ES2242599T3

ES2242599T3 - Generador hidrocratico.

Info

Publication number: ES2242599T3
Application number: ES00905893T
Authority: ES
Inventors: Warren Finley; Edward Pscheidt
Original assignee: Wader LLC
Current assignee: Wader LLC
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: CA2366001C; US20070152452A1; US20050127679A1; MXPA01009085A; US20030164613A1; EP1163444B1; EP1163444A1; US6313545B1; US6559554B2; AU763192B2; WO2000053924A1; US20060226656A1; ATE295478T1; US20060012178A1; JP2002539364A; DE60020093D1; CY1105485T1; JP4597382B2; CA2366001A1; AU2749800A

Abstract

Un sistema para generar energía a partir de las diferencias en el potencial osmótico entre una fuente de agua de salinidad relativamente baja y una fuente de agua de salinidad relativamente alta, comprendiendo el sistema: un primer tubo (20) que tiene un extremo (22) conectado a la fuente de agua de salinidad relativamente baja (25); un segundo tubo (40) que tiene una toma de entrada (42) y una toma de salida (44) ambas dispuestas dentro y en comunicación fluida con la fuente de agua de salinidad relativamente alta; el otro extremo (24) del primer tubo (20) estando colocado dentro del segundo tubo (40) en un punto inferior que la toma de salida (44), permitiendo que el agua del primer tubo (20) se mezcle con el agua del segundo tubo (40), y provocando una corriente surgente de agua dentro del segundo tubo (40); una unidad de turbina (62, 64, 66) dispuesta para convertir la energía cinética del movimiento del agua del segundo tubo (40) en energía mecánica y/o eléctrica.

Description

Generador hidrocrático.

Fundamento de la invención 1.Campo de la invención

La presente invención se refiere a los sistemas de generación de energía hidráulica y, en particular, a un aparato y a un procedimiento para generar energíausando un nuevo procedimiento de la pseudo ósmosis que eficazmente se aprovecha de la energía osmótica potencial entre dos cuerpos de agua que tengan diferentes concentraciones de salinidad.

2.Descripción de la técnica relacionada

Aproximadamente el 20% de la electricidad mundial se genera usando hidroenergía. En los Estados Unidos solamente este recurso supone aproximadamente el 12% del suministro de electricidad de la nación, produciendo más de 90.000 megavatios de electricidad anualmente y satisfaciendo las necesidades de aproximadamente 28,3 millones de consumidores cada año. La hidroenergía es una fuente limpia de energía natural. No sólo es respetuosa con el medioambiente, (e incluso beneficiosa en términos de control de inundaciones, etc.), sino que también es sumamente eficiente en costes. En el Noroeste, por ejemplo, la producción de la electricidad de las centrales de hidroenergía típicamente cuesta aproximadamente 10 dólares por megavatio hora. Esto se compara con unos 60, 45 y 25 dólares por megavatio hora que cuesta el producir electricidad en las centrales nucleares, centrales de carbón y centrales de gas natural, respectivamente.

Sin embargo, las centrales actuales de energía hidroeléctricas están configuradas para recuperar solamente la componente de energía del agua que se libera como resultado de los cambios de elevación. En particular, la energía hidroeléctrica se genera típicamente mediante la caída de 200 a 300 pies de carga hidrostática (61 a 91 m de carga hidrostática) de agua desde una altura superior a una altura más baja a través de una turbina giratoria acoplada a un generador eléctrico. El caudal de agua de escape se descarga en la altura más baja como escorrentía de agua dulce de energía empobrecida. Pero, como se explicará con más detalle más adelante, este cauce de agua dulce no es privado completamente de energía. De hecho, la cantidad de energía recuperable restante en el agua dulce descargada puede ser tanta como el equivalente a 950 pies de carga hidrostática (290 m de carga hidrostática) de agua o más. Para entender la naturaleza y el origen de esta componente de energía recuperable adicional es útil echar un vistazo a cómo se crea el agua dulce.

El agua dulce empieza como vapor de agua que se evapora de los océanos por la energía solar. Este vapor de agua sube a la atmósfera donde se enfría. El enfriamiento provoca que los vapores de agua se condense en las nubes, produciendo finalmente la precipitación. Alguna de esta precipitación ocurre sobre nieve caída acumulada y una red extensa de ríos, arroyos, acuíferos y otras formas de cauces de agua asociados. Finalmente, todos o virtualmente todos estos cauces de agua dulce vuelven de nuevo a los océanos, completando así el ciclo. De hecho, en todo el mundo, cantidades enormes de agua dulce acaban libremente en el océano cada año como parte del ciclo del agua que ocurre de manera natural y/o como parte de varias intervenciones humanas como las instalaciones de hidroenergía, las instalaciones municipales de tratamiento de aguas residuales, y similares.

La fuerza de conducción global que se encuentra tras el ciclo del agua es que la energía solar que radia el sol sobre millones de kilómetros cuadradas de aguas oceánicas expuestas cada día. Esta energía solar es la que provoca la evaporación de los vapores de agua dulce de las aguas oceánicas relativamente altas en salinidad. La cantidad de energía solar radiante absorbida en este proceso es enorme, representando aproximadamente 2.300 kJ/kg (0,64 kW-h/kg) de agua evaporada. Esta energía absorbida provoca un aumento concomitante en la energía latente o en la entalpía del agua evaporada. La amplia mayoría de esta energía latente (aproximadamente el 99%) se disipa como energía de calor en la atmósfera cuando se produce la recondensación de los vapores de agua en las nubes. Sin embargo, una porción parte pequeña pero significativa de esta energía latente (aproximadamente el 0,13%) permanece almacenada dentro de la precipitación del agua dulce resultante. Esta energía almacenada restante no disipada representa la denominada "energía libre o mezclado" (o "calor de mezclado") del agua dulce en el agua de mar. De manera específica, es la energía incremental adicional (más allá de la energía de evaporación del agua pura) que se requiere para separar el agua dulce (u otro solvente) de la solución de agua salada para otra solución de solvente / soluto).

La energía libre de mezclado refleja un aumento en la entropía del agua (u otro solvente) cuando se transforma de su estado puro (de agua dulce) a su estado diluido (el agua salada). Es una propiedad física de los solventes, como el agua, que tienen un tendencia natural para migrar de una área de concentración del soluto relativamente baja (la entropía más baja) a una área de concentración del soluto relativamente alta (entropía más alta). Así, se crea un gradiente de la entropía siempre que en contacto uno con otro dos cuerpos de agua u otro solvente que tengan concentraciones de soluto diferentes y se empiecen a mezclar. Este gradiente de la entropía puede observarse y puede medirse físicamente en fenómenos muy conocidos conocido como la ósmosis.

La ósmosis es el caudal de agua a través de una membrana selectivamente permeable (es decir, permeable al agua, pero impermeable a solutos disueltos) de una concentración inferior de soluto a una concentración más alta. Es un fenómeno coligativo - esto es, no es dependiente en la naturaleza del soluto, solamente en la concentración molar total de todas las especies disueltas. El agua pura se define como que tiene un potencial osmótico de cero. Todas las soluciones basadas en el agua tienen grados variantes de potencial osmótico negativo. Muchas referencias tratan el potencial osmótico en términos de la presión a través de una membrana semipermeable ya que la manera más fácil de medir el efecto es aplicar presión al lado de la membrana con el potencial osmótico negativo superior hasta que se cancele el flujo neto. La "ósmosis inversa" es el fenómeno que ocurre cuando se aplica una presión adicional a través de una membrana selectivamente permeable hasta el punto de invertir la dirección de flujo natural a su través, dando como resultado la separación del solvente del soluto.

Pero, justo como toma energía para separar una cantidad de agua dulce de un cuerpo de agua salada, tal como a través de la evaporación solar o usando el bien conocido proceso de desalinización de ósmosis inversa, la remezcla del agua dulce de nuevo en aguas oceánicas da como resultado la liberación de una cantidad igual de energía almacenada (aproximadamente 2,84 kJ/kg) de agua dulce. Si esta fuente de energía latente almacenada se pudiese de alguna manera explotar de manera eficiente, podría dar como resultado la producción de cantidades enormes de energía eléctrica barata a partir de un recurso de energía de aquí en adelante concentrada y continuamente renovable.

Por ejemplo, si el 30% del caudal medio del río Columbia se pudiese desviar dentro de un dispositivo que recuperase esta energía libre latente de mezclado o energía osmótica potencial al 100% de eficiencia, generaría 6.300 megavatios de potencia. Para poner esto en perspectiva, la instalación hidroeléctrica actual de la Presa Grand Coulee en el río Columbia (la planta de energía hidroeléctrica más grande de los Estados Unidos y la tercera más grande del mundo) genera una salida de pico de 6.800 megavatios. Véase, http://www.cqs.washington.edu/crisp/hydro/gcl.html. Si el caudal del río Weber al lago Great Salt se pudiese desviar a través de dicho dispositivo, generaría 400 megavatios de potencia. Véase, por ejemplo, http://h20.usgs.gov/public/realtime.html para una inspección estadística de otros datos hidrográficos de los Estados Unidos. Dicho dispositivo sería de un enorme beneficio para las personas de todo el mundo, particularmente para aquellas personas de regiones lejanas en donde la generación de energía eléctrica por medios convencionales puede ser difícil o impracticable.

Se han hecho varias propuestas a lo largo de los años en busca de posibles maneras de explotar comercialmente esta fuente atractiva de energía natural y renovable. Por ejemplo, Jellinek (Patente de los Estados Unidos número 3.978.344) propuso pasar agua dulce a través de una membrana semipermeable dentro de una solución salina o salmuera. El diferencial de presión osmótica resultante a través de la membrana se usaría después para expulsar un flujo de agua salina a través de un orificio de salida para activar una rueda de agua acoplada a un generador de potencia eléctrica para generar energía eléctrica. De manera similar, Loeb (Patente de los Estados Unidos número 3.906.250) describe un procedimiento y un aparato para generar energía utilizando ósmosis retardada de presión a través de una membrana semipermeable.

Cada una de las aproximaciones anteriores, como muchos otros defendidos en este documento de aquí en adelante, se basan en un proceso de ósmosis directa que utiliza una membrana semipermeable para obtener trabajo útil a partir de la diferencia en el potencial osmótico ejercido a través de la membrana. Mientras que dichos sistemas pueden tener aplicación útil en una escala pequeña bajo ciertas condiciones limitadas, el desarrollo comercial a gran escala y la explotación de dichos sistemas de generación de energía se ve entorpecido por el gran área de superficie de membrana requerida para conseguir los caudales adecuados y por el coste y la dificultad de mantener dichas membranas semipermeables. Aunque los modernos avances en los materiales sintéticos han producido membranas que son muy eficientes en la expulsión de solutos de salmuera y son lo bastante duros como para resistir altas presiones, dichas membranas son todavía susceptibles de atascarse, descascarillarse y su degradación general con el tiempo. Por ejemplo, el agua de río usada como una fuente de agua dulce igualmente llevaría a una variedad de solutos y otros sedimentos suspendidos o contaminantes que podrían atascar fácilmente la membrana, requiriendo el filtrado y/o la limpieza periódica. Los desperdicios fluviales tratados de una planta municipal de tratamiento de aguas residuales usados como una fuente de agua dulce presentarían complicaciones similares y posiblemente complicaciones adicionales, haciendo dicha aproximación comercialmente impracticable.

Urry (Patente número 5.255.518 de los Estados Unidos) propuso un procedimiento y un aparato alternativo para explotar el potencial de la energía osmótica de una manera que no utilice una membrana semipermeable. En particular, Urry propuso el uso de un bioelastómero especialmente formulado. El bioelastómero es seleccionado de forma que se contrae o se expande de manera alterna y reversible cuando es expuesto a diferentes concentraciones de una solución de salmuera. Se propone un motor mecánico para convertir el movimiento de expansión y de contracción de elementos independientes de bioelastómero en trabajo útil. Mientras que dicho sistema demuestra la utilidad de la aproximación general, el sistema propuesto utilizando elementos de bioelastómero o similares no es el adecuado inmediatamente para la producción de energía a gran escala y de bajo coste. Para producir energía útil a escala comercial dicho sistema requeriría un inmenso número de elementos bioelásticos que tuviesen un área muy grande de superficie. De nuevo, el área de superficie expuesta estaría sometida a la contaminación y a la degradación con el tiempo, como con las membranas anteriormente tratadas, haciendo que dicho sistema sea prohibitivamente caro de construir y de mantener.

Assaf (Patente de los Estados Unidos número 4.617.800) propuso otro aparato alternativo para producir energía a partir de la salmuera concentrada de una manera que no utilice una membrana semipermeable o el bioelastómero especialmente formulado. En particular, Assaf propuso el uso de un sistema de evaporación de vapor y recondensación. En esta aproximación, se genera primero el vapor calentando el agua dulce en un evaporador y pasando el vapor a través de una turbina para excitar un generador eléctrico. El vapor condensado se pasa entonces a un condensador en el que se pone en contacto con un flujo de salmuera concentrada, generando calor a partir del calor de la disolución de la salmuera. Se propone que el calor producido se transmita entonces a través de un elemento intercambiador de calor de nuevo hacia el evaporador para generar vapor a partir del agua dulce. Mientras que esta aproximación generalmente evita la membrana y los problemas de contaminación del gran área de superficie tratados anteriormente, no es idealmente adecuada para la producción de energía a gran escala y de bajo coste. Esto es debido al número y a la complejidad de componentes implicados y a la necesidad de calentar y enfriar el agua dulce en el evaporador fijado de presión y en las unidades de condensador. Dicho sistema sería caro de construir y de hacer funcionar a escala comercial.

Así, persiste la necesidad de un procedimiento y de un aparato para explotar de manera eficiente el potencial de energía osmótica entre el agua dulce y el agua de mar (y/o otras soluciones). Del documento FR 2500080 se sabe usar este potencial para traer nutrientes a la superficie del océano a través de un tubo vertical alimentado por agua de salinidad baja proveniente de un segundo conducto.

Sumario de la invención

De acuerdo con esto, es un objeto principio y una ventaja de la presente invención superar algunas o todas estas limitaciones y proporcionar un aparato mejorado y un procedimiento para generar energía usando un nuevo procedimiento de ósmosis directa que explota de manera eficaz el potencial de energía osmótica entre dos cuerpos que tengan diferentes concentraciones de salinidad.

De manera ventajosa, el procedimiento y el aparato de la presente invención es como se define en las reivindicaciones 10 y 1 más adelante. No requiere el uso de una membrana semipermeable o de otro material especialmente formulado, ni requiere el calentamiento o refrigeración del agua dulce o de la solución de agua salina. Además, la presente invención puede recuperar energía de una amplia variedad de fuentes de agua dulce, incluyendo el cauce de río tratado o no tratado, el cauce o afluente de agua residual tratada, el cauce de drenado de tormenta, el cauce de agua dulce parcialmente contaminada, y una amplia variedad de otras fuentes del agua dulce. Así, la presente invención es bien adecuada para la producción de energía a gran escala en una amplia variedad de localizaciones geográficas y bajo una amplia variedad de condiciones. La invención tiene una particular ventaja para su uso en regiones remotas en las que la generación de energía eléctrica mediante medios convencionales puede ser comercialmente factible o impracticable.

De acuerdo con una realización, la presente invención proporciona un procedimiento para generar energía a partir de las diferencias en el potencial osmótico entre una fuente de agua de relativamente baja salinidad y una fuente de agua de salinidad relativamente alta. El agua de salinidad relativamente baja es conducida a través de un primer tubo. El agua de salinidad relativamente baja entonces se pone en contacto directo con el agua de salinidad relativamente alta en un segundo tubo adjunto para formar una mezcla. El segundo tubo está en comunicación fluida con la fuente de agua de salinidad relativamente alta a través de una o más aberturas. El contacto de las dos aguas de salinidad diferentes provoca el flujo de la mezcla dentro del segundo tubo. Esta mezcla se pasa a través de una unidad de generación de energía para generar energía mecánica y/o eléctrica.

De acuerdo con otra realización, la presente invención proporciona un procedimiento para generar energía a partir del potencial de energía osmótica del agua dulce. Una fuente de agua de salinidad relativamente baja es conducida a una profundidad predeterminada en un cuerpo de agua de salinidad relativamente alta a través de un tubo de bajada que tiene una primera área transversal. El agua de salinidad relativamente baja se pone en contacto directo con el agua de salinidad relativamente alta proveniente de la profundidad predeterminada en un tubo de subida que una segunda sección transversal, formando una mezcla. Se permite que la mezcla fluya dentro del tubo de subida a una profundidad menor que la profundidad predeterminada. La mezcla fluida se pasa a través de una unidad de generación de energía para generar energía útil.

De acuerdo con otra realización, la presente invención proporciona un sistema para generar energía a partir de las diferencias en el potencial osmótico entre una fuente de agua de salinidad relativamente baja y una fuente de agua de salinidad relativamente alta. El sistema comprende un tubo de subida situado en la fuente de agua de salinidad relativamente alta. El tubo de salida se conecta de manera fluida a la fuente de agua de salinidad relativamente alta a través de una o más aperturas en el al tubo de subida a una primera profundidad. El tubo de subida termina a una profundidad en la fuente de agua de salinidad relativamente alta a una segunda profundidad menor que la primera profundidad. Se proporciona un tubo de bajada que tiene un primer extremo conectado a la fuente de agua de salinidad relativamente baja y un segundo extremo que descarga el agua de salinidad baja proveniente de la fuente de agua de salinidad relativamente baja dentro del tubo de subida de forma que el agua de salinidad relativamente baja y el agua de salinidad relativamente alta formen una mezcla que fluya dentro del tubo de subida. Se proporciona un medio para generar energía a partir de la mezcla creciente.

De acuerdo con otra realización, la presente invención proporciona un sistema para generar energía a partir de las diferencias en el potencial osmótico entre una fuente de agua de salinidad relativamente baja y una fuente de agua de salinidad relativamente alta. El sistema comprende un primer tubo para conducir un flujo de agua de salinidad relativamente alta desde una primera profundidad a una segunda profundidad, teniendo el primer tubo una primera área transversal. Se proporciona un segundo tubo conectado de manera fluida a la fuente de agua de salinidad relativamente baja en un primer extremo y al primer tubo en un segundo extremo a o cerca de la primera profundidad, en donde el segundo tubo tiene una segunda área transversal. Se proporciona un tercer tubo para conducir un flujo de agua de salinidad relativamente alta desde la segunda profundidad en o cerca de un primer extremo del tercer tubo al primer tubo en el segundo extremo, en donde el agua de salinidad relativamente baja y el agua de salinidad alta forman una mezcla en el primer tubo. Se hace fluir a la mezcla en el primer tubo, aumentando la energía recuperable del agua de salinidad relativamente alta en el tercer tubo. Se proporciona un generador de energía, colocado entre los tubos primero y tercero para generar energía a partir del aumento en la energía recuperable.

De acuerdo con otra realización, la presente invención proporciona un procedimiento para generar energía a partir de la diferencia en el potencial osmótico entre una fuente de agua de salinidad relativamente baja y una fuente de agua de salinidad relativamente alta. Se hace conducir una fuente de agua de salinidad relativamente baja a través de un primer tubo donde el primer tubo tiene una primera sección transversal. El agua de salinidad relativamente baja es puesta en contacto directamente con el agua que proviene de la fuente de salinidad relativamente alta en un segundo tubo adjunto para formar una mezcla, donde el segundo tubo tiene una segunda área transversal. El segundo tubo está en comunicación fluida con la fuente de agua de salinidad relativamente alta a través de una o más aperturas en un tercer tubo. El contacto provoca un aumento en la energía recuperable del agua de salinidad relativamente baja en el primer tubo. Se conduce el agua de salinidad relativamente alta en el tercer tubo a través de una unidad de generación de energía para generar energía mecánica y/o eléctrica.

Para propósitos de resumen de la invención y de las ventajas conseguidas sobre la técnica primera, en el presente documento se han descrito anteriormente ciertos objetos y ventajas de la invención. Por supuesto, se entenderá que no todos dichos objetos o dichas ventajas necesariamente se pueden conseguir de acuerdo con cualquier realización particular la invención. Así, por ejemplo, aquéllos que sean expertos en la técnica, reconocerán que la invención se puede implementar o llevar a la práctica de una manera que consiga o que optimice una ventaja o un grupo de ventajas como las enseñadas en este documento sin conseguir necesariamente otros objetos o ventajas que se pudiesen enseñar o sugerir en el presente documento.

Todas estas realizaciones están destinadas a estar dentro del campo de aplicación de la invención descrita en este documento. Éstas y otras realizaciones de la presente invención serán más rápidamente aparentes para aquéllos que sean expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas con referencia a las figuras anejas, no estando limitada la invención a cualquiera de las realizaciones preferidas descritas.

Breve descripción de los dibujos

Habiendo resumido así la naturaleza general de la invención y sus características y ventajas esenciales, ciertas realizaciones preferidas y modificaciones serán más aparentes para aquéllos que sean expertos en la técnica a partir de la descripción detallada del presente documento con referencia a las siguientes figuras, de las cuales:

La figura 1A es una representación en diagrama esquemático de un proceso de ósmosis directa convencional a través de una membrana semipermeable;

La figura 1B es una representación en diagrama esquemático de un proceso de ósmosis inversa convencional a través de una membrana semipermeable;

La figura 2 es una representación esquemática de un aparato experimental de corriente surgente de tubo de subida para su uso de acuerdo con la presente invención;

La figura 3 es un gráfico de recuperación teórica de energía para los tubos de bajada de diferentes tamaños y caudales de agua dulce que usan el dispositivo experimental de corriente surgente de la figura 2;

La figura 4 es una representación esquemática de una realización de un generador hidrocrático que tiene características y ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 5 es una representación esquemática de una realización alternativa de un generador hidrocrático que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 6 es una representación esquemática de una realización alternativa adicional de un generador hidrocrático que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 7A es una representación esquemática de una realización alternativa adicional de un generador hidrocrático que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 7B es una vista lateral del tubo de subida de la figura 7A, mostrando las ranuras en el lateral del al tubo;

La figura 7C es una vista en sección desde la parte de abajo del soporte del eje de la figura 7A;

La figura 7D es una vista en sección desde la parte de abajo del tambor de paletas de la figura 7A;

La figura 8A es una representación esquemática de una realización alternativa adicional de un generador hidroosmótico que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 8B es una vista lateral del tubo de la figura 8A mostrando dos conjuntos de ranuras en el lateral del tubo;

La figura 8C es una vista en sección desde la parte de abajo del soporte del eje de la figura 8A;

La figura 8D es una vista en sección desde la parte de abajo del tambor de paletas de la figura 8A;

La figura 9A es una vista esquemática de un tubo de subida con un extremo inferior abierto con una realización alternativa de un tubo de bajada que tiene una pluralidad de agujeros en los laterales y la salida, que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 9B es una vista en sección desde abajo del tubo de subida y el extremo de salida del tubo de bajada de la figura 9A;

La figura 10A es una vista esquemática de un tubo de subida con un extremo inferior abierto con una realización alternativa del tubo de bajada con una pluralidad de tubos de bajada secundarios que tienen agujeros en los laterales y el extremo de salida, teniendo las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 10B es una vista en sección desde abajo del tubo de subida y el extremo de salida del tubo de bajada de la figura 10A mostrando la pluralidad de tubos de bajada secundarios y los agujeros en los extremos de salida de los tubos de bajada secundarios;

La figura 11 es una vista esquemática de un tubo de subida con un extremo inferior abierto con una realización alternativa del tubo de bajada con una pluralidad de tubos de bajada secundarios, que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 12 es una vista esquemática de un tubo de bajada con un buje giratorio y salidas de galga sin tubo de subida;

La figura 13 es una vista esquemática de un tubo de bajada con un buje giratorio y salidas de galga con un tubo de subida, que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 14 es una vista esquemática de una parte de un tubo de subida que comprende una pluralidad de tubos de subida concéntricos, que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 15 es una representación esquemática de un tubo de subida modificado que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención;

La figura 16 es una ilustración esquemática de una posible realización comercial a gran escala de un generador hidroosmótico que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención; y

La figura 17 es una vista en sección del montaje de la turbina y del generador del generador hidroosmótico de la figura 12.

Descripción de las realizaciones preferidas

Como se ha tratado anteriormente en la sección de Fundamentos de la invención, cuando se ponen en contacto y se mezclan fluidos solventes que tienen diferentes potenciales osmóticos, se libera energía. Esta energía liberada da como resultado un aumento de la entropía del agua (u otro solvente) cuando es transformada de su estado puro (agua dulce) el estado diluido (agua salida). De este modo, se crea un gradiente de entropía siempre que se pongan en contacto y se empiecen a mezclar dos cuerpos de agua u otros solventes que tengan diferentes concentraciones de soluto. Este gradiente de la entropía puede observarse y medirse físicamente en los fenómenos muy conocidos conocido como ósmosis.

Debido a que el término "ósmosis" está asociado con una membrana, el término "hidrocrasis" se usa como un término para la situación en la que se ponen en contacto y se mezclan fluidos solventes que tengan diferentes potenciales osmóticos en ausencia de una membrana.

La figura 1A ilustra de manera esquemática una ósmosis directa convencional a través de una membrana semipermeable. La ósmosis directa da como resultado el flujo de agua (o otro solvente) a través de una membrana selectivamente permeable 12 desde una concentración de soluto más baja 14 a una concentración de soluto más alta 14. Muchas referencias tratan el potencial osmótico o la presión osmótica en términos de bajada de presión \Pi a través de una membrana semipermeable ya que la manera más fácil de medir el efecto es medir la diferencia en altura o en pies (los metros) de la carga hidrostática entre el lado de alta concentración y el lado de baja concentración de la membrana 12. la ósmosis directa da como resultado la liberación de energía de trabajo.

La figura 1B ilustra el estado de ósmosis inversa mediante el que el agua (u otro solvente) 10 bajo la influencia de una presión externa es forzada a través de una membrana selectivamente permeable 12 de una concentración de soluto más alta 14 a una concentración de soluto más baja 14, exprimiendo o extrayendo de esta manera el solvente puro 10 del soluto 14. La ósmosis inversa se usa ampliamente en plantas de purificación y desalinización del agua en todo el mundo. La ósmosis inversa consume energía de trabajo.

Para ilustrar la cantidad de energía de trabajo disipada o liberada en el proceso osmótico, considérese un ejemplo hipotético en el que un gran contenedor de agua salada es soportado justo bajo la superficie de un gran contenedor abierto de agua dulce. Además, hay una membrana osmótica que separa los dos contenedores de agua. Unido a la vasija de agua salada y extendiéndose hacia arriba del agua dulce hay un tubo esbelto, un tubo alto con un volumen de exactamente un metro cúbico. Este tubo esbelto, tubo alto está abierto en la parte de arriba, y ésta es la única abertura a la vasija de agua salada. Al comienzo del experimento hipotético, el nivel de agua y la presión en ambos contenedores son idénticos y está en el fondo del tubo esbelto, tubo alto. Sin embargo, la ósmosis provocará que el agua dulce fluya dentro del contenedor de agua salada a través de la membrana y eleve el nivel de agua salada en el tubo esbelto alto hasta que la presión ejercida por la columna de agua salada sea suficiente para cancelar u oponerse a la presión osmótica a través de la membrana.

Ahora, si se corta la parte superior del tubo justo bajo el nivel más alto de agua en el mismo, entonces el agua salada empezará a rebosarse y a gotear desde la parte superior del tubo a medida que el agua dulce continúa fluyendo a través de la membrana en la solución de agua salada a una velocidad igual. Ahora, por cada centímetro cúbico de agua dulce que fluye a través de la membrana, un volumen igual de la solución de agua salada se desplazará desde la parte superior del tubo y caerá una cierta distancia. Claramente, el trabajo está haciéndose a través del mecanismo de ósmosis, pero ¿cuánto trabajo se está haciendo? ¿Cuánta presión es ejercida por la columna de agua salada y cuál es la altura de la columna?

Para concentraciones pequeñas de una solución ideal, la fórmula de van't Hoff para la presión osmótica (\Pi) es:

\Pi = - C R T

Donde:

: C es la concentración molar

: R es la constante de gas

: T es la temperatura absoluta.

Para el agua salada hay dos iones por molécula y:

: wt(NaC1) = 58,5 g

: T = 20ºC = 293ºK

: R = 8,3144 J / mol ºK

: C = 35ppt =35,00 g/m^{3}

: = (35,000 x 2 / 58,5 moles) m^{3}

: = 1200 moles l m^{3}

: \Pi = - (1200 moles / m^{3})) (8,3144 J/mol ºK) (293ºK)

: = -2,9 x 10^{6} N/m^{2}

: = .2,9 x 10^{6} Pa

: = -29 atm.

La ley de Pascal dice:

p = \rho gh

Fijando \rho (la presión debida a la altura de una columna de líquido) igual al \Pi (la presión osmótica) y resolviendo para la altura de la columna (h) da:

: \rho = 1034 kg/m^{3}

: g = 9,8 m/s^{2}

: h = (2,9 x 10^{6} N / m^{2}) / ((1034 kg/m^{3}) (9,8 m/s^{2}))

: = 290 m

El trabajo incremental hecho para desplazar 1 kg de agua es:

: W = 1/2 mgh

: = (0,5) (1 kg) (9,8 m/s^{2}) (290 m)

: = 1,4kJ

De esta forma, el potencial de energía osmótica que se gana de la remezcla del agua dulce dentro del agua oceánica salada es significativo - aproximadamente 1,4 kJ/kg de agua dulce, o el equivalente de unos 290 m de carga hidrostática de agua para un sistema convencional de hidroenergía. Si se pudiese de algún modo explotar de manera eficiente esta fuente de energía almacenada, podría dar como resultado la producción de cantidades enormes energía eléctrica barata a partir de una fuente de energía de aquí en adelante concentrada y continuamente renovable.

Cortemos ahora el tubo alto justo por debajo de la altura máxima del agua salina (290 metros) y unamos una espita. La solución salina fluiría de manera continua fuera de la espita. ¿Qué fuerza se genera cuando un kilogramo de agua fluye a través del tubo y cae de nuevo al nivel de agua original?

: W = Mgh

: = (1 kg) (9,8 m/s^{2}) (290 m)

: = 2,8 x 10^{3} Julios

Si la membrana osmótica tuviese una área de superficie suficientemente grande para permitir un flujo de un kilogramo por segundo, entonces el sistema estaría generando 1,4 x 10^{3} julios por segundo que es lo mismo que 1,4 kilovatios.

Si se conectase un tubería de carga al extremo de la espita y ésta a su vez se conectase a un generador hidroeléctrico colocado al nivel original de agua, entonces ese generador (a un 100% de eficiencia) entregaría 1,4 kilovatios de energía eléctrica. No habría realmente necesidad del tubo largo o de la tubería de carga. Al generador no le importaría si la presión de carga hidrostática se generó por la gravedad o por la presión osmótica. Se generaría la misma electricidad si la abertura de la vasija de agua salada se conectase directamente a la toma de entrada del generador.

Esto es, por supuesto, no un sistema práctico para generar electricidad ya que se basa en una vasija rígida infinitamente grande y en una membrana osmótica infinitamente grande.

Mientras que se han propuesto muchos sistemas para el aprovechamiento de este potencial de energía osmótica, pocos, en el caso de que haya habido alguno, han tenido éxito comercial. Un problema es que la mayoría de los sistemas de recuperación de energía osmótica se basan en un proceso de ósmosis directa convencional que utiliza una membrana semipermeable. El desarrollo comercial a gran escala y la explotación de dichos sistemas de generación de energía se ven perjudicados por el gran área de la superficie de membrana requeridos para conseguir unos caudales adecuados y el coste y la dificultad de mantener dichas membranas semipermeables. Otros sistemas requieren el uso de materiales bioelásticos exóticos y/o el uso de evaporadores, condensadores y/o intercambiadores de calor para extraer la energía de trabajo útil a partir del potencial de energía osmótica.

Sin embargo, en el campo no relacionado del cultivo de organismos marinos oceánico se sabe usar el efecto de flotación del agua dulce mezclada con el agua salada para proporcionar la corriente surgente del océano artificial para propósitos de enriquecimientos del agua en la zona fótica superior del océano con aguas ricas en nutrientes de las zonas afóticas inferiores. Por ejemplo, la patente de los Estados Unidos número 5.106.230, incorporada en este documento mediante referencia, describe un procedimiento para la generación controlada de la corriente surgente oceanográfica artificial. El procedimiento incluye la introducción de un flujo de entrada de agua relativamente dulce a una profundidad predeterminada donde el agua dulce se mezcla con el agua de las profundidades marinas rica en nutrientes para formar una mezcla. La mezcla sube hacia arriba mediante un efecto de flotación provocado por su densidad reducida, con lo que la mezcla se conduce hacia la superficie a través de una tubería. El procedimiento da como resultado la corriente surgente de agua fría rica en nutrientes desde las regiones afóticas inferiores del océano a las regiones fóticas superiores la vida marina acuática puede hacer uso de los nutrientes de manera beneficiosa.

Durante las pruebas recientes de prototipo de un dispositivo de corriente surgente similar se descubrió de manera sorprendentemente, que la cantidad de flujo de corriente surgente conseguido en términos de energía cinética del flujo de masa global era superior a la energía de la entrada en el sistema en términos de efecto de flotación y energía cinética resultante del agua dulce introducida en tubo de subida. Experimentos posteriores que usan un dispositivo de corriente surgente modificado han confirmado que la salida de energía hidráulica total de dicho sistema sobrepasa significativamente la entrada de energía hidráulica total.

Mientras que en este momento no se aprecia por completo una explicación exacta para estos fenómenos observados, se cree que la salida de energía en exceso es de algún modo atribuible a la liberación de potencial de energía osmótica al producirse la mezcla de agua dulce y de agua salada en el tubo de subida. Este resultado es particularmente sorprendente ya que el dispositivo de corriente surgente modificado no incorpora una membrana semipermeable u otros componentes del sistema especializados pensados hasta ahora en el presente documento para recuperar dicho potencial de energía osmótica. Como no hay ninguna membrana presente, el término generador hidrocrático se aplica al aparato. Para una descripción y comprensión completas de la invención, más adelante se trata el diseño experimental usado para hacer este descubrimiento:

Diseño experimental

Se construyó un aparato de corriente surgente experimental similar al que se muestra en la figura 2 usando materiales adecuados resistentes a la corrosión. El océano era simulado disolviendo 1800 kilogramos (2 toneladas) de sal marina en una piscina de 50.000 litros (15.000 galones). El tubo de subida 40 era una tubo de cloruro de polivinilo (PVC) un diámetro interior de 15 cm (6 pulgadas) de 1,5 metros de largo. En algunos experimentos tratados en el presente documento, la parte superior del tubo de subida 40 se dejaba abierta y sin obstrucciones como se muestra. En otros experimentos tratados en este documento, se conectó una turbina a la parte superior del tubo de subida 40 para convertir la energía de flujo cinética en energía de trabajo mecánica. El tubo de bajada 20 era un tubo (PVC) de 1,8 centímetros (1/2 pulgada) de un metro de largo. Se unieron dos codos a 90º y una pieza corta de tubería al extremo del tubo de bajada 20 de forma que se provocaba que el agua dulce saliese hacia el tubo de subida 40 proveniente del tubo de bajada 20. El aparato estaba unido a un flotador mediante cables de soporte de nylon 50, y el extremo de salida 44 del tubo de subida 40 estaba situado a 15 centímetros aproximadamente por debajo de la superficie de agua salada.

El tubo de bajada 20 se conectó a un depósito 25 de agua dulce. El depósito 25 se mantenía a un nivel constante continuamente llenándolo con agua del grifo y permitiendo que el exceso fluya fuera del camino de rebosamiento 27 de forma que el caudal de agua dulce a través de del tubo de bajada 20 se mantenga esencialmente constante. De acuerdo con las medidas, el agua en el depósito 25 contenía aproximadamente 300 ppm de sólidos disueltos en todo momento, y el agua salada de la piscina contenía entre 34.000 y 36.000 ppm de sólidos disueltos. La temperatura tanto del agua en el depósito 25 como del agua salada era la misma en cualquier experimento independiente (18 a 20ºC), ya que el tanque de agua salada estaba fijado en tierra, y el agua dulce del depósito provenía de las tuberías enterradas.

El experimento se inicio rellenando el tubo de bajada 20 con agua para eliminar las burbujas de aire. Después se ajustó la altura del depósito para establecer una carga hidrostática de presión que determinase el caudal de agua dulce en el tubo de bajada 20. El depósito 25 se llenaba entonces con agua dulce a la que se le permitía fluir desde el depósito 25 a través del tubo de bajada 20 después de lo cual se introducía en la parte inferior del tubo de subida 40.

El experimento era supervisado de manera periódica midiendo la salinidad en el extremo de salida 44 del tubo de subida 40 usando un medidor Myron L., DS (modelo 512T5). El caudal fuera de la toma de salida 44 del tubo de subida se calculaba midiendo la salinidad en el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40. En particular, la figura 2 muestra cuatro puntos de referencia en el aparato experimental: el punto 1 es el depósito de agua dulce; el punto 2 está en el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40 donde se midió la salinidad; el punto 3 está inmediatamente por encima del extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20; y el punto 4 está dentro del tubo de subida 40 por debajo del extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20. las siguientes salinidades y densidades se usaron en el análisis de los datos.

Salinidad del agua salada : 35.000 ppm

Salinidad del agua dulce : 300 ppm

Densidad del agua salada : 1,035

Los caudales se calculaban usando el siguiente análisis. Como había un tubo continuo desde el punto 1 al punto 3, la salinidad y el caudal deberían ser los mismos en los puntos 1 y 3. Como las únicas tomas de entrada al tubo de subida 40 eran desde el punto 3 y el punto 4, el flujo en el punto 2 debería ser igual a la suma de los flujos en el punto 3 y en el punto 4. La ecuación para el flujo en el punto 4 se deriva del siguiente análisis:

Si:

: Q_{i} es el flujo en el punto i

: = W_{T} / \rho por segundo

: S_{i} es la salinidad en el punto i

: = (W_{S} / W_{T})

: W_{S} es el peso de sal en una solución

: W_{T} es el peso total de la solución

: \rho es la densidad de la solución

Entonces:

S_{2} = W_{S2} / W_{T2}

y como el flujo que pasa por el punto 2 viene del punto 3 o del punto 4:

S_{2} = (W_{S3} + W_{S4}) / (W_{T3} + W_{T4})

Sustituyendo en:

W_{S} = S W_{T}

Da como resultado:

S_{2} = (S_{3} \ W_{T3} + S_{4} \ W_{T4}) / (W_{T3} + W_{T4})

sustituyendo en:

W_{T} = Q \ \rho \ segundos

Da como resultado:

S_{2} = (S_{3} \ Q_{3} \ \rho _{3} + S_{4} \ Q_{4} \ \rho _{4}) / (Q_{3} \ \rho _{3} + Q_{4} \ \rho _{4})

Que da una ecuación que tiene una única variable desconocida (Q_{4}),

Q_{4} = Q_{3} \ (\rho _{3} \ / \ \rho _{4}) \ (S_{2} \cdot S_{3}) | (S_{4} \cdot S_{2})

Se puede suponer, dentro de la precisión de este experimento que:

: S_{3} = 0

: \rho _{3} = \rho _{4}

lo que deja la ecuación:

Q_{4} = Q_{3} \ S_{2} / (S_{4} \cdot S_{2})

Los siguientes ejemplos 1 al 4 dan los resultados de varios experimentos que estuvieron dirigidos usando el diseño experimental descrito anteriormente como se ilustra en la figura 2:

Ejemplo 1

El aparato mostrado en la figura 2 se usó para medir los caudales observados en el tubo de subida 40 con diferentes caudales de agua dulce introducidos en el tubo de bajada 20. La tabla 1 es una recopilación de los resultados para los caudales en varios puntos en el tubo de subida 40 con dos caudales diferentes de agua dulce en el tubo de bajada 20. Se midieron los parámetros del caudal en el punto 1, el caudal de agua dulce proveniente del depósito y la salinidad en el punto 2 en el extremo de salida 44 del tubo de subida. El caudal en el punto 3, el extremo de salida 24 del tubo de bajada 20, eran los mismos que el caudal en el punto 1. los restantes caudales se calcularon usando las ecuaciones tratadas anteriormente.

TABLA 1

Caudales en varias posiciones en el tubo de subida
Altura del depósito	Salinidad en el	Flujo (10^{-4} m^{3} / s)
(metros)	punto 2 (ppt)	Punto 1	Punto 2	Punto 3	Punto 4
0,23	34	1,3	45,5	1,3	44,2
0,55	34	2,4	84,0	2,4	81,6

Los resultados indican que el caudal de la solución de agua salada / agua dulce mezcladas en el punto 2 en el extremo de salida 44 del tubo de subida 40 sobrepasa con mucho el caudal de agua dulce en el punto 1 y en el punto 3. Introduciendo agua dulce en el tubo de bajada 20 y dejando que el agua salada fluya dentro del tubo de subida 40 se generan por tanto unos caudales más altos en el punto 2, en la parte alta del tubo de subida 40.

Con el fin de demostrar que este caudal más alto en el punto 4 no fue debido a la transferencia de energía cinética del flujo de agua dulce proveniente del tubo de bajada 20, se realizó el siguiente experimento.

Ejemplo 2 Caudales a través del tubo de subida con agua salada en función del agua dulce introducida en el tubo de bajada

Para este experimento se conectó un respiradero de techo de una turbina de 6 al extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40. Una de las palas estaba pintada para permitir la cuenta de los giros. El depósito se llenó con agua dulce que tenía una salinidad de 300 ppm en un experimento y con agua salada que tenía una salinidad de 36.000 ppm en un segundo experimento. El depósito se colocó a una altura de 0,55 metros por encima del nivel de agua del agua salada de la piscina. Se permitió después que el agua dulce fluyese a través del tubo de bajada 20, y se determinó la velocidad de giro de la turbina. Entonces, se permitió que el agua salada de la piscina fluyese a través del tubo de bajada 20, y se determinó de nuevo la velocidad a la que giraba turbina. Los resultados se muestran en la tabla 2 a continuación.

TABLA 2

Velocidad de la turbina con agua dulce en función del agua salada en el tubo de bajada
	Flujo de agua en el tubo de bajada (10^{-4} m^{3}/s)	Velocidad de la turbina (rpm)
Agua dulce (0,3 ppt)	2.4	5.6
Agua salada (36 ppt)	2.3	2.3

Como se muestra en la tabla 2 anterior, la turbina giraba 2,4 veces más rápidamente cuando el agua dulce se introdujo en el tubo de bajada 20 que cuando se usó el agua salada. La velocidad más alta de la turbina cuando se introdujo el agua dulce en el tubo de bajada 20 es una indicación directa de que el flujo de agua en el tubo de subida 40 era superior cuando el agua dulce en lugar del agua salada se introdujo en el tubo de bajada 20 y que los caudales más altos de agua observados desde la parte alta del tubo de subida 40 en el ejemplo 1 no eran solamente debidos a la transferencia de la energía cinética desde el flujo de agua dulce que salía del tubo de bajada 20.

La energía cinética transferida desde el agua salada en el tubo de bajada 20 al agua salada en el tubo de subida 40 sería por lo menos tan grande (si no ligeramente superior debido a la densidad aumentada del agua salada) como la energía cinética transferida desde el agua dulce en el tubo de bajada 20. Los resultados mostrados en la tabla 2 indican que algunos, pero no todos, las corrientes surgentes de agua en el tubo de subida 40 es debido a la transferencia de energía cinética proveniente del agua introducida en el tubo de bajada 20.

La energía disponible a partir de la energía cinética del caudal de agua en varias posiciones en el tubo de subida 40 puede calcularse de la siguiente manera:

P_{k} = \text{energía de energía cinética}

\newpage

: = 1/2 M_{q} v^{2}

: = 1/2 (\rhoQ) (160^{2} / \pi^{2}d^{4})

: = 8 Q^{3}\rho / \pi^{2}d^{4}

donde :

: A es la sección transversal

: = \pi d / 4

: d es el diámetro del tubo

: M_{q} es el flujo de masa

: = Q x \rho

: \rho = 1 + (S_{i} / 1000)

: v es la velocidad

: = Q / A

La tabla 3 muestra la energía calculada atribuible a la energía cinética en los tres puntos en el tubo de subida 40.

TABLA 3

Energía cinética en distintos puntos en el tubo de subida
Altura del depósito	Salinidad en el	Energía cinética (vatios)
(metros)	punto 2 (ppt)	Punto 2	Punto 3	Punto 4
0.23	34	0,16	0,02	0,14
0.55	34	0,98	0,11	0,90

En la siguiente serie de experimentos, el diámetro del tubo de bajada 20 y el caudal de agua dulce que se introdujo en el tubo de bajada 20 se variaba para determinar la dependencia de la velocidad de corriente surgente en el tubo de subida 40 sobre estos parámetros.

Ejemplo 3

Se llevaron a cabo una serie de experimentos usando el diseño experimental descrito anteriormente y como se muestra en la figura 2, pero con tubos de bajada 20 teniendo diámetros diferentes. Con cada uno de los tubos de bajada 20, se varió el caudal del agua dulce en el tubo de bajada para determinar el efecto de los diferentes caudales de agua dulce sobre la energía disponible. Se midió la salinidad en el extremo de salida 44 del tubo de subida 40, y se calcularon los caudales de agua a partir de la salinidad como se hizo anteriormente. Los caudales de agua se usaron para calcular la energía disponible en el punto 2, el extremo de salida 44 del tubo de subida 40. Después, se normalizó la energía disponible dividiendo la energía disponible por el caudal de agua dulce en el tubo de bajada. Los resultados se muestran en la tabla 4 a continuación.

TABLA 4

Producción de energía normalizada en función del diámetro del tubo de subida y de los caudales de agua dulce
\begin{minipage}[t]{23mm} Salinidad en el punto 2 (ppt)\end{minipage}	Flujo (x 0,0001 m^{3})	\begin{minipage}[t]{27mm} Superficie del tubo de bajada (m^{2})\end{minipage}	\begin{minipage}[t]{27mm} Relación entre la superficie del tubo de subida respecto a la superficie del tubo de bajada\end{minipage}	\begin{minipage}[t]{20mm} Energía / flujo de agua dulce (Vatios / m^{3})\end{minipage}
	Punto 1	Punto 4	Punto 2
31.8	22	259	281	0,000254	69,7	1312
32.6	18	309	327	0,000071	249	2715
33.4	5,2	158	163	0,000018	983	1256
31.4	33	334	367	0,000254	69,7	1877
32.6	26	446	472	0,000071	249	5664
33,3	7,6	211	218	0,000018	983	2047
35,0	5	168	173	0,000010	1770	1559

En todos los casos, la energía por unidad de volumen de agua dulce introducida dentro de un tubo de bajada 20 de un diámetro dado aumentaba a medida que se incrementaba el caudal de agua dulce a través del tubo de bajada 20. Así, para el tubo de bajada 20 con un área de 0,000254 m^{2}, la energía por metro cúbico de flujo de agua dulce aumentaba de 1312 W / m^{3} con un caudal de agua dulce de 22 x 10^{-4} m^{3} hasta 1877 W / m^{3} con un caudal de agua dulce de 33 x 10^{-4} m^{3}. La misma tendencia se mantenía para los tubos de bajada teniendo unas áreas de 0,000071 y 0,000018 m^{2}. Así, los datos ilustran que aumentando el caudal de agua dulce en un tubo de bajada 20 que tenga un área dada se incrementaba la salida de energía disponible del dispositivo.

En segundo lugar, aunque la energía por unidad de volumen de agua dulce introducida en el tubo de bajada 20 aumentaba con el volumen aumentado de agua dulce introducida dentro del tubo de bajada 20 en todos los casos, el incremento porcentual en la energía con el incremento en el caudal de agua dulce era menor para el tubo de bajada más grande 20 (0,000254 m^{2} de área) que para otros tubos de bajada 20. Cuando se aumentaba el caudal de agua dulce de 22 x 10^{-4} m^{3} a 33 x 10^{-4} m^{3}, o en un 50%, con el tubo de bajada más grande 20, la proporción de energía / caudal de agua dulce aumentaba de 1312 W / m^{3} a 1877 W / m^{3}, o en un 40%. Por medio de comparación, cuando se aumentaba el caudal de agua dulce para el tubo de bajada 20 con un área de 0,000018 m^{2} de 5,2 a 7,6 x 10^{-4} m^{3}, o en un 46%, la proporción de energía / caudal de agua dulce aumentaba de 1256 W / m^{3} a 2047 w / m^{3}, o en un 62%, más de 1,5 veces tanto como para un cambio en el porcentaje comparable en el caudal de agua dulce con el tubo de bajada más grande 20.

De manera similar, cuando el caudal de agua dulce para el tubo de bajada 20 con un área de 0,000071 m^{3} aumentaba de 18 a 26 x 10^{-4} m^{3}, o en un 44%, la proporción de energía / caudal de agua dulce aumentaba de 2715 W / m^{3} a 5664 W / m^{3} o en un 108%, más de 2,5 veces tanto como para el tubo de bajada más grande 20. La eficiencia de la producción de energía disminuía con el tubo de bajada de diámetro más grande 20.

Estos resultados se muestran de manera gráfica en la figura 3. Los gráficos representados en la misma parecen mostrar que existe una proporción óptima (aproximadamente 250:1) del área del tubo de subida 40 con relación al área del tubo de bajada 20 que maximiza la producción de energía normalizada. A proporciones superiores o inferiores a 250, la energía normalizada por unidad de volumen de agua dulce disminuye.

Aunque una proporción del área del tubo de subida 40 relativa al área del tubo de bajada 20 de aproximadamente 250 parece ser la óptima, la proporción puede oscilar desde aproximadamente 5 hasta 50.000, de manera preferible, desde 50 hasta 2000.

Los ejemplos y discusiones anteriores ilustran que un aparato de corriente surgente adecuadamente construido como se ilustra en la figura 2 tiene el potencial de generar energía útil mediante la mezcla de líquidos acuosos que tienen diferentes potenciales osmóticos. El aparato experimental sencillo ilustrado en la figura 2 genera 0,98 vatios con un flujo de agua dulce de 2,4 x 10^{-4} metros cúbicos por segundo. Esto es equivalente a 4 kilovatios por metro cúbico de agua dulce por segundo, indicando una eficiencia de aproximadamente 0,15%. La eficiencia y la capacidad reales de una instalación para la producción de energía a escala comercial dependerán de varios factores, incluyendo el tamaño del tubo de subida, de la proporción entre el área de flujo del tubo de bajada de agua dulce 20 respecto al área de flujo del tubo de subida 40, y el caudal de agua dulce. Aquéllos que sean expertos en la técnica reconocerán que el aparato experimental descubierto y tratado anteriormente en el presente documento puede modificarse y puede mejorarse de otras maneras obvias para conseguir incluso la producción mayor de energía y/o eficacia de funcionamiento.

La restante discusión detallada y las correspondientes figuras ilustran las varias posibles realizaciones de un generador hidrocrático comercial que utiliza los principios tratados anteriormente y que tiene las ventajas y las características de acuerdo con la presente invención. Aunque las distintas realizaciones del aparato ilustrado y descrito en este documento varían algo en el diseño y en el funcionamiento, ciertas características y ventajas comunes serán rápidamente aparentes y por este motivo, no se repetirán las descripciones de las mismas.

La figura 4 es una ilustración esquemática sencilla de una posible realización de un generador hidrocrático 100 que utiliza los principios tratados anteriormente y que tiene las características y las ventajas de acuerdo con la presente invención. El dispositivo 100 generalmente comprende un tubo de bajada 20, un tubo de subida 40, y un generador de una central productora de energía 60. El dispositivo particular ilustrado en la figura 4 se puede adaptar ya sea para aplicaciones de agua profunda a gran escala o para instalaciones para generar de energía a pequeña escala o a escala intermedia en aguas costeras poco profundas, según se desee. Por ejemplo, la profundidad del agua ilustrada en la figura 4 puede ser de 10 a 50 metros o más, con el tubo de subida 40 teniendo un diámetro de 1,5 metros.

En una realización preferida, el agua dulce se introduce en el tubo de bajada 20 en con el fin de dar energía al dispositivo. El término "agua dulce" tal como se usa en este documento, será interpretado en un sentido amplio como el agua que tiene un potencial osmótico relativo respecto al agua del mar. Así, puede usarse para describir el flujo de entrada la descarga de un río, la escorrentía de una montaña, una descarga de aguas residuales tratadas, un iceberg derritiéndose o incluso el caudal proveniente de un sistema de drenaje de lluvia de una ciudad.

El flujo de entrada de agua dulce se puede conducir a través del tubo de bajada 20 aplicando presión en el extremo de la toma de entrada 22 del tubo de bajada 20. La presión puede ser proporcionada por medio de una estación de bombeo o con una carga hidrostática resultante de un depósito de fluido situado a una altura más alta. La presión aplicada en el extremo de la toma de entrada 22 del tubo de bajada 20 necesita ser solamente lo suficiente alta como para superar la carga hidrostática en el extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20.

Se ha descubierto que, cuando el agua dulce se introduce en el tubo de bajada 20, el agua del mar fluye dentro del tubo de subida 40, provocando la corriente surgente en el tubo de subida 40, que se puede usar para generar energía con el generador de energía 60. Parte de este efecto de corriente surgente es debido a la flotación incrementada del agua mezclada en el tubo de subida 20, porque el agua dulce tiene una densidad más baja que el agua de mar. Sin embargo, se observa que se esperaría de este fenómeno solamente mucho más corriente surgente del agua del mar. Se cree que el aparato y el procedimiento pueden aprovechar la energía disponible a partir de diferentes potenciales osmóticos de agua dulce y de agua marina. La cantidad de corriente surgente y la cantidad de energía que se genera en el dispositivo dependen en parte de las dimensiones particulares del tubo de subida 40 y del tubo de bajada 20 y del caudal de agua dulce en el tubo de bajada 20.

Como se muestra en la figura 4, el tubo de bajada 20 tiene un extremo de toma de entrada 22 y un extremo de toma de salida 24. El extremo de toma de entrada está conectado a una fuente 25 de agua relativamente dulce. Por ejemplo, esta fuente de agua dulce 25 puede comprender un depósito, una bomba u otra fuente, según se desee o se crea oportuno. El extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20 está abierto de forma que el agua dulce se descarga a través del extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20 dentro del tubo de subida 40. En realizaciones alternativas, el extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20 se puede conectar a una cámara de mezclado intermedia (no mostrada) que después descarga dentro del tubo de subida 40.

Aunque el tubo de bajada 20 puede ser de cualquiera entre una variedad de diámetros, un criterio es elegir un diámetro para el tubo de bajada 20 que minimice la resistencia al flujo del fluido a través del tubo de bajada 20. La resistencia al flujo a través de un tubo disminuye a medida que aumenta el diámetro del tubo. Eligiendo un diámetro grande para el tubo de bajada 20 se minimiza por lo tanto la resistencia del tubo para un caudal dado.

Otro criterio para elegir el diámetro del tubo de bajada 20 es maximizar la cantidad y la eficiencia de la energía generada por el generador de energía 60. Cuando el diámetro del tubo de bajada 20 sobrepasa un cierto valor con relación al tubo de subida 40, se ha descubierto que la eficiencia de la generación de energía disminuye a medida que el diámetro del tubo de bajada 20 aumenta. Hay por lo tanto un valor óptimo en la proporción del diámetro del tubo de bajada 20 con relación al diámetro del tubo de subida 40, y por lo tanto, en la proporción del área del tubo de bajada 20 con respecto al área del tubo de subida 40, con el fin de maximizar la eficiencia en la generación de energía. Cuando la proporción del área del tubo de bajada 20 respecto a la del tubo de subida 40 aumenta más allá del valor óptimo, el aumento en la eficiencia de la generación de energía con el flujo de agua dulce incrementado en el tubo de bajada 20 es menor que con un tubo de bajada 20 que tenga un área más pequeña con relación al área del tubo de subida 40. La elección del diámetro del tubo de bajada 20 para maximizar la producción de energía implica por lo tanto transacciones para elegir el mayor diámetro posible sin perder eficiencia de energía.

En la realización del aparato mostrada en la figura 4, el extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20 está situado dentro del tubo de subida 40. En esta realización, el extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20 esta orientado de manera preferible para que el extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20 apunte hacia arriba.

El tubo de subida 40 tiene un extremo inferior 42 y un extremo de toma de entrada 44. En la realización de la figura 4, el extremo inferior 42 y el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40 están abiertos. En otras realizaciones, el extremo inferior 42 del tubo de subida 40 puede contener paletas u otros medios para dirigir el flujo de agua. Algunas de estas realizaciones alternativas del tubo de subida 40 se ilustran en otras figuras en este documento.

Aunque los diámetros del extremo inferior 42 y del extremo de la toma de salida 44 de la realización del tubo de subida 40 mostrado en la figura 4 son iguales, el extremo inferior 42 y el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40 pueden tener diámetros diferentes en otras realizaciones. Por ejemplo, el tubo de subida puede ser taponado positiva o negativamente para formar una boquilla o un difusor. De manera alternativa, el tubo de subida 40 puede tener una parte de estrechada para formar un flujo acelerado a su través.

En la realización de la figura 4, el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40 se une a un sistema de flotación para situar el tubo de subida 40 a una profundidad predeterminada. Se puede usar también otro medio para situar el tubo de subida 40 a una profundidad predeterminada en lugar del sistema de flotación, y la invención no se limita a la realización mostrada en la figura 4. El sistema de flotación mostrado en la figura 4 comprende uno o más flotadores 48 y uno o más cables de soporte 50. El flotador 48 puede estar formado de Styrofoam, o puede comprender una pluralidad de bolsas de aire individuales, tambores, o cualquier otro material adecuado capaz de producir la flotación.

En algunas de las realizaciones, el extremo inferior 42 del tubo de subida 40 se une a los cables de amarre 52. Los cables de amarre 52 extienden desde el extremo inferior 42 del tubo de subida 40 a las anclas 56 fijas en el fondo del mar. Los cables de amarre 52 y las anclas 56 retienen el tubo de subida 40 en una localización predeterminada sobre el suelo marino. La fuerza de elevación del flotador 48 transmitida a través de los cables de soporte 50 retiene el tubo de subida 40 en una orientación vertical predeterminada deseada.

En la realización mostrada en la figura 4, el tubo de bajada 20 es unido a los cables de amarre 52 que se extienden hasta las anclas 56 en el fondo del océano. Los cables de amarre 52 y las anclas 56 sujetan el tubo de bajada 20 en su lugar. El tubo de bajada 20 se dispone para que descargue el agua dulce dentro del tubo de subida 40.

Así como el elegir un diámetro óptimo para el tubo de bajada 20 implica la transacción, la elección del diámetro del tubo de subida 40 también implica la optimización. El incremento en el diámetro del tubo de subida 40 aumenta la cantidad de corriente surgente en el tubo de subida 40 y por lo tanto aumenta la producción de energía. Sin embargo, el aumento en el diámetro del tubo de subida 40 incrementa tanto el tamaño como el coste del aparato. Además, aumentando el área del tubo de subida 40 se permite el uso de un tubo de bajada 20 con un área mayor sin la pérdida de eficiencia en la generación de energía. La proporción entre el área del tubo de bajada 20 respecto del área del tubo de subida 40 es por lo tanto el parámetro que se debe optimizar en lugar del diámetro del tubo de subida 40 o del tubo de bajada 20 solamente. Los diámetros óptimos para el tubo de subida 40 y para el tubo de bajada 20 son interdependientes entre sí, porque la proporción entre las áreas de los dos tubos es un parámetro más importante que el área en la optimización de la producción de energía, y por lo tanto, más importante que el diámetro del tubo de subida 40 o del tubo de bajada 20 solamente.

De manera ventajosa, el tubo de bajada 20 y el tubo de subida 40 no están sometidos a presiones excesivamente altas. En la realización mostrada en la figura 4, el tubo de subida 40 contiene el agua de mar que entra desde el extremo inferior 42 del tubo de subida 40 y el agua dulce que salen del extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20. Como el tubo de subida 40 funciona a bajas presiones, el tubo de subida 40 puede construirse de materiales relativamente baratos y ligeros tales como plástico, PVC, hormigón ligero, y similares.

Aunque el tubo de bajada 20 está sometido a presiones más altas que el tubo de subida 40, las presiones en el tubo de bajada 20 son típicamente pequeñas. Así, los materiales baratos pueden usarse por lo tanto generalmente tanto para el tubo de subida 40 como para el tubo de bajada 20. Materiales adecuados para construir el tubo de bajada 20 y el tubo de subida 40 incluyen, pero no se limitan a, cloruro de polivinilo (PVC), fibra de vidrio, polietileno (PE), polipropileno (PP), hormigón, gunita, y similares. De manera alternativa, también pueden usarse otros materiales tales como el acero inoxidable o el titanio. Como el tubo de subida 20 y el tubo de bajada 40 generalmente están expuestos al agua de una salinidad relativamente alta, es preferible formar el tubo de bajada 20 y el tubo de subida 40 a partir de materiales que sean resistentes a la corrosión del agua salada. Aunque los materiales listados anteriormente son, en general, resistentes a la corrosión, las mismas aleaciones de acero inoxidable no son adecuadas para su uso generalizado en el agua salada. Si se elige el acero inoxidable como un material de construcción, es preferible seleccionar una aleación de acero inoxidable que sea resistente a la corrosión por el agua salada.

El extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40 se puede extender a o por encima de la superficie del mar o se puede situar a cualquier profundidad bajo la superficie del mar. En una realización, el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40 está situada en la zona fótica para traer agua del fondo del mar rica en nutrientes a la zona fótica para mejorar el crecimiento de los organismos en la zona fótica a través del cultivo de organismos marinos.

La longitud del tubo de subida 40 puede variar, dependiendo de una variedad de factores. La longitud del tubo de subida es preferiblemente suficiente para permitir una mezcla completa del agua dulce con el agua salada, pero no tan largo como para provocar el arrastre innecesario en el flujo de agua. La longitud óptima se determinará como aquélla que permita un caudal máximo de salida y una producción de energía para un intervalo dado de caudales de agua dulce. La longitud del tubo de subida 40 también puede elegirse en base a un deseo de proporcionar el cultivo de organismos marinos, la promoción del crecimiento de organismos en el mar mediante la transferencia de nutrientes desde las profundidades ricas en nutrientes hasta el agua pobre en nutrientes a profundidades menores. Si se practica el cultivo de organismos marinos, el extremo inferior 42 del tubo de subida 40 está localizado preferiblemente a una profundidad marina donde hayan grandes concentraciones de nutrientes disponibles, y el extremo de salida 44 del tubo de subida 40 está situado de manera preferible en la zona fótica. En esta realización, el tubo de subida 40 lleva el agua rica en nutrientes desde las profundidades del extremo inferior 42 del tubo de subida 40 al extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40 en la zona fótica en la que están disponibles pocos nutrientes, mejorando de esta forma el crecimiento de los organismos en la zona fótica. La longitud del tubo de bajada 20 es relativamente insignificante, con tal de que sea de una longitud lo bastante suficiente para entregar el agua dulce en el tubo de subida.

El generador de energía 60 genera electricidad a partir del flujo de agua dentro del tubo de subida 40. La figura 4 muestra una forma simplificada de un generador de energía 60 adecuado para su uso con la presente invención. El generador de energía 60 comprende una o más turbinas o hélices 62 conectadas a un eje 64. En una realización preferida, existe una pluralidad de hélices 62 conectadas al eje 64. El eje 64 está conectado a un generador eléctrico 66. Cuando el agua emerge en el tubo de subida 40, el agua de la corriente surgente gira las hélices 62, que a su vez giran el eje 64. El eje giratorio 64 excita el generador eléctrico 66, generando de esta forma energía.

De manera preferible, se proporcionan uno o más soportes de eje 68 para soportar el eje 64 para minimizar el movimiento tambaleante del eje 64 mientras que el agua de corriente surgente gira una o más hélices 62 conectadas al eje 64. En una realización preferida, una pluralidad de soportes de eje 68 se mecanizan al eje 64 para soportar el eje 64 para minimizar el movimiento tambaleante. En la realización mostrada en la figura 4, se presentan tres soportes de eje 68 para soportar el eje 64, un soporte de eje inferior 68, un soporte de eje intermedio 68, y un soporte de eje superior 68. En la figura 7C se dan detalles adicionales sobre los soportes de eje 68, descritos más adelante.

Las hélices 62 en el eje 64 pueden estar dentro del tubo de subida 40, por encima del extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40, o tanto dentro del tubo de subida 40 como por encima del extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40. Las hélices 62 sobre el eje 64 pueden estar situadas por encima del soporte intermedio del eje 68, por debajo del soporte intermedio del eje 68, o tanto por encima y por debajo del soporte intermedio del eje 68. En la realización de la figura 4, las hélices 62 están situadas dentro del tubo de subida 40 por debajo del soporte intermedio del eje 68. De manera similar, el generador eléctrico 66 puede estar situado de manera conveniente por encima o por debajo de la superficie del agua en la que se sitúa el tubo de subida 40. En la realización mostrada en la figura 4, el generador eléctrico 66 está situado por encima de la superficie del agua con el fin de minimizar el coste de mantenimiento.

La figura 5 muestra una realización alternativa de un generador de energía 60. En este caso, el generador de energía 60 comprende hélices 62 unidas al eje 64 tanto por encima como por debajo del soporte intermedio del eje 68. El eje 64 está conectado al generador eléctrico 66 que genera energía eléctrica cuando el eje 64 gira debido al flujo de agua en el tubo de subida 40. De nuevo, el generador eléctrico 66 de la figura 5 está situado por encima de la superficie del agua. En realizaciones alternativas, el generador eléctrico 66 puede situarse debajo de la superficie del agua, si así se desea.

La figura 6 muestra una realización alternativa de un generador de energía 60 en la que uno o más ventiladores 70 están montados en el eje 64. Los soportes del eje 68 pueden proporcionarse de manera opcional para minimizar el movimiento tambaleante del eje 64. El ventilador o los ventiladores en espiral 70 pueden conectarse al eje 64 por encima del soporte intermedio del eje 68, por debajo del soporte intermedio del eje 68, o tanto por encima como por debajo del soporte intermedio del eje 68. Se pueden montar uno o más ventiladores en espiral 70 en el eje 64 sobre el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40. En una realización alternativa, uno o más ventiladores en espiral 70 se pueden montar tanto dentro del tubo de subida 40 como sobre el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40. En la realización de la figura 6, el ventilador en espiral 70 está unido al extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40.

El ventilador en espiral 70 comprende una pluralidad de paletas en espiral 72. El flujo del agua hasta el tubo de subida 40 hace contacto con la pluralidad de paletas en espiral 72, girando la paleta o paletas en espiral 70 montadas en el eje 64. El giro de uno o más de los ventiladores en espiral 70 hace girar el eje 64. El eje giratorio 64 excita el generador eléctrico 66, generando la energía eléctrica. De nuevo, el generador eléctrico 66 puede situarse convenientemente por encima o por debajo de la superficie del agua, según se desee.

En la realización del generador de energía 60 mostrada en la figura 6, las hélices 62 y uno ventilador en espiral 70 están montados sobre el eje 64. Las hélices 62 y el ventilador en espiral 70 pueden ser montados sobre el eje 64 en cualquier orden, por encima o por debajo o tanto por encima como por debajo del soporte intermedio del eje 68. Las hélices 62 y los ventiladores en espiral 70 también pueden montarse sobre el eje 64 dentro del tubo de subida 40 y/o por encima del extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40. En la figura 6, las hélices 62 están montadas sobre el eje 64 dentro del tubo de subida 40 por debajo del soporte intermedio del eje 68, y el ventilador en espiral 70 está montado en el extremo de la toma de salida 44 del tubo de subida 40. El generador eléctrico 66 está situado por encima del agua.

La figura 7A muestra una realización alternativa adicional del tubo de subida 40 en la que el extremo inferior 42 del tubo de subida 40 está cerrado. El tubo de bajada 20 pasa a través del extremo inferior 42 cerrado del tubo de subida 40. Aunque la figura 7A muestra que el tubo de bajada 20 está unido a uno o más cables de amarre 52 que están unidos a anclas 56 sobre el suelo oceánico, el tubo de bajada 20 también ser soportado por el extremo inferior cerrado 42 del tubo de subida 40. El extremo inferior 42 cerrado del tubo de subida 40 de la figura 7A ayuda a mantener el tubo de bajada 20 en posición sin necesidad de cables de amarre 52 y de anclas 56.

El tubo de subida 40 de la realización de la figura 7A comprende una pluralidad de ranuras 76, como se muestra en la figura 7B. La pluralidad de ranuras 76 está abierta al mar circundante y permite que el agua de mar entre al tubo de subida 40. Uno o más soportes de eje 68 se conectan al tubo de subida 40. Una posible realización de un soporte de eje adecuado 68 se muestra en la figura 7C. El soporte del eje 68 comprende uno o más miembros en cruz hidrodinámicos 78 y un cojinete 80. Los miembros en cruz 78 están unidos al tubo de subida 40 en un primer extremo, y al cojinete 80 en un segundo extremo, suspendiendo de esta forma el cojinete 80 dentro del tubo de subida 40. El cojinete 80 puede tener una variedad de diseños tales como bolas de cojinetes, cojinetes de compresión, y similares. Los miembros en cruz 78 tienen una forma preferiblemente hidrodinámica para ralentizar el flujo de agua en el tubo de subida 40. El soporte del eje 68 soporta al eje 64, minimizando así el movimiento tambaleante del eje 64 cuando el eje 64 gira.

El generador de energía 60 de la realización mostrada en la figura 7A comprende un tambor de paletas 90 dentro del tubo de subida 40. El tambor de paletas 90 comprende una pluralidad de anillos 92 conectados por una pluralidad de paletas 94 curvadas. La figura 70 muestra una vista en sección del tambor de paletas 90. Cada paleta 94 curvada está unida por un primer borde 96 a cada uno de la pluralidad de anillos 92. Las paletas 94 curvadas están unidas a la pluralidad de anillos 92 de una manera tal que las paletas curvadas 94 formen una curva helicoidal cuando se mire desde el lateral, como se muestra en la figura 7A. La forma curvada helicoidal de las paletas curvadas 94 mejora la eficiencia de la transferencia de energía desde el flujo de agua a través de las ranuras 76 sobre el tubo de subida 40 en comparación con la eficiencia de las paletas curvadas 94 que no están orientadas con una curva helicoidal. La figura 70 muestra las paletas curvadas 94 unidas al anillo 92 desde arriba como se ilustra en la figura 7A. La figura 7D también muestra la superficie curvada preferida de las paletas curvadas 94 así como la orientación helicoidal de las paletas curvadas 94 vistas desde arriba.

En una realización preferida, el tambor de las paletas 90 está unido al eje 64. Cuando el agua de mar es arrastrada dentro del tubo de subida 40 a través de las ranuras 76, el agua entrante hace contacto con las paletas curvadas 94, girando el tambor de las paletas 90, que a su vez gira el eje 64. El árbol giratorio 64 gira el generador eléctrico 66, generando energía a partir del agua de corriente surgente que entra al tubo de subida 40.

La figura 8A ilustra una realización alternativa adicional del generador de energía 60 comprendiendo dos tambores de paletas 90, un primer tambor de paletas 90 por debajo del soporte Intermedio del eje 68 y un segundo tambor de paletas 90 por encima del soporte intermedio del eje 68. En una realización preferida, tanto el primer tambor de paletas 90 como el segundo tambor de paletas 90 están unidos al eje 64 de forma que el eje 64 gira cuando el tambor de paletas 90 gire debido al flujo de agua a través de las ranuras 76 dentro del tubo de subida 40. El eje 64 giratorio 64 hace girar el eje del generador eléctrico 66, generando energía eléctrica.

En la realización del tubo de subida 40 mostrado en la figura 8B, hay de manera preferible dos conjuntos de ranuras 76 en el tubo de subida 40 y dos tambores de paletas 90. En otra realización, hay dos tambores de paletas 90 como en la realización mostrada en la figura 8A, pero el tubo de subida 40 sólo comprende un único conjunto de ranuras 76 en el tubo de subida 40, como en la realización del tubo de subida 40 mostrada la figura 7B.

La figura 9A muestra una realización alternativa del tubo de bajada 20 en la que una pluralidad de agujeros 110 están presentes en el lado del tubo de bajada 20. La figura 9B muestra una vista del extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20 de la figura 9A. El extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20 de la figura 9A se sella excepto en un único agujero 110. En realizaciones alternativas, se puede proporcionar una pluralidad de agujeros 110 en el extremo de la toma de salida 24 del tubo de bajada 20. El agua dulce que fluye a través del tubo de bajada 20 de la figura 9A fluye fuera por la pluralidad de agujeros 110 y dentro del tubo de subida 40. Aunque la realización del aparato mostrado en la figura 9A muestra la el tubo de bajada alternativo 20 con la realización del tubo de subida 40 de las figuras 4 a la 6 con un extremo inferior abierto 42, el tubo de bajada 20 de la figura 9A también puede usarse con la realización del tubo de subida 40 como se muestra en las figuras 7A u 8A con un extremo inferior 42 cerrado.

Las figuras 10A y 10B muestran otra realización del tubo de bajada 20 en la que el tubo de bajada 20 se separa en una pluralidad de tubos de bajada secundarios 120. En la realización mostrada en la Figura 10A, hay una pluralidad de agujeros 110 en los tubos de bajada secundarios 120, similares a la realización del tubo de bajada 20 mostrado en la figura 9A. La figura 10B muestra una vista en sección del tubo de bajada 20 de la realización de la figura 10A desde abajo. En la realización mostrada en la figura 10B, el extremo de la toma de salida 24 de cada uno de los cinco tubos secundarios 120 está cerrado salvo por un solo agujero 110. En la realización del tubo de bajada 20 de las figuras 10A y 10B, el agua dulce que se introduce dentro del tubo de bajada 20 sale por los agujeros 110 para entrar al tubo de subida 40.

En otras realizaciones, el tubo de bajada 20 puede dividirse en una pluralidad de tubos de bajada secundarios 120, como en la realización del tubo de bajada 20 de la figura 10A, pero no hay agujeros 110 en los tubos de bajada secundarios 120, y los extremos de tomas de salida 24 de los tubos de bajada secundarios 120 están abiertos. En esta realización del tubo de bajada 20 (no mostrada), el agua dulce que se introduce en el tubo de bajada 20 sale por los extremos de las tomas de salida abiertas 24 de los tubos de bajada secundarios 120 para entrar en el tubo de subida 40.

La figura 11 muestra una realización alternativa del tubo de bajada 20 en la que el tubo de bajada se separa en una pluralidad de tubos de bajada secundarios 120. En la realización mostrada en la figura 11, el tubo de bajada 20 se separa en una pluralidad de tubos de bajada secundarios 120 fuera del tubo de subida 40. En la realización mostrada en la figura 11, no hay ningún agujero en los tubos de bajada secundarios 120, como en las realizaciones mostradas en las figuras 9A y 10A. En otras realizaciones, hay una pluralidad de agujeros 110 en los tubos de bajada secundarios 120.

Aunque la realización del aparato mostrado en la figura 11 muestra el tubo de bajada alternativo 20 con la realización del tubo de subida 40 de las figuras 4 a la 6 con un extremo inferior abierto 42, el tubo de bajada alternativo 20 de la figura 11 también puede usarse con la realización del tubo de subida 40 como se muestra en las figuras 7A u 8A con extremo inferior cerrado 42.

La figura 12 muestra otra realización del tubo de bajada 20 en la que el tubo de bajada 20 termina en un buje 122. El buje 122 forma una tapa en el tubo de bajada 20 y gira libremente sobre el tubo de bajada 20. Una pluralidad de tomas de salida de galga 124 están conectadas de manera fluida al buje 122. La pluralidad de tomas de salida de galga 124 que surgen emergen aproximadamente en ángulo recto desde el buje 124 y después se doblan en un segundo ángulo antes de terminar en una descarga de galga 126. La descarga de galga 126 puede tener un extremo abierto o un extremo parcialmente cerrado donde descarga el agua proveniente del tubo de bajada 20. La realización del tubo de bajada 20 mostrada en la figura 12 es similar a aspersor giratorio de césped. El buje 122 está unido al eje 64 que a su vez está conectado al generador eléctrico 66. En la realización mostrada en la figura 12, no hay ningún tubo de subida 40.

Cuando el agua dulce fluye a través del tubo de bajada 20 y se descarga fuera de las tomas de salida de galga 124, el buje 122, el eje 64, y el generador eléctrico 66 giran, generando energía eléctrica. En la realización mostrada en la figura 12, la energía generada por el generador eléctrico 66 proviene casi exclusivamente de la energía cinética del agua que emerge de la pluralidad de descargas de galga 126, ya que no hay ningún tubo de subida 40 o ningún medio de generación de energía a partir de la energía hidrocrática generada de la mezcla del agua dulce del tubo de bajada 20 con el agua de alta salinidad.

La figura 13 muestra otra realización del tubo de bajada 20 similar a la realización de la figura 12, con un buje 122, una pluralidad de tomas de salida de galga 124, y una pluralidad de descargas de galga 126 en los extremos de las tomas de salida de galga 124. La realización de la figura 13 se diferencia de la realización de la figura 12 en que las descargas de galga 126 descargan el agua dulce del tubo de bajada 20 dentro de un tubo de subida 40 con un extremo inferior abierto 42 y una pluralidad de hélices 62 conectadas al eje 64. El agua dulce que sale por las descargas de galga 126 dentro del tubo de subida 40 provoca la corriente surgente en el tubo de subida 40, haciendo girar las hélices que a su vez giran el eje 64. El eje 64 excita un generador eléctrico 66 (no mostrado), que genera la energía eléctrica.

En la realización del aparato mostrada en la figura 13, se hace girar al eje 64 tanto mediante la descarga de agua proveniente de las descargas de galga 126 girando el buje 122 como mediante la corriente surgente en el tubo de subida 40 girando las hélices 62, que a su vez hacen girar al eje 64. La energía generada en la realización del aparato mostrada en la figura 13 es por lo tanto una combinación de energía cinética proveniente del giro del buje 122, del eje 64, y del generador eléctrico (no mostrado) proveniente del agua dulce impulsada desde las descargas de galga 126 y de la energía hidrocrática generada a partir de la corriente surgente en el tubo de subida 40 a partir de la mezcla del agua dulce proveniente de las descargas de galga 126 mezclada con el agua de alta salinidad que entra al tubo de subida 40 desde el extremo inferior 42.

La figura 14 ilustra otra realización del tubo de subida 40 en la que hay una pluralidad de tubos de subida anidados 40 que tienen diámetros crecientes. El extremo inferior 42 de cada una de la pluralidad de tubos de subida anidados 40 está abierto. El agua dulce se introduce en el tubo de bajada 20 causando la corriente surgente en la pluralidad de tubos de subida 40 cuando el agua de alta salinidad entra en los extremos inferiores abiertos 42 de los tubos de subida anidados 40.

Cualquiera de las realizaciones de los generadores de energía 60 se pueden combinar con la realización de tubos de subida anidados 40 de la figura 14. Por ejemplo, en una realización, las hélices 62 de las figuras 4 y 5, pueden usarse como un generador de energía 60 en combinación con los tubos de subida anidados 40 de la figura 14. En otra realización, el generador de energía 60 puede comprender uno o más ventiladores en espiral 70, como se muestra en la figura 6.

La figura 15 muestra otra realización del tubo de subida 40 y del generador de energía 60. En la realización de la figura 15, una pluralidad de turbinas 130 están montadas sobre un eje 64 interespaciadas entre una pluralidad de estatores 132. Los estatores 132 dirigen el flujo de agua dentro de las paletas de la turbina de las turbinas 130 para aumentar la eficiencia de la misma. El eje 64 se conecta a un generador eléctrico 66 (no mostrado). Cuando el agua de corriente surgente en el tubo de subida 40, el agua de corriente surgente hace girar a las turbinas 130, que a su vez hacen girar el eje 64 y el generador eléctrico 66, generando energía.

En la realización mostrada en la figura 15, la parte del tubo de subida 40 que rodea las turbinas 130 y los estatores 132 comprende una boquilla 134 y un expansor 136. La boquilla 134 reduce el diámetro del tubo de subida 40 en la parte del tubo de subida 40 alrededor de las turbinas 130 y de los estatores 132 del diámetro del resto del tubo de subida 40. Reduciendo el diámetro del tubo de subida 40 con la boquilla 134 en la parte del tubo de subida 40 que rodea las turbinas 130, se fuerza al agua de corriente surgente dentro de un área más pequeña y es acelerada a un caudal de agua de mayor velocidad que puede ser aprovechada de manera más eficaz por medio de las turbinas 130. También pueden usarse boquillas 134 y estatores 132 con otras realizaciones del generador de energía 60 ilustrado en el presente documento.

La figura 16 es una ilustración esquemática de una posible realización comercial a gran escala de un generador hidrocrático que tiene las características y las ventajas de la presente invención. Mientras que no se muestra una escala particular, aquéllos que sean expertos en la técnica reconocerán que el dispositivo 200 es ventajosamente adecuado para su uso en aguas profundas a gran escala 100 a 500 metros o más bajo el nivel del mar. El tubo de subida 240 se extiende hacia arriba y termina en cualquier punto conveniente bajo el nivel del mar. El diámetro del tubo de subida puede ser de 3 a 20 metros o más, dependiendo de la capacidad deseada del generador hidrocrático 200. Este diseño particular es preferiblemente adaptado para minimizar el impacto medioambiental y, por lo tanto, no resulta en la corriente surgente del agua rica en nutrientes de las profundidades del océano.

El agua de mar es admitida dentro del dispositivo proveniente de un tubo de toma de entrada elevada 215 a través de una pantalla o rejilla de filtro 245. El filtro retira los seres vivos del mar y/o otros objetos no deseados o detritus que de otro modo podrían afectar de manera adversa en el funcionamiento del generador 200 o podrían producir lesiones a la población de vida marina local. Si se desea, el tubo de toma de entrada 215 puede estar aislado con el fin de minimizar la pérdida de calor de las aguas de la superficie sifonadas a agua más fría en o cerca de la profundidad completa del océano. De manera ventajosa, esto asegura que la temperatura y, por lo tanto, la densidad del agua de mar conducida dentro del generador 200 no está demasiado fría y densa para evitar o inhibir la corriente surgente en el tubo de subida 240.

El agua de mar se pasa a través de una central de energía con turbina hidrocrática 260 del tipo usado para generar energía hidráulica en una instalación típica hidroeléctrica. El montaje de la turbina y del generador se ilustra con más detalle en una vista en sección de la figura 16. El agua entra en la turbina 261 a través de una serie de rejillas 262, denominadas paleta directriz que están dispuestas en un anillo alrededor de la toma de entrada de la turbina. La cantidad de agua que entra en la turbina 261 puede regularse abriendo o cerrando las puertas de la paleta directriz 262 según se necesite. Esto permite a los operadores mantener el giro de la turbina a una velocidad constante incluso bajo cargas eléctricas y/o flujos hidráulicos ampliamente variables. El mantener la velocidad precisa es deseable ya que es la velocidad de giro la que determina la frecuencia de la electricidad producida.

Como se ilustra en la figura 16, la turbina se acopla a un generador eléctrico 266 por medio de un eje largo 264. El generador 266 comprende un "rotor" giratorio grande 267 y un "estator" 268 estacionario. El anillo exterior del rotor 267 está hecho de una serie de células de hierro bobinadas con cobre o "polos" cada una de las cuales actúa como un electroimán. El estator 268 está de manera similar compuesto de una serie de bobinas de cobre orientadas verticalmente colocadas en las ranuras de un núcleo de hierro. Mientras el rotor 267 gira, su campo magnético induce una corriente en los bobinados del estator generando por tanto la electricidad de corriente alterna (CA).

Con referencia de nuevo a la figura 16, el agua de mar se descarga desde la turbina en el tubo de subida 240. El agua dulce se introduce dentro de la base del tubo de subida 240 por medio del tubo de bajada 220. La mezcla de agua dulce con el agua de mar salada libera el potencial de energía hidrocrática u osmótica del agua dulce de acuerdo con los principios discutidos anteriormente, dando como resultado una caída concomitante de la presión (hasta 190 metros de carga hidrostática) a través de la turbina hidráulica 260. Esta caída de la presión junto con la corriente surgente del caudal de agua inducido a través del tubo de subida 240 permite la generación de una hidroenergía significativa para aplicaciones comerciales de producción de energía sin afectar de manera adversa a la cultura marina circundante.

Otras aplicaciones / realizaciones

En las realizaciones preferidas tratadas anteriormente, el tubo de subida 40 está situado en un cuerpo de agua de alta salinidad y un alto potencial osmótico negativo tal como un océano o un mar. El agua de alta salinidad y alto potencial osmótico negativo entra en el tubo de subida 40 en una proporción mayor de 8:1 de agua salada respecto al agua dulce, más preferiblemente 30:1 de agua salada respecto al agua dulce, y de manera más preferible de 34:1 o superior. La mezcla de agua dulce de bajo potencial osmótico negativo con el agua de mar de alto potencial osmótico negativo en el tubo de subida 40 provoca la corriente surgente y conduce el agua de mar dentro del tubo de subida 40 a través de las aberturas. El agua de la corriente surgente en el tubo de subida 40 gira las hélices 62, los ventiladores en espiral 70 o las turbinas 130, 261, que están conectados a un eje de movimiento 64, 264. El eje giratorio 64, 264 hace girar el generador eléctrico 66, 266, generando energía eléctrica a partir de la diferencia en el potencial osmótico entre el agua dulce introducida en el tubo de bajada 20 y el agua de alta salinidad que entra en el tubo de subida 40 a través de las aberturas en el tubo de subida 40.

Como el procedimiento depende de tener soluciones de potenciales osmóticos diferentes que salen del tubo de bajada 20 y entran en el tubo de subida 40, es preferible que la fuente de agua dulce que sale del tubo de bajada 20 y la fuente de agua de alta salinidad que entra en el tubo de subida 40 continúen teniendo potenciales osmóticos diferentes a lo largo del tiempo de forma que la generación de energía continúe durante un largo periodo de tiempo. Por ejemplo, si el cuerpo de agua de alta salinidad que rodea el tubo de subida 40 es pequeño, el agua dulce que sale del tubo de bajada 20 puede diluir el agua de alta salinidad después de salir del tubo de subida 40, reduciendo la diferencia en el potencial osmótico entre el agua dulce y el agua de alta salinidad. Reduciendo la diferencia en el potencial osmótico entre el agua dulce que sale del tubo de bajada 20 y el agua de alta salinidad que entra al tubo de subida 40 se reduce la cantidad disponible de energía. Por lo tanto es generalmente ventajoso que el cuerpo de agua de alta salinidad tenga un volumen grande. Por consiguiente, es una realización preferida el situar el tubo de subida 40 en un cuerpo grande de agua que tenga una alta salinidad tal como el océano o el Gran Lago de Sal.

De manera alternativa, se puede hacer funcionar a la invención entre cuerpos de agua salada que tengan una salinidad diferente o entre aguas a diferentes profundidades del mismo cuerpo de agua. Por ejemplo, se conoce que la salinidad y la temperatura del agua de mar varían con la profundidad y la situación. En las islas Hawaii, a una profundidad de 1000 metros, la temperatura del agua ambiente es aproximadamente 35ºF, con una salinidad de aproximadamente 34,6 ppt. La temperatura de la superficie es aproximadamente 80ºF con una salinidad de aproximadamente 35,5 ppt. De esta forma, existe un potencial de energía osmótica (aunque pequeño) entre las aguas de la superficie y las aguas a 100 metros de profundidad.

Mientras que la presente invención se describe en el contexto de la generación de energía mediante el contacto directo y la mezcla del agua dulce con el agua de mar en un aparato situado en el océano, se entenderá que el aparato y el procedimiento no se limitan a esta realización. Las técnicas y conceptos enseñados en este documento también son aplicables a una variedad de otras situaciones en las que estén disponibles soluciones acuosas que tengan diferentes potenciales osmóticos. Por ejemplo, en una realización, se pueden aplicar el aparato y el procedimiento a una salmuera concentrada de una central de desalinización mezclada con la salmuera menos concentrada en el agua de mar. En otra realización, pueden mezclarse un afluente de aguas residuales tratadas, un flujo de agua dulce con el agua de mar. Si se desea, una membrana osmótica o cámara de sobrepresión de intercambio de agua osmótico puede proporcionarse en el extremo de la toma de salida del tubo de bajada y/o en la toma de salida (parte alta) del tubo de subida con el fin de aumentar la eficiencia de la producción de energía. El aparato y el procedimiento pueden aplicarse de esta forma a una amplia gama de aplicaciones en que dos soluciones de potenciales osmóticos diferentes se encuentren disponibles.

Las distintas realizaciones de la invención descritas en el presente documento son solamente ejemplos. Como tales, estas realizaciones ejemplos no están destinadas a ser exhaustivas de todas las posibles maneras de llevar a cabo la invención o incluso las formas más económicas o eficientes en cuanto a coste de llevar a cabo la invención a escala comercial. Muchas de las realizaciones ejemplo tratadas en el presente documento se basan en pruebas experimentales de modelos a pequeña escala que encarnan ciertas características de la invención. Estos modelos y los resultados de prueba que se dan en este documento pueden o no pueden ser directamente pertinentes para una instalación para la producción de energía a gran escala utilizando la invención. Sin embargo, aquéllos que sean expertos en la técnica reconocerán fácilmente a partir de los ejemplos descritos y tratados en este documento la utilidad de la invención en términos de su amplio ámbito, y cómo puede ser utilizada de manera beneficiosa en una instalación para la producción comercial de energía para aprovechar de manera eficiente el potencial de energía osmótica entre el cauce de agua dulce y el agua del mar (u otros cuerpos convenientes de agua / solvente que tengan diferentes concentraciones de soluto).

De esta forma, aunque esta invención se ha descrito en el contexto de ciertas realizaciones preferidas y ejemplos, aquéllos que sean expertos en la técnica entenderán que la presente invención se extiende más allá de las encarnaciones específicamente descritas a otras realizaciones alternativas y/o usos de la invención y modificaciones obvias y equivalentes de la misma. De acuerdo con esto, se piensa que el ámbito de la presente invención descrita en este documento no debería limitarse a las realizaciones particulares descritas anteriormente, sino que deberían estar determinadas solamente por una lectura abierta de las reivindicaciones siguientes.

Claims

1. Un sistema para generar energía a partir de las diferencias en el potencial osmótico entre una fuente de agua de salinidad relativamente baja y una fuente de agua de salinidad relativamente alta, comprendiendo el sistema:

un primer tubo (20) que tiene un extremo (22) conectado a la fuente de agua de salinidad relativamente baja (25);

un segundo tubo (40) que tiene una toma de entrada (42) y una toma de salida (44) ambas dispuestas dentro y en comunicación fluida con la fuente de agua de salinidad relativamente alta;

el otro extremo (24) del primer tubo (20) estando colocado dentro del segundo tubo (40) en un punto inferior que la toma de salida (44), permitiendo que el agua del primer tubo (20) se mezcle con el agua del segundo tubo (40), y provocando una corriente surgente de agua dentro del segundo tubo (40);

una unidad de turbina (62, 64, 66) dispuesta para convertir la energía cinética del movimiento del agua del segundo tubo (40) en energía mecánica y/o eléctrica.

2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha unidad de turbina (62, 64, 66) comprende una pluralidad de hélices, un tambor de paletas, o un ventilador en espiral sobre un eje (64) y un generador eléctrico (66) acoplado a dicho eje para generar la energía eléctrica.

3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha unidad de turbina (66) convierte la energía cinética del movimiento de agua en un punto entre la toma de salida del segundo tubo (44) y el mencionado otro extremo (24) del primer tubo (20) dentro del segundo tubo (40).

4. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha unidad de turbina (62, 64, 66) convierte la energía cinética del movimiento de agua en un punto entre la toma de entrada (42) del segundo tubo (40) y el mencionado otro extremo del primer tubo (20) dentro del segundo tubo (40).

5. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el área de la sección transversal del primer tubo (20) es de 5 a 50.000, de manera preferible de 50 a 200, o más preferiblemente aproximadamente 250 veces menor que el área en sección transversal del segundo tubo (40).

6. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el segundo tubo (40) está anclado al suelo del mar en una posición sustancialmente vertical, con el mencionado otro extremo del primer tubo (20) situado para descargar agua dentro del extremo inferior del segundo tubo (40).

7. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 6 en el que la toma de entrada del segundo tubo (40) comprende una pluralidad de ranuras en la pared circular del segundo tubo (40) y la unidad de turbina incluye un tambor de paletas (90) dentro del segundo tubo (40), situado para ser controlado por medio del agua que entra en el segundo tubo a través de las ranuras.

8. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el mencionado otro extremo del primer tubo tiene una pluralidad de agujeros (110) para la descarga de agua.

9. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la toma de entrada del segundo tubo (215, 240) tiene una pantalla o rejilla de filtro (245) conectado a través de un primer brazo del segundo tubo a la unidad de la turbina (260) que está conectada a un segundo brazo del segundo tubo que incluye un tubo de subida (240), el mencionado otro extremo del primer tubo (220) estando conectado al extremo inferior del mencionado tubo de subida (240).

10. Un procedimiento para la generación de energía a partir de las diferencias en el potencial osmótico entre una fuente de agua de salinidad relativamente baja y una fuente de agua de salinidad relativamente alta comprendiendo los pasos de:

: inyectar un flujo de agua de baja salinidad dentro del extremo inferior de un tubo dispuesto esencialmente en vertical dentro de un cuerpo del agua de alta salinidad de forma que el agua de baja salinidad se mezcle dentro del agua de alta salinidad y provoque una corriente surgente de agua dentro del tubo;

: extraer la energía cinética del movimiento del agua con el tubo;

: convertir la mencionada energía extraída en energía mecánica y/o energía eléctrica.