ES2205582T3

ES2205582T3 - Convertidor de energia de las olas.

Info

Publication number: ES2205582T3
Application number: ES98958386T
Authority: ES
Inventors: William Dick
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2004-05-01
Anticipated expiration: 2018-12-03
Also published as: NZ505410A; EP1036274B1; AU749472B2; AU1444999A; US6392314B1; WO1999028623A1; NO20002794L; NO322768B1; EP1036274A1; DE69817608D1; PT1036274E; NO20002794D0

Abstract

Aparato de conversión de energía de las olas para el aprovechamiento de la energía procedente del movimiento de las olas (10, 11) sobre la superficie (5) de un cuerpo de líquido (4), caracterizado porque comprende por lo menos un elemento flotante de flotación variable (6) para sostener una masa sustancialmente constante de gas (7) en por lo menos una posición parcialmente sumergida en el cuerpo del líquido (4), de manera que cuando el volumen de la masa de gas sustancialmente constante (7) cambie con los cambios de presión en el elemento flotante 6 provocados por el movimiento de las olas (10, 11) sobre el cuerpo de líquido (4), resulte un cambio en la flotación del elemento de flotación variable (6); y medios de conversión (8) para convertir dicho cambio en la flotación del elemento flotante en un dispositivo de salida de energía.

Description

Convertidor de energía de las olas.

La invención se refiere a un convertidor de energía de las olas de absorción puntual que comprende en parte un dispositivo submarino, el cual obtiene energía de las variaciones en la flotación que provienen de los cambios de presión provocados por olas y/o a los cambios en el nivel de la superficie superior, y el cual reacciona, bien contra el fondo, o bien contra un segundo recipiente que flota en la superficie. El término "movimiento de ola", tal como se utiliza en la presente memoria, se refiere tanto a olas sobre una superficie de un líquido como a oleaje en un cuerpo de un líquido.

Antecedentes de la invención La búsqueda de fuentes económicas de energía renovable

La crisis del petróleo de principios de los setenta fue el impulso para la mayor parte del trabajo pionero sobre la conversión de energía de las olas. Una falta de soluciones prácticas o de perspectivas razonables de tecnologías eficientes y resistentes, más el declive de los precios del petróleo, condujeron a un desencanto general. La investigación continuó en algunos centros académicos y se ha avanzado mucho durante los últimos veinticinco años. Durante el mismo periodo, se ha conseguido un avance inconmensurable tanto en la comprensión teórica de las olas del mar, como en la experiencia técnica en la ingeniería marina relacionada, desde las plataformas petrolíferas y de gas situadas en alta mar. La creciente preocupación sobre el cambio climático global ha conducido a una sensación incrementada de urgencia en la búsqueda de fuentes de energía renovables comercialmente

\hbox{viables.}

El tamaño del recurso de la energía de las olas

El potencial teórico de la energía de las olas ha sido reconocido durante muchos años. Se ha estimado el tamaño de este recurso en 219 gigavatios a lo largo de las costas de la Unión Europea, o más de 180 teravatios por hora anualmente. La energía de las olas mar adentro de las costas de Irlanda y Escocia, donde el recurso en invierno es aproximadamente el doble que durante los meses de verano, encabeza los niveles más elevados por kilómetro del mundo.

La energía de las olas se pierde por la fricción con el fondo del mar a medida que el éste va teniendo una menor profundidad (una profundidad del agua de la mitad de la longitud de la ola o menor). Este hecho es más pronunciado en lugares en los que las longitudes de las olas tienden a ser largas, como en el caso de las costas del noroeste de Europa.

El desarrollo de los convertidores de energía de las olas

La investigación y el desarrollo de convertidores de energía de las olas (WECs) durante los últimos veinticinco años, más el conocimiento y la experiencia práctica obtenida de las plataformas petrolíferas y de gas en alta mar, han alcanzado una etapa en la que se han desarrollado convertidores de energía de las olas resistentes y efectivos, con capacidades instaladas de un megavatio y mayores.

El recurso de la energía de las olas se podría dividir en tres amplias categorías basadas en el lugar donde se reconvierte la energía de las olas:

1.: en el mar abierto, es decir en alta mar

2.: en o cerca de la línea de la costa, es decir en aguas costeras

3.: fuera del área normal en la que rompen las olas, pero no en el océano, es decir cerca de la costa.

Existe una cuarta categoría, que generalmente no se considera en el contexto de los convertidores de energía de las olas, pero que podría ser relevante para la presente invención: se trata de las olas o las oscilaciones en un líquido contenido en recipientes y depósitos.

La gran cantidad de dispositivos y de conceptos propuestos hasta la fecha ha sido clasificada y descrita en forma de resumen para el Comité de Ingeniería sobre los Recursos Oceánicos por el Grupo de Trabajo sobre la Conversión de Energía de las Olas (informe del ECOR, abril 1998). Dicho informe sigue una clasificación similar basada en la supuesta situación, es decir, en alta mar, entre cerca de la costa y alta mar, y en aguas costeras.

Los convertidores de energía de las olas (WECs) también se podrían clasificar de distintos modos según su principio de funcionamiento y según cómo reaccionen con las olas. En términos de aplicación práctica, únicamente unos cuantos tipos de dispositivo están actualmente, o han estado recientemente, en uso o a prueba en aguas europeas.

A título de ilustración, se comentarán brevemente dos clases distintas pero que se solapan: los dispositivos de columna de agua oscilante (OWC) y los dispositivos de absorción puntual, siendo estos últimos la clase relevante en el contexto actual.

Los dispositivos OWC son típicamente aquéllos en los que se encierra la ola en un tubo vertical o en una cámara mayor y, a medida que oscila hacia atrás y hacia adelante, acciona aire a través de un dispositivo de conversión de energía, los dispositivos OWC de escala Megawatt se encuentran el la actualidad en un estado avanzado de desarrollo. Uno de dichos dispositivos, construido en una cárcava rocosa en la orilla oeste de Pico en las Azores, es una cámara de hormigón armado parcialmente abierta en un lateral a las olas, y provista de dos turbinas situadas encima y detrás de la misma, a través de las cuales se fuerza el aire encerrado. Dichas turbinas son turbinas Wells desarrolladas especialmente (una de ellas con paso de pala variable) y en general parecería, hoy en día, el sistema de conversión mejor desarrollado y perfeccionado. Sin embargo, es improbable que una instalación de ese tipo tenga una capacidad instalada mayor de dos megavatios y se debe limitar extremadamente el número de lugares adecuados.

Los dispositivos de absorción puntual pueden reaccionar contra el fondo del mar (por lo tanto, situados necesariamente próximos a la orilla), o ser flotantes y auto reactivos. Los análisis teóricos han incrementado en gran medida nuestra comprensión de los dispositivos de absorción puntual.

Los dispositivos de absorción puntual normalmente son asimétricos en un eje vertical y, por definición, presentan dimensiones reducidas con respecto a la longitud de onda de la ola predominante. Los dispositivos funcionan normalmente de un modo vertical, a menudo se les denomina "de movimiento vertical" Como tales, son capaces de absorber la energía que surge de los cambios en el nivel de la superficie en lugar de absorberla del movimiento hacia adelante de las olas que rompen. Se ha demostrado que el límite teórico de energía que puede ser absorbido por un dispositivo asimétrico, pesado aislado depende de la longitud de onda de las olas incidentes más que de la sección transversal del dispositivo, es decir, de la longitud de onda dividida entre 2\pi. De este modo, la longitud de onda es un criterio de crucial importancia, que tiene como resultado la atracción de situar el dispositivo de absorción puntual en la parte exterior de la zona en la que rompen las olas, y donde estarán abiertos a la longitud de onda larga del oleaje del océano o "movimiento vertical". Un dispositivo de absorción puntual podría reaccionar contra la inercia inherente de uno de sus componentes, o contra el fondo del mar. De esta manera, los dispositivos de absorción puntuales se pueden distribuir cerca de la costa en contacto con el fondo del mar o, en el caso de dispositivos auto reactivos, cerca de la costa o en alta mar.

Los dispositivos de absorción prácticos a pequeña escala como por ejemplo las sirenas de niebla y las boyas de navegación, pudiendo ambas incorporar OWCs, se han estado utilizando durante décadas. Típicamente, dichos dispositivos tienen una energía de unos cuantos cientos de vatios.

En la solicitud internacional WO 95/17555 se describe un nuevo dispositivo de absorción puntual, que en la actualidad se reivindica como capaz de generar del orden de un megavatio. Dicho dispositivo está basado en las variaciones de flotación de un recipiente rígido, parcialmente lleno de aire, sumergido, abierto en su parte inferior. Inicialmente, el dispositivo flota con una flotación neutra a una cierta profundidad. Si pasa una ola por encima, la presión a su alrededor se incrementa y el agua fluirá al interior del recipiente, desplazando el aire o gas del interior (que puede fluir libremente hacia un gran depósito o hacia un dispositivo similar unido por medio de conductos), haciendo decrecer el volumen de aire en el interior del recipiente y, de este modo, haciendo descender su flotación. El empuje hacia arriba experimentado ha decrecido en proporción al volumen de agua desalojado, es decir, el Principio de Arquímedes. El recipiente parcialmente lleno comenzará a hundirse. Cuando pasa un valle de la ola por encima del recipiente, tiene lugar el proceso inverso, y éste tiende a elevarse para recuperar su posición de reposo. El tamaño de las fuerzas que se ejercen dependerá de la extensión de superficie de agua en el interior del recipiente, de la amplitud de la ola y de la frecuencia de las olas. El documento WO 95/17555 describe el transformador de energía de las olas en términos de dos contenedores similares, desplazados horizontalmente, de modo que el gas desplazado de un contenedor pasa al segundo. Esencialmente el gas, pudiendo moverse libremente entre dos o más dispositivos similares, se mantiene a una presión constante, tal y como se requiere por la profundidad por debajo de la superficie.

La solicitud internacional WO 95/17555 tal y como se describe, y sus desarrollos posteriores, es un dispositivo pesado de ingeniería, que no se flexionará fácilmente con los movimientos laterales del agua cuando se encuentra por debajo de las olas, no es independiente del fondo del mar y no es independiente de los cambios de las mareas en el nivel medio del mar. La base o centro del dispositivo está fija en su posición con respecto al fondo del mar.

Un problema común con los dispositivos existentes diseñados para cosechar cantidades significativas de energía del mar es su complejidad y su coste. Predominantemente, se trata de grandes estructuras con componentes rígidos, situadas en un entorno severo. Hay poco uso de componentes bien probados. La mayor parte de los dispositivos tienen muchos requisitos en lo que respecta al diseño de ingeniería, la distribución y el mantenimiento.

Otros dispositivos que se utilizan en el entorno marino, aunque no están diseñados para la conversión de energía de las olas en energía utilizable, incluyen el que se describe en el documento FR-A-2 488 339, el cual está diseñado para bombear fluidos del fondo del mar.

Objetivo de la invención

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo mejorado para la extracción de energía de las olas del mar o del oleaje en un cuerpo de líquido.

Sumario de la invención

De acuerdo con ello, la invención proporciona: un aparato de conversión de energía de las olas para aprovechar la energía del movimiento de las olas sobre la superficie de un cuerpo de líquido, que comprende:

: por lo menos un elemento flotante de flotación variable para sostener una masa sustancialmente constante de gas en una posición por lo menos parcialmente sumergida en el cuerpo de líquido, de manera que el volumen de la masa sustancialmente constante de gas cambia con los cambios de presión sobre dicho elemento flotante provocados por el movimiento de las olas, resultando un cambio en la flotación del elemento flotante.

: y

: medios de conversión para convertir dicho cambio en la flotación del elemento flotante a un dispositivo de salida de energía.

: El aparato preferentemente comprende además:

: una carga fija o una flotación opuesta no variable conectada al elemento flotante variable, en el cual dicha carga actúa para equilibrar la flotación de dicho elemento flotante de flotación variable, de manera que mantenga dicho elemento flotante de flotación variable en una posición normal, de modo que dichos medios para convertir dicho cambio en la flotación del elemento flotante de flotación variable opere de un modo de doble efecto, y medios en los que la flotación variable cargada de ese modo pueda reaccionar contra el fondo o contra otro recipiente de flotación no variable que flote sobre la superficie.

Preferentemente, un aparato de este tipo se puede fijar de manera que pueda oscilar en resonancia con las frecuencias de ola que prevalezcan.

Preferentemente, dichos medios para convertir las fuerzas resultantes o los cambios en las fuerzas en el aparato en energía útil se pueden seleccionar de uno o más de los siguientes sistemas:

(a): un sistema hidráulico

(b): un sistema neumático

(c): un sistema mecánico

(d): un sistema piezoeléctrico

Preferentemente, dichos medios para convertir dichas fuerzas o fuerzas cambiantes en el aparato convierte dicho cambio en un dispositivo de salida que se selecciona de uno o más de los siguientes:

(a): un dispositivo generador de electricidad

(b): un dispositivo para la hidrólisis del agua

(c): un dispositivo de bombeo

(d): un dispositivo para potabilizar el agua

(e): un dispositivo para la extracción de sales disueltas

(f): un dispositivo hidráulico

(g): un dispositivo mecánico

El elemento flotante de flotación variable preferentemente incluye medios para alterar el volumen del elemento flotante de flotación variable en respuesta a los cambios de presión en el elemento flotante de flotación variable.

Dicho elemento flotante de flotación variable podría estar construido en un material flexible no rígido sustancialmente hermético u otro tipo de material elástico que se podría subdividir en dos o más compartimientos.

De forma alternativa, dicho elemento flotante de flotación variable podría estar construido en base a un contenedor sustancialmente rígido, sustancialmente abierto en su parte inferior, de manera que los cambios en la presión que lo rodea provoquen una fluctuación en el nivel de líquido del interior del contenedor. El contenedor o recipiente podría estar provisto de una serie de aberturas en su parte inferior, que permita que el líquido entre y salga de dicho contenedor, dependiendo de la presión de la altura del líquido en el gas contenido. Un ejemplo sería una campana invertida con una o más aberturas con tamaños variables realizadas en la base.

En una forma de realización, dicha carga es una masa que se puede mover hacia arriba o hacia abajo dentro de un ámbito predefinido, y cuya posición está determinada por la flotación de dicho elemento flotante de flotación variable al cual se encuentra acoplado. La masa y el elemento flotante preferentemente tienen un movimiento restringido por medio de una estructura fija o relativamente fija y contra la cual pueden reaccionar. Dicha estructura fija o relativamente fija podría ser un mástil o tirante vertical atado al fondo del mar, o un recipiente flotante de una flotación fija y mayor que se podría mover en oposición cuando flote sobre las olas o sobre el oleaje sobre la superficie superior.

En otra forma de realización, dicha carga es un elemento flotante de flotación no variable acoplado a dicho elemento flotante de flotación variable mediante un cable que pasa por una estructura del tipo de polea, la cual actúa para equilibrar la flotación de la flotación variable en su condición normal.

Las fuerzas de excitación primarias surgen del desplazamiento vertical en las olas y de los cambios correspondientes en las presiones hidrostáticas inferiores.

La masa constante de gas del interior de la flotación variable responde a los cambios en las presiones hidrostáticas que la rodean mediante cambios en el volumen y, así, debido al Principio de Arquímedes, experimenta cambios en el empuje hacia arriba. Los cambios de volumen se pueden dar de forma adiabática o casi adiabática y se rigen por las leyes de gases elementales.

La energía se puede extraer mediante la reacción del elemento flotante de flotación variable contra el fondo, o contra una flotación en la superficie que se mueve en oposición, o contra una placa de reacción sumergida, o contra la totalidad o alguna combinación de los mismos.

A partir de la siguiente descripción detallada de los dibujos adjuntos y de las reivindicaciones adjuntas, resultarán evidentes otras ventajas y características de la presente invención.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1a es un esquema que muestra el principio de funcionamiento de un dispositivo de efecto único según la presente invención,

la Figura 1b es un esquema que muestra el principio de funcionamiento de un dispositivo de doble efecto según la presente invención.

la Figura 2a muestra el dispositivo de la Figura 1a debajo de una superficie plana de líquido,

la Figura 2b muestra el dispositivo de la Figura 1a debajo de una cresta de ola, de manera que aumenta la altura del líquido de encima,

la Figura 2c muestra el dispositivo de la Figura 1a debajo de un valle de ola, de manera que se reduce la altura del líquido de encima,

la Figura 3 muestra una disposición del dispositivo de la Figura 1b combinando un recipiente flexible y un contrapeso,

la Figura 4 muestra una disposición práctica del dispositivo de la Figura 3,

la Figura 5a muestra una forma de realización alternativa del dispositivo de la Figura 1b,

la Figura 5b muestra una forma de realización alternativa del dispositivo de la Figura 5a,

la Figura 5c muestra una forma de realización alternativa del dispositivo de la Figura 5a,

la Figura 6 es un esquema que muestra el principio de funcionamiento de una forma de realización de la presente invención, en el cual se deriva la energía de la reacción contra un recipiente flotante,

la Figura 7a es un esquema que muestra el dispositivo de la Figura 6 debajo de una superficie plana de líquido,

la Figura 7b es un esquema que muestra el dispositivo de la Figura 6 debajo de una cresta de ola, de manera que la altura del líquido de encima ha aumentado,

la Figura 7c es un esquema que muestra el dispositivo de la Figura 6 debajo de un valle de la ola, de manera que se reduce la altura del líquido,

la Figura 8 muestra una disposición práctica de la forma de realización que se muestra en la Figura 6,

la Figura 9 es un esquema de un método de conversión de energía del movimiento utilizando cilindros hidráulicos y un grupo de motor alternador,

la Figura 10 es un esquema de una modificación del dispositivo de la Figura 6.

Descripción detallada de los dibujos

La invención proporciona un dispositivo para la extracción de energía de un cuerpo fluido basado en la reacción de un dispositivo sumergido, estanco y elástico o compresible, parcialmente lleno de aire u otro gas, a los cambios de presión que se den a su alrededor. Dichos cambios de presión resultan de un oleaje del océano que pasa por encima o de los niveles de superficie cambiantes de un depósito.

La Figura 1 es un esquema que indica dos formas de realización básicas en las cuales un convertidor de energía de las olas 1 reacciona contra el fondo del mar o del depósito. El convertidor 1 comprende un elemento flotante de flotación variable 6, en adelante denominado elemento elástico o flotación variable 6, un muelle que representa un medio de extracción de energía 8 y una masa 13, unida por medio de cables 2, 9 y todos ellos por debajo de la superficie del cuerpo de líquido 4. La flotación variable contiene una masa constante de gas 7, cuyo volumen depende de la presión ejercida por el cuerpo de agua. Una presión variable comportará un cambio en el volumen del gas, un cambio en el volumen del elemento elástico y un cambio, como resultado, en la flotación de la flotación variable 6. La Figura muestra la posición de la superficie del líquido en reposo 5, una cresta de ola que pasa 10, y la parte inferior o fondo del mar 3.

La Figura 1(a) hace referencia a un dispositivo de efecto único. La Figura 1(b) a un dispositivo de doble efecto. Las operaciones básicas de las dos formas se describen más adelante en relación con las Figuras 2 y 4.

La Figura 2 muestra el funcionamiento básico de un dispositivo de conversión de energía de las olas 1 del tipo que se muestra en la Figura 1a. La Figura 2a muestra la flotación variable 6 amarrado por medio de una línea de amarre 2 no elástica (o de cables) al fondo 3 de una masa líquida 4, que presenta una superficie plana 5. En esta forma de realización de acción única, la flotación variable 6 es una estructura del tipo de globo, realizada, o parcialmente realizada, en material elástico o flexible que pueda cambiar su forma y tamaño según la presión ejercida sobre el gas 7 contenido en su interior. Preferentemente, el globo se albergará en una caja de malla (no representada) y presentará una forma de manera que maximice el efecto puntual, es decir, que minimice el diámetro del globo con respecto a la longitud de onda de la ola que pasa por encima, a partir la ola climática que prevalezca. La flotación variable 6 está acoplada a actuadores hidráulicos 8 mediante un cable de anclaje 9. La presión ejercida sobre el gas 7 en la flotación variable 6 es equivalente a la presión atmosférica más la presión ejercida por la altura de la columna de agua h_{1}. Como resultado de la flotación del gas estanco 7, la flotación variable 6 ejerce una tensión T_{1} hacia la superficie en el actuador hidráulico 8. Este dispositivo también resulta adecuado para reaccionar contra un mecanismo del tipo de bombeo o de palanca en el interior de un depósito o de un recipiente de proceso.

La Figura 2b muestra la situación cuando la superficie 5 no es plana, equivalente a la ocurrencia de olas sobre una superficie de agua. El dispositivo 1 se encuentra ahora debajo de una cresta 10 de una ola. Como resultado, la altura de la columna de agua h_{2} es mayor que h_{1}. Es efecto es que, se ejerce una mayor presión sobre la cantidad de gas 7. Según la Ley de Boyle, la presión-volumen (PV) es constante en una temperatura constante o, bajo condiciones que favorezcan más el cambio adiabático. PV^{\gamma} es constante cuando gamma tiende hacia 1,4 por aire. Así, cuando la presión ha aumentado, el volumen de gas 7 del interior de la flotación variable 6 se contrae. La altura h_{2} es equivalente a la altura de la cresta de la ola 10 más cualquier movimiento hacia abajo de la flotación variable 6. Ambos componentes de h_{2} actúan de modo que se incremente la presión sobre el elemento elástico 6 y se provoque una reducción en el volumen del elemento elástico. Según el Principio de Arquímedes, cuando el volumen del elemento elástico 6 desciende y se desaloja menos líquido, el empuje hacia arriba correspondiente a la masa de agua desplazada se reducirá. El cambio en la flotación provocado por la reducción de volumen de la flotación variable 6 tiene como resultado que se ejerza una tensión menor T_{2} sobre el actuador hidráulico 8.

La Figura 2c muestra una situación equivalente para cuando el dispositivo 1 se encuentra debajo de un valle 11 de una ola. La altura h_{3} es menor que la altura h_{1}, de manera que se ejerce menos presión sobre el gas 7, con un resultado de un incremento en el volumen del elemento elástico 6. De un modo similar al que se describe con relación a la Figura 2b, h_{3} surge de dos componentes: la profundidad del valle de la ola 11 y el movimiento hacia arriba de la flotación variable 6. El aumento de la flotación del elemento elástico 6 tiene como resultado que se ejerza una mayor tensión T_{3} sobre el actuador 8.

El movimiento de la flotación variable 6, lo cual resulta de la utilización de una disposición del tipo de globo flexible, debajo de la cresta y del valle, añade un efecto dinámico al efecto estático provocado por el paso de la ola que pasa.

El cambio en la tensión del cable 9, que surge de las condiciones diversas que se ilustran en las Figuras 2b y 2c, se pasa al actuador hidráulico 8, desplazando el fluido hidráulico (no representado), que a su vez acciona un grupo de motor alternador (no representado). En una forma de realización preferida, los actuadores son de un tipo denominado compensadores de movimiento vertical, por ejemplo los que se utilizan normalmente para estabilizar las plataformas de navegación en la exploración de petróleo en alta mar. Los compensadores de movimiento vertical pueden estar provistos de un acumulador o un cilindro de aire, indicado mediante un muelle 26, de manera que retornen el cilindro principal hidráulico a su posición normal. El muelle 26 es indicativo de la fuerza de reacción que actúa para compensar contra la tensión ejercida sobre el actuador 8.

La Figura 3 ilustra el principio en una segunda forma de realización del dispositivo 1, correspondiente al que se muestra en la Figura 1b. Se utilizan los mismos números de referencia para las partes iguales. En esta forma de realización el convertidor de energía de las olas está adaptado para ser un dispositivo de doble efecto, es decir, que proporcione energía cuando la flotación variable 6 se expande y se mueve hacia arriba por debajo de un valle de la ola 11 (tal y como ya se ha descrito) y también cuando se comprime y se mueve hacia abajo por debajo de una cresta de la ola 10. Esencialmente, el empuje hacia arriba experimentado por la flotación variable o el elemento elástico 6 en su estado neutro (por debajo de un nivel del mar) se equilibra mediante un peso o una carga 30, estando ambos acoplados directamente por medio de un vástago de pistón 14 que pasa a través del cilindro 12 del compensador de movimiento vertical 8. El funcionamiento del compensador de movimiento vertical 8 se simplifica ahora, los cambios en la malla en el empuje hacia arriba sobre el recipiente elástico 6 tienen como resultado la actuación de fuerzas correspondientes sobre el vástago de pistón 14. Éstas actuarán, en un mar normal, estirando alternativamente de la barra 14 hacia arriba y hacia abajo. El fluido hidráulico desplazado, bajo presión, acciona un grupo de motor generador de electricidad (no representado) y a continuación retorna a la parte de baja presión del compensador de movimiento vertical. Más que en la disposición anterior, se requerirán muelles de retorno (no representados) ya que el dispositivo en su totalidad, en esta disposición, no se encuentra en un equilibrio estable en la posición neutral. La reacción contra el fondo se efectúa por medio de líneas de amarre rígidas o por un tirante vertical 2.

La Figura 4 muestra una disposición práctica de la forma de realización de doble efecto de la Figura 3. El número y el tamaño de los cilindros hidráulicos y de los muelles de aire se determina por el entorno previsto y por la conveniencia de emparejar la oscilación del dispositivo en su conjunto según la ola que predomine. Dos cables 9 conectan la flotación variable (no representada) a una masa fija o constante 30, la cual se puede mover libremente por una línea de trabajo regida por un pilar 25 fijado en un tirante vertical o columna 27 que reposa o está fijada en el fondo (no representada). Como resultado del movimiento de la masa fija 30 provocado por la variación en la flotación del elemento de flotación variable (no representado), se accionan los vástagos de pistón 14 a través de cilindros hidráulicos 12 en los cuales, se puede extraer la energía. En una modificación realizada a esta forma de realización (no representada) los cilindros hidráulicos pueden estar situados debajo de la masa fija, pero el modo de funcionamiento es el mismo.

La Figura 5a muestra una forma de realización alternativa de la disposición de doble efecto que se muestra esquemáticamente en la Figura 1b. En esta forma de realización, la flotación variable 6 se acopla mediante un cilindro hidráulico 12, accionando un vástago de pistón 14, y por medio de una disposición de pivote o de polea 15, a una flotación no variable 40. Dicha flotación no variable 40 actúa para contrarrestar el efecto de la tensión ejercida por la flotación variable 6. La figura 5b muestra una forma de realización alternativa, en la cual el cable 9 de la flotación variable 6 pasa a través de la flotación no variable 40, de manera que mantiene las dos flotaciones en la misma línea de acción. Del mismo modo que se describe con relación a las Figuras 1 a 4, el cambio en la altura de la columna de agua por encima de la flotación variable tiene como resultado un cambio en el volumen de la flotación variable 6 con un cambio resultante en la tensión ejercida a través de la polea 15 y la flotación no variable 40. En una situación de superficie plana, las dos flotaciones 6, 40 están equilibradas y no existe movimiento a través del cilindro 12. El cambio en la flotación del elemento elástico 6, causado por un paso de crestas y valles de olas por encima, tiene como resultado que el vástago de pistón 14 se mueva a través del cilindro 12. La Figura 5b muestra la reacción del dispositivo contra el fondo del mar (no representado) por medio de los cables de amarre 2. Esta forma de realización resulta adecuada para trabajar en recipientes de proceso y el cable podría remplazarse por medio de un mecanismo de bisagra o de palanca.

Al igual que en la disposición de doble efecto descrita anteriormente, la posición neutra no es una posición de equilibrio estable de forma que la longitud de la carrera debe restringirse. Es necesario un sistema que utiliza muelles (preferentemente muelles de aire o pistones hidráulicos) para definir la carrera y para proporcionar una fuerza de retorno; esto presenta el beneficio importante y adicional de facilitar la oscilación en resonancia con la frecuencia de ola que predomine.

La Figura 5c muestra otra forma de realización, en la cual la flotación variable 6 se forma a partir de una estructura del tipo de campana invertida. Se utilizan los mismos números de referencia para designar las partes similares. Este es un recipiente rígido, por lo menos parcialmente abierto en su parte inferior, de manera que pueda entrar y salir el líquido de la flotación variable. La cantidad de líquido contenida en el interior de la flotación variable dependerá de la presión ejercida sobre el gas contenido en el interior de la misma. Cuando aumente la presión, el volumen de gas contenido en el interior del contenedor 6 descenderá y el líquido entrará desde el fondo para ocupar su lugar. Cuando aumente la presión, el gas se expandirá forzando la salida del líquido del contenedor. El cambio en el volumen de gas en el interior de la flotación variable 6 afectará a la flotación de la misma, lo cual tendrá como resultado un trabajo realizado en la polea 15. El aumento y el descenso repetido en la flotación de la flotación variable que resulta se pueden utilizar como una fuente de energía en situaciones como en barcos, camiones cisterna, etc.

La Figura 6 es un esquema que indica la forma básica de una forma de realización en la cual, el convertidor de energía de las olas reacciona contra un recipiente que flota sobre la superficie del cuerpo de líquido. La Figura 6 muestra la posición de una superficie de líquido en reposo 5, una cresta que pasa 10, un recipiente flotante de flotación fija o no variable 113 unido a una flotación variable 6 sumergida mediante cables 9 al muelle o extracción de energía 8 accionado por el movimiento relativo de los dos recipientes, y una masa 28 que puede actuar como una placa de reacción que contrarresta la flotación de la flotación variable 6 incluso a su mayor flotación. La totalidad del dispositivo se encuentra suspendido del elemento flotante de flotación fija 113 y el movimiento predominante se encuentra a lo largo de un eje vertical. La característica significativa es que el recipiente flotante de flotación fija 113 y la flotación variable sumergida 6 con su masa de contrapeso tienden a moverse en fase opuesta cuando pasan las olas, siendo el efecto resultante un oscilador de dos cuerpos. El dispositivo se puede amarrar utilizando un sistema de amarre holgado (no representado) acoplado al recipiente flotante.

La Figura 7 muestra el funcionamiento básico de un dispositivo del tipo que se muestra en la Figura 6. La Figura 7a muestra el dispositivo en posición de reposo y una superficie 5 sin movimiento. La flotación variable 6 está suspendida, sumergida debajo del recipiente flotante de flotación no variable 113. Los dos recipientes están unidos por medio de cables o barras 9, y el muelle representa la extracción de energía 8.

En la Figura 7b pasa una cresta de ola 10 que eleva la flotación flotante 113, y, tal y como se ha explicado anteriormente, tiende a reducir la flotación de la flotación variable sumergida 6 y que, dependiendo del peso 28 de abajo. tenderá a hundirse. Ocurre el proceso inverso durante el paso de un valle de la ola 11 como en la Figura 7c, durante el cual, la flotación variable sumergida 6 tenderá a expandirse y a elevarse. Una forma de realización preferida incorporará barras en lugar de cables no elásticos entre los dos recipientes 6, 113 y la extracción de energía 8, permitiendo de este modo que surjan las fuerzas de reacción ya que tienden a venir juntas. Con una rigidez escogida adecuadamente para la extracción de energía 8, y unos tamaños y pesos 28 adecuados para los dos recipientes 6, 113, el dispositivo en su conjunto se puede disponer para su oscilación con una frecuencia particular. La hidrodinámica y las frecuencias naturales de este oscilador de dos cuerpos estarán influidas por las formas de los recipientes 6, 113.

La Figura 8 es un esquema de una forma de realización práctica de la flotación variable 6 sumergida dispuesta para reaccionar contra un recipiente flotante de flotación fija. La flotación variable 6 presenta una estructura del tipo de campana invertida, tal y como se ha descrito anteriormente con referencia a la Figura 5c. Cuando la presión sobre la flotación variable cambia, el nivel de líquido 75 en el interior del contenedor también cambiará. La extracción de energía 8, situada en el recipiente flotante de flotación no variable 113, está montada sobre amarraderos o dispositivos de acción similar (no representados) con el fin de permitir el grado necesario de independencia de movimiento en dicha extracción de energía y dicho recipiente flotante 113. Las formas de los recipientes 6, 113 que se muestran en la Figura 8 pueden ser bastante diferentes. El sistema de amarre holgado 31 y el peso 28 son tal y como se han descrito anteriormente. La flotación variable también puede ser un contenedor con una serie de orificios o aberturas realizados en la parte inferior.

La Figura 9 muestra el principio de un sistema hidráulico preferido utilizado en la forma de realización de doble efecto según la invención. El esquema muestra la posible adaptación del dispositivo a dos o más dispositivos. Se acopla un cilindro hidráulico de doble efecto 12 a un contrapeso o muelle hidráulico 26 y está provisto de un depósito de aceite 18. Las fuerzas ejercidas por el elemento flotante variable (no representadas) desplazan el aceite de alta presión de la bomba 16 a través de líneas de aceite de alta presión 19 hasta una distribución múltiple 20 y acumuladores de aceite de alta presión 21. El fluido hidráulico desplazado, bajo presión, acciona un motor hidráulico 22, el cual a su vez acciona un grupo de motor generador eléctrico 23, y a continuación retorna al lado de baja presión de la bomba hidráulica 16 por medio de una línea de aceite de baja presión 24.

A pesar de que cada dispositivo convertidor de energía de las olas se puede distribuir como una entidad única independiente, sería preferible y conveniente disponer un número de dispositivos similares en orden. Por ejemplo, se podrían utilizar dos o más dispositivos individuales para suministrar energía en forma de presión hidráulica a una "canalización circular" o a un acumulador o una combinación de ambos, y de los cuales se accionarán uno o más grupos de motores generadores. Las entradas de aceite procedente de dispositivos adicionales se pueden añadir en puntos de unión 125.

Las partículas de agua por debajo de las olas oscilan armónicamente con la ola que sobrepasa, y descienden con la profundidad por debajo de la superficie. Debajo de olas monocromáticas, este movimiento de las partículas del agua es circular en un plano vertical paralelo a la dirección de desplazamiento de la ola. Necesariamente, la flotación variable sumergida, que debe estar situada en el lugar donde las presiones hidrostáticas también varían significativamente, experimentará dichos movimientos circulares en el agua que la rodea. Con el fin de anular la oscilación vertical resultante de la flotación variable en el caso en que reaccione contra una flotación fija sobre la superficie superior, la masa fija 28 se puede extender de manera que sus dimensiones horizontales con respecto a la superficie sean sustancialmente mayores que sus dimensiones verticales. Se muestra un esquema de dicha masa extendida en la Figura 10. Tal y como se muestra, la masa fija 28 forma una placa de reacción horizontal, la cual se puede suspender a una profundidad por debajo, en la cual el componente vertical del movimiento de las partículas del agua es significativo. También puede haber flujos de mareas o derivas, típicamente entre dos y tres nudos, o menos. En teoría, un cilindro vertical liso no experimenta fuerza lateral sea de un fluido que fluye pasando suavemente de forma horizontal.

Los cables o barras que unen la flotación variable con otros elementos podrían no ser elásticos, pero tampoco rígidos: las barras individuales pueden incorporar una unión o una bisagra o un pivote. Para estas formas de realización que reaccionan contra la parte inferior a través de un tirante vertical, tal y como se muestra en las Figuras 1 a 5, dicho tirante se podría fijar de forma firme, pero no necesariamente con una rigidez absoluta. La aproximación general al diseño es permitir un poco de flexibilidad y de movimiento lateral del dispositivo y en particular de los elementos sumergidos.

La escala de los cambios en las fuerzas que se pueden experimentar con una configuración típica del dispositivo convertidor de energía de las olas desarrollado para la conversión de energía de las olas del océano, con un recipiente de 50 m^{3} debajo de una ola de una amplitud de un metro por encima del nivel del mar, será del orden de más o menos 70 toneladas cada pocos segundos. Se pueden distribuir recipientes mayores, siendo los factores limitantes la longitud de onda predominante y la caída con profundidad de la variación de presión debida a las olas de la superficie.

En cualquiera de las formas de realización mencionadas anteriormente, el cilindro hidráulico, el acumulador y el motor generador se acomodarán en una "sala de máquinas" preferentemente, que se pueda desmontar por motivos de mantenimiento. En las formas de realización en las que se encuentre debajo del agua, podría haber una estructura del tipo hermético o de campana invertida que permita el acceso de submarinistas para su mantenimiento y deberá incorporar suficiente flotación positiva para evitar que se hunda, en el caso de que desaparezca el efecto de la flotación variable. En las formas de realización en las que hay una flotación que flota en la superficie, el compartimiento de motores se puede situar en el interior del cuerpo flotante, tal y como se muestra en la Figura 8.

Cuando la flotación variable comprende una estructura del tipo de globo, sería deseable que ésta estuviese dividida en varias cámaras no interactivas, de manera que se reduzca la posibilidad de una falta que incapacite la flotación en el caso de que haya una filtración. El peso acoplado al extremo inferior del vástago del pistón en la forma de realización de doble efecto que se muestra en la Figura 4 podría ser una masa ajustable, realizada por una cámara integrada que podría estar llena de aire o de agua. La estructura del tipo de globo podría estar fabricada de, por ejemplo, un material de PVC reforzado, de neopreno, o de un material similar. La elasticidad del material no es esencial, lo que resulta importante es que el material sea flexible y que pueda alterar su forma y volumen.

El elemento flotante de flotación variable se podría modificar para que incluya aspas o placas, las cuales podrían presentar una forma rígida o móvil, y servirían para alterar el coeficiente de resistencia de la flotación variable. Esto afectaría al movimiento hacia arriba y hacia abajo de la flotación variable.

El dispositivo, en cualquier forma de realización marina, está destinado para su situación alejada de la línea de la costa y fuera de la zona de impacto de las olas que rompen. Esto tiene como resultado una generación de energía más constante que otros dispositivos de absorción puntual. En aquellas formas de realización con una flotación que flota sobre la superficie, el recipiente de flotación estará sellado herméticamente, partido interiormente y tendrá una resistencia mínima a las olas que rompen o a las que son muy grandes. Se podría diseñar fácilmente de manera que las olas o los mares movidos excepcionalmente bruscos le pasen por encima, una forma de elemento cortante hidrostático.

El convertidor de energía de las olas continuará funcionando con efectividad en mares irregulares, una condición que es más usual que las formas de olas monocromáticas normales. Con bastante frecuencia, las olas son el resultado de dos o más patrones superpuestos, quizá con un oleaje con una longitud de onda importante, en el cual el lugar escogido está abierto al océano y a las direcciones del viento prevalecientes. El diseño imperativo es obtener energía útil a un cose reducido, es decir, optimizar el coste unitario de energía suministrada, en lugar de intentar conseguir la conversión de la cantidad máxima de la energía de las olas disponible.

El dispositivo según la invención es un dispositivo sencillo, robusto y que presenta un precio reducido, el cual maximiza el uso de los componentes y de la tecnología probada. Utilizando un elemento flexible elástico, el dispositivo se puede mover libremente con las condiciones que prevalezcan y no necesita de una ingeniería pesada. Como tal, se puede maximizar la disponibilidad y simplificar el mantenimiento de los dispositivos de conversión de energía distribuidos, los cuales se pueden distribuir de forma única o en grandes disposiciones. Esto permitiría compartir una funcionabilidad común entre varios dispositivos. Los dispositivos están diseñados para que sean independientes de los cambios de las mareas en los niveles medios del mar, para que tengan una dependencia mínima de la dirección de la ola, y para que maximicen el retorno del oleaje del océano de una longitud de onda importante. Utilizando las ventajas que ofrecen los dispositivos total o parcialmente sumergidos, es posible alejase de la línea de la orilla y de la zona en la que rompen las olas y generar del orden de 0,5 MW o más por dispositivo.

Claims

1. Aparato de conversión de energía de las olas para el aprovechamiento de la energía procedente del movimiento de las olas (10, 11) sobre la superficie (5) de un cuerpo de líquido (4), caracterizado porque comprende

por lo menos un elemento flotante de flotación variable (6) para sostener una masa sustancialmente constante de gas (7) en por lo menos una posición parcialmente sumergida en el cuerpo del líquido (4), de manera que cuando el volumen de la masa de gas sustancialmente constante (7) cambie con los cambios de presión en el elemento flotante 6 provocados por el movimiento de las olas (10, 11) sobre el cuerpo de líquido (4), resulte un cambio en la flotación del elemento de flotación variable (6); y medios de conversión (8) para convertir dicho cambio en la flotación del elemento flotante en un dispositivo de salida de energía.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que el elemento flotante de flotación variable (6) incluye medios para alterar el volumen del elemento flotante de flotación variable (6) en respuesta a los cambios de presión del elemento flotante de flotación variable (6).

3. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento flotante de flotación variable (6) está construido de un material flexible o elástico sustancialmente hermético, en el cual se puede alterar el volumen del elemento flotante de flotación variable (6) en respuesta a los cambios de presión del elemento flotante para alterar la flotación del elemento flotante de flotación variable (6).

4. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la flotación variable (6) se puede subdividir en dos o más compartimientos.

5. Aparato según la reivindicación 1, en el que el elemento flotante de flotación variable (6) se puede construir de un contenedor sustancialmente rígido, por lo menos parcialmente abierto en su parte inferior, de manera que el cambio en la presión que lo rodea provoque la fluctuación en el nivel de líquido del interior del contenedor para alterar la flotación del elemento flotante de flotación variable (6).

6. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la flotación variable (6) se adapta para que incorpore aspas o placas.

7. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la flotación variable (6) está acoplada mediante medios de acoplamiento (9) a los medios de conversión (8).

8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de conversión (8) están acoplados mediante medios de acoplamiento (2) a la parte inferior (3) del cuerpo de líquido (4).

9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende una masa fija (30) conectada a la flotación variable (6), caracterizado porque la masa fija (30) se mueve en respuesta a los cambios en la flotación del elemento flotante (6).

10. Aparato según la reivindicación 9, caracterizado porque la masa fija (30) está acoplada a los medios de conversión (8) y el movimiento de la masa fija (30) acciona un vástago del pistón (14) por medio de cilíndricos hidráulicos (12).

11. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que además comprende por lo menos un elemento flotante de flotación constante, no variable (113) adecuado para flotar sobre la superficie (5) del líquido (4), caracterizado porque la flotación no variable (113) está acoplada mediante medios de conversión de energía (8) a la flotación variable (6), situada por debajo de la superficie de líquido (4), y la flotación variable (6) está acoplada a una masa fija (28).

12. Aparato según la reivindicación 11, caracterizado porque la flotación no variable (113) se mueve con el movimiento de las olas (10, 11) y dicho movimiento provoca que la flotación no variable (113) ejerza una fuerza sobe los medios de conversión de energía (8) opuesta en la dirección a la que ejerce la flotación variable (6), y los medios de conversión (8) se accionan por medio del movimiento relativo de las flotaciones no variables (113) y variables (6).

13. Aparato de conversión de energía de las olas para el aprovechamiento de energía procedente del movimiento de las olas (10, 11) o del oleaje en relación a la parte inferior (3) en un cuerpo de líquido (4), caracterizado porque comprende:

a): por lo menos una flotación no variable (113) que, a su vez, está acoplada a,

b): medios de conversión de energía (8) que, a su vez, están acoplados a,

c): por lo menos un elemento flotante de flotación variable (6) para albergar una masa de gas (7) sustancialmente constante en una posición sumergida en el cuerpo de líquido (4) el cual, a su vez, está acoplado a,

d): una masa (28) de suficiente flotación como para contrarrestar sustancialmente la flotación de la flotación variable (6).

14. Aparato según la reivindicación 13, caracterizado porque el volumen de la masa de gas sustancialmente constante (7) es variable en respuesta al cambio de presión del elemento flotante (6) provocado por el movimiento de las olas (10, 11) y esta variación de volumen de la masa de gas sustancialmente constante (7) provoca un cambio en la flotación de la flotación variable (6).

15. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 13 ó 14, caracterizado porque los medios de conversión de energía (8) se accionan por medio del movimiento relativo de las flotaciones no variables (113) y variables (6).

16. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en el que el elemento flotante de flotación variable (6) incluye medios para alterar el volumen del elemento flotante de flotación variable (6) en respuesta a los cambios de presión del elemento flotante de flotación variable (6).

17. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, en el que el elemento de flotación variable (6) está construido de un material flexible o elástico sustancialmente hermético, en el cual el cambio en la flotación de la flotación variable (6) resulta de un cambio en el volumen de la flotación variable (6).

18. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, en el que la flotación variable (6) se puede subdividir en dos o más compartimientos.

19. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, en el que el elemento flotante de flotación variable (6) se puede construir de un contenedor sustancialmente rígido, por lo menos parcialmente abierto en su parte inferior, de manera que el cambio en la presión que lo rodea provoque la fluctuación en el nivel de líquido del interior del contenedor.

20. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 19, en el que los medios de conversión (8) están situados sustancialmente en el interior de la flotación no variable (113).

21. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la flotación variable (6) está adaptada para que incorpore aspas o placas.

22. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 21, en el que la masa fija (30, 28) actúa para equilibrar la flotación de dicho elemento flotante de flotación variable (6), de manera que se mantenga dicho elemento flotante de flotación variable (6) en una posición normal, de modo que dichos medios (8) para convertir dicho cambio en la flotación del elemento flotante de flotación variable (6) actúen de un modo de doble efecto.

23. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos medios de conversión (8) para convertir dicho cambio en la flotación del elemento flotante de flotación variable (6) se pueden seleccionar de entre uno o más de los sistemas siguientes:

a): un sistema hidráulico

b): un sistema neumático

c): un sistema mecánico

24. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos medios de conversión (8) para convertir dicho cambio en la flotación de dicho elemento flotante de flotación variable, convierten dicho cambio a un dispositivo de salida que se selecciona de entre uno o más de los siguientes:

(a): un dispositivo generador de electricidad,

(b): un dispositivo para la hidrólisis del agua,

(c): un dispositivo de bombeo,

(d): un dispositivo para potabilizar el agua,

(e): un dispositivo para la extracción de sales disueltas,

(f): un dispositivo hidráulico, y

(g): un dispositivo mecánico

25. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, en el que dicha masa fija es un elemento flotante de flotación no variable (40) acoplado a la flotación variable y que actúa para compensar la variación en la flotación de dicho elemento flotante de flotación variable.

26. Aparato según la reivindicación 25, en el que el elemento flotante de flotación no variable (40) está acoplado al elemento flotante de flotación variable mediante medios de amarre que pasan alrededor de una polea (15) situada debajo de la flotación variable y de la flotación no variable, de manera que cualquier movimiento de la flotación variable provoca un movimiento equivalente en la flotación no
variable.

27. Aparato según la reivindicación 25, en el que el elemento flotante de flotación no variable (40) está conectado a la flotación variable (6) por medio de un pivote o fulcro, el cual está adaptado para convertir cualquier movimiento relativo de las dos flotaciones (40, 6) a un dispositivo de salida de energía.

28. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cualquier cambio en la flotación de la flotación variable (6) hace que ésta se mueva en relación con la parte inferior (3) del cuerpo de líquido (4).

29. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se conectan dos o más elementos flotantes de flotaciones variables a los mismos medios de conversión (8), de manera que los medios de conversión conviertan los cambios en la flotación de dos o más elementos flotantes a un dispositivo de salida.