ES2205906T3 - Cajon para absorber energia de las olas. - Google Patents
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Abstract
Un cajón para convertir el movimiento de la ola marina, que se caracteriza por que está provisto internamente con al menos una bolsa de aire (5¿, 5¿¿), y al menos un conducto vertical o tubo (2¿, 2¿¿) que se extiende transversalmente a lo largo de toda la porción del cajón (1) en el que la bolsa respectiva (5¿, 5¿¿) está presente, y en el que la parte inferior del cajón (1) es llenada con agua (6¿, 6¿¿), y el conducto vertical (2¿, 2¿¿) se extiende hacia arriba pasando a través del techo o pared superior del cajón (1), y se comunica con el exterior sin alcanzar con su abertura superior (3¿, 3¿¿) la superficie del mar, y se extiende hacia abajo sin alcanzar la base del cajón (1), donde define una abertura inferior (4¿, 4¿¿); la altura (x) de la bolsa de aire (5¿, 5¿¿), que empieza desde el techo del cajón (1) hacia su base, está ajustada por medio de los dispositivos (7¿, 7¿¿, 10, 11) para alimentar aire a la bolsa de aire o descargar aire al exterior, para obtener la condición de resonancia, en la cual el periodo de las fluctuaciones de la presión de agua detectadas, en la abertura superior (3¿, 3¿¿) del conducto vertical (2¿, 2¿¿), es igual al período de las fluctuaciones de presión de la bolsa de aire (5¿, 5¿¿) detectadas en cualquier punto dentro del cajón.
Description
Cajón para absorber energía de las olas.
El invento presente se refiere a un cajón para
convertir el movimiento de la ola marina en una forma que sea más
adecuada para conversión.
Un cajón como el del invento presente, puede ser
usado para la construcción de una planta que comprenda uno o más
cajones, teniendo dicha planta la estructura de un cajón rompeolas y
estando destinada a ser incorporada a un dique seco, y a
continuación ser remolcada y hundida.
La patente GB 1 572 086 describe una planta que
en muchas realizaciones está totalmente por debajo de la superficie
del mar. Consiste en una sección de flexión que, en algunas
realizaciones, está conectada a uno o dos depósitos que contienen
aire o agua y aire. En algunas realizaciones, los depósitos y/o la
sección de flexión tienen válvulas unidireccionales. La planta
aprovecha la resonancia de una columna de agua en la sección de
flexión. En algunas realizaciones, parte de la sección de flexión
está llena de aire, y esta parte está conectada a un depósito de
aire. La longitud de la columna de agua en la sección de flexión es
regulada o sintonizada proporcionando medios al depósito para
ajustar la presión de aire. Se ha de observar que la presión del
aire en el depósito es casi constante durante la acción de la ola,
esto es el aire no actúa como muelle. Para alcanzar la condición de
una presión casi constante del aire durante el ciclo de la ola, el
volumen de aire en el depósito debe ser grande, y por esto el
depósito de aire en algunas realizaciones está anclado al lecho
marino, debido al gran exceso de flotabilidad. No está especificado
cómo sintonizar con las olas generadas por viento aleatorio.
La patente GB 2 005 358 describe una cámara de
alta presión conectada por medio de un tubo a una cámara de baja
presión. La cámara de alta presión está provista con válvulas
antirretorno de entrada, y la cámara de baja presión está provista
con válvulas antirretorno de salida. La cámara de alta presión es
llenada con agua debajo de las crestas de las olas. La planta está
totalmente debajo de la superficie del mar. No se aprovecha la
resonancia.
La PCT WO98/41758 describe una planta que
consiste en una parte fija (cuerpo hueco) y una parte móvil (cuerpo
flotante). En todas las realizaciones, una parte de la planta está
por encima de la superficie del mar. Algunas realizaciones
aprovechan la resonancia del sistema agua-aire
(ambos aire y agua, actúan como muelles) gracias al movimiento del
cuerpo flotante. Una tapa movible merced a medios que actúan en el
cuerpo flotante, y aberturas que pueden ser cerradas en el cuerpo
hueco actúan como medios para sintonizar. No está especificado cómo
sintonizar con las olas generadas por viento aleatorio.
En resumen: la resonancia de un sistema
agua-aire, actuando el agua y el aire como muelles,
ha sido aprovechada solamente por medio del movimiento de un cuerpo
sólido flotante. Se han utilizado mecanismos tales como tapas
movibles, aberturas que se pueden cerrar, o válvulas por debajo de
la superficie del agua, los cuales complican el proceso de trabajo y
de mantenimiento. Las estructuras, usualmente, no son compactas y
son mucho más complejas que las estructuras marinas, tales como
cajones rompeolas. No se describe un procedimiento práctico para
sintonizar las plantas bajo la acción de los "estados del mar",
o sea las secuencias de las olas marinas reales (generadas por
viento aleatorio).
Por otra parte, los absorbedores tradicionales,
cuando tratan con los estados del mar, requieren una regulación
sustancialmente continua que es realizada a intervalos de unos pocos
segundos solamente, y esta circunstancia complica notablemente la
operación de los dispositivos de absorción de la energía de la
ola.
Un objeto del invento presente es realizar un
dispositivo en la forma de un cajón, usado para convertir la energía
de las olas marinas en energía hidráulica que pueda ser explotada
directamente, y en el que el ajuste de las condiciones operativas
del cajón puedan realizarse a intervalos de unos diez a veinte
minutos, dependiendo de la variación del "estado del mar" (una
condición de olas sustancialmente estacionarias). Ya que el estado
del mar tiene una duración de diez a veinte minutos al menos, el
ajuste será realizado a intervalos variables, frecuentemente de
hasta veinte minutos.
Un objeto específico del invento presente es el
de la realización de un cajón, o de una planta que comprenda varios
cajones, que sea capaz de absorber una gran parte de la energía de
la ola que pasa por encima de ella, produciendo fluctuaciones de
presión muy altas dentro de ella, y también corrientes de altas
velocidades. La amplitud de las fluctuaciones de presión dentro del
cajón pueden exceder, en un orden de magnitud, la amplitud
correspondiente de las olas de superficie.
Finalmente, un objeto adicional del invento
presente es el uso de turbinas especiales con eje vertical, que
permiten la conversión a energía mecánica rotatoria, de la porción
de la energía de la ola que ha sido ya convertida en una forma
adecuada por medio del cajón del invento presente.
Los objetivos del invento son obtenidos por medio
de un cajón, que se caracteriza porque comprende internamente al
menos una bolsa de aire, y al menos un conducto vertical que se
extiende transversalmente a lo largo de la porción entera del cajón,
donde la bolsa de aire está presente. La parte inferior del cajón
es llenada con agua, y el conducto vertical se extiende hacia
arriba, pasando a través de la pared superior del cajón y se
comunica con el exterior del cajón, sin alcanzar con su abertura
superior la superficie del mar, mientras que el extremo inferior no
alcanza la base del cajón, definiendo en este lugar una abertura
inferior. La altura de la bolsa de aire, desde el techo del cajón
hacia su base, es ajustada por medios de alimentación de aire y
descarga de aire al exterior, obteniendo de ese modo la condición de
resonancia en la cual el período de las fluctuaciones de la presión
en la abertura superior del conducto vertical, o en un punto debajo
de la superficie del mar, pero situado en el exterior del cajón, es
igual al periodo de las fluctuaciones de la presión de la bolsa de
aire, o al período de las fluctuaciones de la presión en cualquier
punto situado dentro del cajón.
Realizaciones particulares del invento presente
están definidas en las reivindicaciones adjuntas.
El invento presente será descrito ahora con fines
ilustrativos y no restrictivos, con referencia a los dibujos, en
los cuales:
la Figura 1 es una vista esquemática de un corte
transversal a lo largo del plano A-A de la Figura
2, mostrando un cajón del invento presente y el principio general
de este último;
la Figura 2 es una vista frontal esquemática que
muestra el principio de operación del cajón de acuerdo con el
invento, siendo la vista tomada en la dirección de la flecha F de la
Figura 1, esto es desde el lado del mar abierto;
la Figura 3 es una vista esquemática en planta
del cajón de acuerdo con el invento mostrado en las Figuras 1 y 2, y
que ilustra el principio general del mismo;
la Figura 4 es una vista en sección de una
realización posible del invento, tomada a lo largo del plano
B-B de la Figura 6;
la Figura 5 es una vista en sección del cajón de
la Figura 4, de acuerdo con la línea C-C de la
Figura 6;
la Figura 6 es una vista en planta del cajón del
invento presente, en la realización mostrada en las Figuras 4 y 5
anteriores.
Con referencia a las Figuras 1 a 3, será descrito
en primer lugar el principio de operación del cajón de acuerdo con
el invento. El cajón 1 tiene paredes hechas de hormigón armado, y
está completamente cerrado. Descansa sobre el fondo marino y está en
comunicación con el exterior a través del conducto o tubo vertical
2 solamente, La abertura superior 3, sin embargo, está situada
debajo de la superficie del mar. La abertura inferior 4 está dentro
del cajón 1, por encima de su base. Como puede observarse en las
Figuras 2 y 3, y en comparación con la figura 1, el lado de la
abertura 3 que es normal a la dirección dominante de la ola (flecha
F), tiene una longitud que es igual a la del lado del cajón.
La pared superior o techo del cajón 1 está
conectada a un compresor 11, situado en tierra (como en la Figura 1)
o en una plataforma marina (no mostrada). Aguas abajo del compresor
de aire 11 hay una válvula de compuerta o espita 10. Se bombea aire
al cajón 1 por medio del compresor 11 y el tubo de paso de aire (o
manga) 7, formando de ese modo una bolsa de aire 5 sobre la masa de
agua 6 situada dentro del cajón 1. El objeto es alcanzar la
condición de resonancia. El período T_{e} de las fluctuaciones de
presión, detectadas en tiempo real, en la abertura superior 3 del
conducto o tubo 2 vertical (o en un punto situado externamente y
debajo de la superficie del mar), es comparado con el período
T_{i} de las fluctuaciones de presión -detectadas en tiempo real-
en la bolsa de aire 5 (o en cualquier punto dentro del cajón). Si Te
excede T_{i}, hay que bombear aire dentro del cajón, hasta que
T_{e} = T_{i} (condición de resonancia). Por otra parte, si
T_{e} es menor que T_{i}, la válvula de compuerta 10 debe ser
abierta y se retira el aire de la bolsa de aire 5 hasta que T_{e}
= T_{i}.
Para el "período de fluctuación de la
presión" se puede elegir ya sea el período de pico del espectro
de las antedichas fluctuaciones de presión, o alternativamente, un
período característico de las más altas fluctuaciones de presión
para ese estado del mar particular, por ejemplo el período T_{1/3}
definido como el período medio de un tercio de todas las
fluctuaciones mayores de presión del estado del mar.
Es importante que se tome la misma definición,
tanto para T_{e}, como para T_{i}.
El ajuste de la cantidad de aire debe ser
realizado para cada (nuevo) estado del mar. Dado que un estado del
mar (próximo a la condición de ola estacionaria) tiene una duración
de al menos diez o veinte minutos, la regulación debe ser efectuada
a intervalos variables que oscilan entre diez y veinte minutos.
Esta planta puede absorber una gran proporción de
la energía de la ola que pasa por encima de ella, y puede producir
muy altas fluctuaciones de presión dentro del cajón, y altas
velocidades de corriente (flujo) dentro del conducto vertical 2. La
amplitud de las fluctuaciones de la presión dentro del cajón 1
puede exceder, en un orden de magnitud, la propia amplitud de las
olas de superficie. Los números de referencia 9 y 8 denotan
transductores de presión para detectar fluctuaciones de presión en
el lugar de la abertura 3 del conducto 2 y las fluctuaciones de
presión de aire dentro de la bolsa de aire 5, respectivamente.
Resumiendo, la planta -que puede comprender
también un cajón rompeolas formado por una pluralidad de cajones 1-
es capaz de absorber una gran proporción de la energía de la ola y
transformarla en la forma más adecuada para la conversión.
Una forma posible para convertir la energía
obtenida de esta manera, es emplear las turbinas Wells, con ejes
verticales, montadas dentro del conducto vertical 2, como puede
verse en la realización ilustrativa siguiente con referencia a las
Figuras 4 a 6.
Las Figuras 4 a 6 muestran una realización en la
que el cajón 1 está subdividido por un diafragma (pared de
separación) 12. Las mangas 7', 7'' alimentan aire a las bolsas de
aire 5', 5'' en ambos lados del diafragma 12.
A cada lado del diafragma 12 está dispuesto un
conducto o tubo 2', 2'' que tiene una sección más pequeña 13',
13''.
El prototipo mostrado será situado frente a la
costa de Liguria (Mar Mediterráneo). Dicho sistema es capaz de
absorber el 50% de la energía de la ola que pasa por encima de él en
un año.
El prototipo tiene las siguientes dimensiones
(solamente ilustrativas y no restrictivas):
- -
- 28 metros desde la base del cajón 1 hasta la parte superior del conducto 2' ó 2'' (abertura 3', 3'');
- -
- cajón de sección cuadrada con lados de 20 metros (véase la Figura 6);
- -
- altura del cajón igual a 17 metros (excluyendo los conductos 2' y 2'');
- -
- diámetro de la sección circular menor 13' ó 13'' igual a 4 metros.
Se supone que es depositado sencillamente en el
fondo del mar a 30 metros de la superficie del mar.
Con olas de viento de 2,5 metros de H_{s} (la
altura significativa de la ola, igual por definición a cuatro veces
la desviación estándar del desplazamiento de la superficie libre
durante un estado del mar), la amplitud x durante la resonancia será
de unos 2,2 metros. Con tal bolsa de aire, la velocidad de la
corriente dentro de los conductos 2', 2'', alcanzará 3,5
metros/segundo, y la descarga máxima será de 90
m^{3}/segundo.
Por otra parte, la altura significativa de ola de
las olas de carga hidrostática dentro del cajón, alcanza un valor
de unos 20 metros (o sea, cerca de ocho veces la altura
significativa de ola de las olas de superficie).
El prototipo ha sido diseñado para convertir la
energía absorbida de la ola por medio de dos turbinas de Wells.
Estas turbinas, con ejes verticales, están montadas en las secciones
circulares más pequeñas 13', 13'' de los conductos verticales 2',
2''.
El mantenimiento de la planta es bastante
sencillo ciertamente, si se bombea una gran cantidad de aire, el
cajón 1 flotará, y esto ocurre antes de que el aire de las bolsas
de aire 5', 5'' alcance la abertura inferior 4', 4'' de los
conductos 2', 2'' respectivos.
Bajo tormentas marinas, con H_{s} excediendo de
6 metros, el aire es totalmente retirado del cajón 1, para aumentar
así la seguridad de la estructura contra deslizamientos entre el
cajón y el fondo marino.
Esto significa que la absorción y la conversión
de energía son interrumpidas bajo alturas significativas de ola que
excedan de 6 m.
Sin embargo, la porción de la energía de la ola
asociada a valores de H_{s} superiores a 6 metros es un 2%
solamente, como media, de toda la energía de la ola que se acerca a
la costa de Liguria.
Claims (5)
1. Un cajón para convertir el movimiento de la
ola marina, que se caracteriza por que está provisto
internamente con al menos una bolsa de aire (5', 5''), y al menos un
conducto vertical o tubo (2', 2'') que se extiende transversalmente
a lo largo de toda la porción del cajón (1) en el que la bolsa
respectiva (5', 5'') está presente, y en el que la parte inferior
del cajón (1) es llenada con agua (6', 6''), y el conducto vertical
(2', 2'') se extiende hacia arriba pasando a través del techo o
pared superior del cajón (1), y se comunica con el exterior sin
alcanzar con su abertura superior (3', 3'') la superficie del mar, y
se extiende hacia abajo sin alcanzar la base del cajón (1), donde
define una abertura inferior (4', 4''); la altura (x) de la bolsa de
aire (5', 5''), que empieza desde el techo del cajón (1) hacia su
base, está ajustada por medio de los dispositivos (7', 7'', 10, 11)
para alimentar aire a la bolsa de aire o descargar aire al exterior,
para obtener la condición de resonancia, en la cual el periodo de
las fluctuaciones de la presión de agua detectadas, en la abertura
superior (3', 3'') del conducto vertical (2', 2''), es igual al
período de las fluctuaciones de presión de la bolsa de aire (5',
5'') detectadas en cualquier punto dentro del cajón.
2. Un cajón de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que está montada una turbina en el conducto (2', 2''), o
cualquier otro medio de conversión de energía.
3. Un cajón de acuerdo con la reivindicación 1,
en los que dichos medios (7', 7'', 10, 11) para alimentar o
descargar aire, comprenden al menos un compresor (11) montado en
tierra o en una plataforma frente a la costa, al menos una válvula
(10), y al menos un tubo o manga (7', 7'') para establecer una
conexión con el techo del cajón (1), y para alimentar aire a la
bolsa de aire (5', 5''), o descargar aire al exterior, hasta que se
obtenga la condición de resonancia.
4. Un cajón de acuerdo con la reivindicación 2,
en el que el conducto o tubo (2', 2'') tiene una forma que se hace
más pequeña hacia una sección más pequeña (13'; 13'') del mismo, en
la cual está instalada una turbina Wells.
5. Un método para sintonizar, en un cajón de
acuerdo con las reivindicaciones 1-4, en el cual el
ajuste de la altura de la bolsa de aire es realizado a intervalos de
tiempo grandes, de unos 10 a 20 minutos, de acuerdo con el estado
del mar.
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