155,0 kWh = 1.557,32 kWh

Aquí hacemos unos cálculos donde la energía producida por el generador de la turbina eólica menos la energía gastada por el motor eléctrico de 200 HP. Los valores nos indican la cantidad de energía producida conectando el motor eléctrico directamente al eje del generador de electricidad.

Energía Producida  por año: 13.642.123 kWh (Energía Producida por el sistema de movimiento perpetuo hipotético)

Energía Consumida por año: 1.357.800 kWh (Energía Consumida por el sistema de movimiento perpetuo hipotético)

Relación entre energía producida y energía consumida: 9,05%

Como se observa en la Figura Nº 2, esto representaría hipotéticamente un sistema de movimiento perpetuo utilizando el generador de una turbina eólica y un motor eléctrico de 200 HP de alta eficiencia.

El motor eléctrico (Figura Nº 2; ítem 1) se alimentará directamente de la energía producida por el generador de electricidad (Figura Nº 2; ítem 2). La energía utilizada por el motor eléctrico representaría el 9,05% de la energía total producida por el generador de electricidad.

La cantidad anual de energía producida por este sistema hipotético de movimiento perpetuo sería suficiente para suministrar electricidad a 1.300 usuarios residenciales, haciendo un cálculo promedio en cada usuario gasta unos 10.000 kWh/año (promedio de gasto de usuarios residenciales en Estados Unidos según el Censo de 1997).

b) De los estudios relacionados a la tecnología de levitación magnética de Transrapid Internacional

Analizando los datos anteriores y recurriendo a los datos proporcionados por Transrapid Internacional en su Sitio Web encontramos que su sistema de transporte es capaz de trasladar a velocidades superiores a 400km/h, varias toneladas de carga útil consumiendo apenas unos cuantos kWh. Transrapid usa la tecnología de levitación magnética llamada EMS (Suspensión Electromagnética).

Sitio Web de Transrapid Internacional: http://www.transrapid.de

El consumo de energía eléctrica para mover las secciones o vagones de los trenes de levitación magnética (MAGLEVs; por sus siglas en inglés) es muy bajo debido a la tecnología de levitación neutraliza las fuerzas de la gravedad (peso del tren) y de fricción (contacto entre superficies) entre el tren y las vías férreas o riel guía.

Según estos datos el sistema de Transrapid gasta solamente 52 Vatios por hora (Wh) por cada pasajero por kilómetro para trasladarlo a una velocidad de 400 km/h.

La siguiente imagen extraída del sitio web de Transrapid indica los valores comparables a  otros trenes superveloces.

Consumo Específico de Energía Valuado en Vatios por hora (Watts por hora: Wh) por asiento/por km

Los trenes MAGLEVs de Transrapid cuentan con un mínimo de 2 vagones y en promedio de 90 asientos (capacidad para pasajeros).

Estos datos permiten deducir que la energía gastada por el sistema es de:
 

90 (asientos) por 52 Wh  sería 4680 Wh por cada kilómetro.

4680 Wh = 4,7 kWh (kilovatios por hora)

Otro dato relevante proporcionado por Transrapid es que cada sección (vagón) del tren MAGLEVs  puede transportar 15 toneladas de carga útil. Como el sistema de propulsión está colocado en la vía o riel guía, la carga no afecta la aceleración del sistema.

Lo que sigue es un ejemplo de la energía consumida por asiento/pasajero para un recorrido de 300 kilómetros con tres paradas intermedias, dependiendo de una velocidad máxima:

200 km/h gasta 32 Wh/km y equivale a 1,1 litros de gasolina por cada 100 kilómetros.
300 km/h gasta 47 Wh/km y equivale a 1,6 litros de gasolina por cada 100 kilómetros.
400 km/h gasta 66 Wh/km y equivale a 2,2 litros de gasolina por cada 100 kilómetros.

El consumo de energía de Transrapid Internacional es de 3,5 veces menor al consumo de energía de un vehículo (coche) a una misma velocidad y solo representa la cuarta parte del consumo de energía de una aeronave de capacidad y velocidad comparables.

Este sistema puede llegar a velocidades de 1200 km/h, la tecnología desarrollada por Transrapid Internacional es capaz de llegar a estos valores, pero resultan poco prácticos e innecesarios para el transporte de pasajeros.

También hay que tener en cuenta que a velocidades cercanas a la velocidad del sonido (1200 km/h aproximadamente) se pueden crear estampidas sónicas capaces de romper los cristales de ventanas en las cercanías de la ruta de un vehículo que se moviera a esta velocidad.

Usando la tecnología de levitación magnética se han creado estos sistemas dinámicos que utilizan muy poca cantidad de energía para realizar sus funciones, son los sistemas más eficientes en términos de consumo de energía.

Las grandes ventajas que supone la tecnología de levitación magnética servirán como base para la construcción de una máquina de movimiento perpetuo ideal pues el sistema gastaría la cantidad mínima posible de energía para generar grandes cantidades de energía.

En este sistema que desarrollaremos con base en la tecnología de levitación magnética no hay pérdidas de energía por calor porque no hay superficies en contacto, la única energía pérdida sería el calor producido por la excitación de los electroimanes, pero esta energía pérdida sería irrelevante comparado a la energía que producirá el sistema, además lo que veremos a continuación no es un sistema que depende de un proceso termoeléctrico, sino de  procesos mecánicos y electromagnéticos...