ES2225556T3 - Convertidor de energia de las olas. - Google Patents

Convertidor de energia de las olas.

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ES2225556T3 ES01940948T ES01940948T ES2225556T3 ES 2225556 T3 ES2225556 T3 ES 2225556T3 ES 01940948 T ES01940948 T ES 01940948T ES 01940948 T ES01940948 T ES 01940948T ES 2225556 T3 ES2225556 T3 ES 2225556T3
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Abstract

Aparato de conversión de energía de absorción puntual (1) para el aprovechamiento de la energía del movimiento de las olas en la superficie de un cuerpo de líquido (2) y que presenta unas dimensiones reducidas con respecto a la longitud de ola predominante, comprendiendo dicho aparato: a) por lo menos dos dispositivos (3, 4, 43, 44), comprendiendo cada uno de los mismos un flotador de superficie (5, 6, 43) y por lo menos un cuerpo sumergido (9, 10, 44) debajo de la superficie del cuerpo de líquido, y b) uniones (12) entre dichos por lo menos dos dispositivos, en el que dichos por lo menos dos dispositivos están adaptados para moverse uno con respecto al otro en respuesta a las olas que pasan, y el movimiento relativo entre dichos por lo menos dos dispositivos efectúa una transferencia de energía que puede ser aprovechada por las uniones entre dichos por lo menos dos dispositivos.

Description

Convertidor de energía de las olas.
La invención se refiere a un convertidor de energía de las olas de absorción puntual, que comprende preferentemente dos o más boyas oscilantes que flotan en la superficie, estando cada una de las mismas unida a uno o más recipientes o cuerpos profundamente suspendidos, siendo utilizado el movimiento relativo entre ambos cuerpos para generar energía. El término "ola" o "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
El desarrollo de un convertidor de energía de las olas práctico ha sido el foco de atención para muchos ingenieros y teóricos durante los últimos veinticinco años. La comprensión teórica de las olas del mar así como la experiencia técnica en la ingeniería marina relacionada han conseguido un avance inconmensurable desde las plataformas petrolíferas y de gas situadas en alta mar durante el mismo periodo. 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 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 en más de 180 teravatios por hora anualmente. La energía de las olas mar adentro de las costas del oeste de Irlanda y de Escocia, donde el recurso en invierno es aproximadamente el doble que el disponible durante los meses de verano, encabeza los niveles más elevados del mundo.
El recurso es mayor en alta mar
La energía de las olas se pierde debido a la fricción con el fondo del mar a medida que 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 los lugares mar adentro de las costas del noroeste de Europa. En o en la proximidad de la costa, la capacidad de este atenuado recurso se ve disminuida enormemente debido a la falta de lugares apropiados físicamente y a restricciones impuestas por controles de planificación.
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 en la actualidad 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.
Categorías de los convertidores de energía de las olas
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 en la proximidad 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 en la proximidad de la costa.
La gran cantidad de dispositivos y de conceptos propuestos hasta la fecha ha sido clasificada y descrita en forma de resumen para el Engineering Committee on Oceanic Resources by the Working Group on Wave Energy Conversion (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 en la proximidad de la costa y alta mar, y en aguas costeras.
Los convertidores de energía de las olas (WECs) también se podrían clasificar de distintas formas según su principio de funcionamiento y según cómo reaccionen ante las olas. En términos de aplicación práctica, únicamente unos cuantos tipos de dispositivos están actualmente, o han estado recientemente, en uso o a prueba en aguas europeas.
Una fracción significativa de la actual generación de dispositivos WEC incorpora una columna de agua oscilante (OWC). 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, típicamente una turbina de aire. Los dispositivos OWC de escala Megawatt se encuentran en la actualidad en un estado de desarrollo avanzado. 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 por debajo de la línea de agua a la acción de las olas. Un dispositivo similar pero ligeramente diferente, el LIMPET, se ha instalado en la cara de acantilados de Islay en Escocia. Estas dos instalaciones parecen ser los sistemas WEC más desarrollados y perfeccionados de este tamaño disponibles. Sin embargo, existen pocas posibilidades de que ninguna de dichas instalaciones disponga de una capacidad instalada mayor de dos megavatios y se debe limitar enormemente el número de lugares adecuados.
La presente invención se refiere a un aparato que puede presentar un tamaño por lo menos comparable, y que se pueda distribuir en alta mar y en grandes disposiciones. Se trata de un tipo de WEC's conocido como dispositivos de absorción puntual.
Dispositivos de absorción puntual
Los dispositivos de absorción puntual normalmente son simétricos axialmente en un eje vertical y, por definición, presentan dimensiones reducidas con respecto a la longitud de ola de la ola predominante. Los dispositivos funcionan normalmente de un modo vertical, a menudo se les denomina "oscilantes". Típicamente, un flotador de superficie puntiaguda sube y baja con el paso de las olas y reacciona contra el fondo del mar o contra un amarradero tensado. 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 único dispositivo de absorción puntual aislado, oscilante y simétrico axialmente depende de la longitud de ola de las olas incidentes más que del área en sección transversal del dispositivo, es decir, de la longitud de ola dividida entre 2\Pi. De este modo, la longitud de ola es un criterio de crucial importancia, que tiene como resultado el atractivo de situar los dispositivos de absorción puntual en la parte exterior de la zona en la que rompen las olas, y donde estarán abiertos a la longitud de ola larga del oleaje del océano o de la "oscilación".
Los dispositivos de absorción puntual pueden reaccionar contra el fondo del mar (situados por lo tanto necesariamente en agua relativamente poco profunda, normalmente, en la proximidad de la costa) o pueden ser flotantes y reaccionar contra la inercia inherente de uno de sus componentes.
Durante décadas se han utilizado dispositivos de absorción prácticos a pequeña escala como por ejemplo las sirenas de niebla y las boyas de navegación, pudiendo ambas incorporar dispositivos OWC. Típicamente, dichos dispositivos tienen una energía de unos cuantos cientos de vatios.
Dispositivos de absorción puntual autorreactivos de boya oscilante
Se han llevado a cabo varios intentos para desarrollar convertidores de energía de las olas basados en el principio de boyas oscilantes autorreactivas. Uno de dichos ejemplos es una boya oscilante que reacciona contra una placa de inercia suspendida debajo. Este concepto ha sido descrito y analizado en: Hydrodinamic coefficients of a wave energy device consisting of a buoy and a submerged plate, de Berggren, L. y Johansson, M.; Applied Ocean Research 0141-1187/92/05.00; y en: Wave energy conversion through relative motion between two single-mode oscillating bodies (OMAE, Lisboa, Portugal, 5-9 de julio 1998), de Falnes, J.
En la solicitud de patente internacional, WO 97/41349 se describe una segunda variación del principio de boya oscilante. En dicho documento, una única boya oscilante reacciona contra una columna de agua atrapada en un cilindro suspendido verticalmente debajo y abierto en cualquier extremo, por medio de un pistón amplio que se mueve de forma recíproca en el cilindro. La columna de agua movida por el pistón actúa como una masa de inercia; esta disposición se conoce como un tubo acelerador. En los documentos US-A-4.773.221 y WO 99/22137 se conoce y se describe una tecnología similar.
En estos ejemplos ilustrativos, así como en la totalidad de los sistemas de boya oscilante autorreactiva, existen básicamente tres componentes básicos: una boya oscilante en la superficie, alguna forma de dispositivo de reacción suspendido debajo (una placa de inercia, un tubo acelerador, etc.) y una resistencia de carga o extracción de energía situada entre los mismos.
Amarre y control de fase
También es conocida la utilización de un principio de amarre de control de fase de un cuerpo pesado. El principio de amarre (en oscilación vertical) de un cuerpo oscilante en olas irregulares se describió en la patente británica de 1978 GB nº 1587344 de Budal y Falnes.
Su idea era forzar la fase de un flotador oscilante a seguir la fase de las olas, que presentaban una frecuencia natural significativamente inferior (un periodo más largo). De este modo se consiguen mayores movimientos amplificados y, en consecuencia, mayores niveles de energía.
Dan a conocer la sujeción del cuerpo oscilante en la fase superior o inferior de su ciclo por medio de un mecanismo de amarre accionado hidráulicamente (que funciona como un freno de mano), bloqueando el flotador oscilante a una barra larga acoplada al fondo del canal de la ola. A continuación se libera de manera que retorne a su movimiento en la dirección y en la fase de la ola. Se han completado otros análisis teóricos adicionales por parte de otros investigadores. En la actualidad se reconocen dos formas de "control de fase", es decir, amarre tal y como se ha descrito y control continuo que se puede aplicar durante el ciclo y puede implicar que la energía retorne al dispositivo oscilante.
Aparato de flotación variable
Un desarrollo adicional de dispositivos de absorción puntual autorreactivos incorpora un dispositivo de absorción puntual de tres cuerpos que comprende un flotador de superficie, una flotación variable sumergida y una masa de inercia. Dicho dispositivo se conoce y describe en nuestra solicitud de patente internacional WO 99/28623. Dicho dispositivo no proporciona una transferencia óptima de energía de las olas que pasan al convertidor.
Por lo tanto, existe una necesidad de disponer de un dispositivo de conversión de energía de las olas mejorado.
Objetivo de la invención
Es un objetivo de la presente invención proporcionar un dispositivo mejorado para la extracción de energía de las olas o de un 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 de absorción puntual para aprovechar la energía del movimiento de las olas en la superficie de un cuerpo de líquido y que presenta unas dimensiones reducidas con respecto a la longitud de ola, que comprende:
por lo menos dos dispositivos, comprendiendo cada uno de los mismos un flotador de superficie y por lo menos un cuerpo sumergido por debajo de la superficie del cuerpo de líquido,
uniones entre dichos por lo menos dos dispositivos,
y
en el que dichos por lo menos dos dispositivos se encuentran adaptados para moverse uno con respecto al otro en respuesta a las olas que pasan o al oleaje en el cuerpo de un líquido, y cuyo movimiento relativo entre dichos por lo menos dos dispositivos se puede aprovechar por medio de las uniones entre dichos por lo menos dos recipientes o dispositivos.
Es deseable que cada uno de dichos por lo menos dos dispositivos comprenda un flotador de superficie conectado de forma rígida a por lo menos un cuerpo sumergido debajo del flotador de superficie.
El movimiento entre dichos por lo menos dos dispositivos efectúa preferentemente una generación de energía que es aprovechada por las uniones.
El término "conectado de manera rígida" significa que la conexión entre el flotador de superficie y dicho por lo menos un cuerpo sumergido es llo suficientemente rígida par transmitir fuerzas de compresión y de tracción.
Dicho por lo menos un cuerpo sumergido está sumergido preferentemente a una profundidad por debajo de la superficie que es una fracción significativa de la longitud de las longitudes de ola predominantes de la ola u oleaje en un cuerpo de líquido.
Dicho por lo menos un cuerpo sumergido está adaptado preferentemente para atrapar volúmenes del líquido que lo rodea o puede alternativamente, o también en parte, atrapar o contener espacios de aire o dispositivos de flotación.
Los flotadores de superficie preferentemente presentan un tamaño y un peso suficiente como para asegurar que permanecen parcialmente sumergidos en el agua bajo condiciones de ola u oleaje normales.
El término "flotador de superficie" indica un cuerpo de superficie puntiaguda que normalmente está por lo menos parcialmente sumergido, en el que por lo menos parte del flotador normalmente sobresale o se proyecta por encima del nivel del fluido en el que se encuentra dicho flotador.
El término "condiciones normales" indica condiciones típicas de las condiciones climáticas y de tamaño de ola/oleaje predominantes en la zona de distribución del aparato.
Preferentemente, cada dispositivo que comprende un flotador de superficie, un cuerpo o recipiente sumergido y un líquido atrapado presenta una masa general, una masa virtual y unas dimensiones que bien tenderá a tener una frecuencia natural de oscilación a lo largo de su eje vertical próxima a la frecuencia predominante de la ola de superficie, o bien estará provisto de un medio para alterar su frecuencia natural para que coincida con la del tipo de ola predominante.
El término "masa virtual" indica peso gravitacional mínimo y se refiere a un cuerpo que proporciona un lastre hidrodinámico o masa de inercia elevados al haber "masa añadida" asociada a su movimiento en el fluido. Sería deseable que fuese un recipiente cerrado que atrape el líquido en el que está sumergido, o alternativamente, un recipiente parcialmente cerrado o una placa plana horizontal sumergida. La masa virtual está destinada a proporcionar una resistencia a la aceleración del flotador de superficie unido de forma rígida. Preferentemente, será lisa y hidrodinámica para reducir la resistencia y pude incluir una flotación para minimizar el peso de gravedad.
El aparato puede comprender de forma adicional medios de regulación mediante los cuales se puede regular el volumen atrapado de los recipientes sumergidos, por ejemplo, regulando el volumen de líquido atrapado en el/los recipiente/s sumergido/s.
Las uniones están adaptadas para accionar un sistema de extracción de energía que típicamente puede ser hidráulico y accionar un alternador eléctrico. Dichas uniones están dispuestas preferentemente de modo que permitan varios grados de libertad de movimiento, y así, recojan la energía adicional de los movimientos relativos que surgen de la inclinación y de la agitación así como de la oscilación vertical.
Preferentemente, el aparato incluye sistemas de sintonización y control unidos a sondas o a detectores o una consola de accionamiento bien montados en dicho aparato, o bien de funcionamiento por control remoto desde dichos por lo menos dos dispositivos.
El aparato puede comprender adicionalmente medios de control de fase o de arrastre adaptados para ayudar y optimizar la oscilación, la amplitud y el movimiento relativo de los dispositivos acoplados en condiciones marítimas variables o duras. Esto se puede llevar a cabo utilizando resortes de aire o hidráulicos para inmovilizar o amortiguar temporalmente los movimientos de los dispositivos y o para retornar la energía al aparato en ciertas etapas del ciclo.
El aparato también puede incluir sistemas de amarre que mantienen la totalidad de dicho aparato en una posición de acuerdo con los requisitos reglamentarios y que no inhiba significativamente su funcionamiento eficiente.
Además de las uniones de extracción de energía mencionadas anteriormente, los dispositivos de unión también pueden estar provistos de uniones elásticas o cadenas o amortiguadores o adaptaciones similares para absorber los movimientos excesivos relativos en la oscilación, en el oleaje o en la inclinación que pueden ser provocados por las olas que rompen en condiciones de tormenta; dichas uniones o cadenas elásticas normalmente estarán holgadas y se les puede añadir peso.
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 1 es un dibujo esquemático que muestra el principio de funcionamiento de un aparato según la presente invención bajo condiciones de ola, con los flotadores y cuerpos sumergidos asociados oscilando fuera de fase entre sí,
la Figura 2 es un dibujo esquemático que muestra una posible disposición adecuada para regular la masa virtual del cuerpo sumergido del dispositivo según la presente invención,
la Figura 3 es una vista en perspectiva de una forma de realización parcial de la presente invención,
la Figura 4 es una vista lateral de la forma de realización que se ilustra en la Figura 3,
la Figura 5 es una sección en planta a lo largo de la línea A-A de la figura 4,
la Figura 6 es una vista esquemática que muestra una posible disposición de las uniones de extracción de energía, ilustrando posibles grados de libertad en x, y y z y uno de giro,
la Figura 7 es un dibujo esquemático que ilustra un circuito de extracción de energía para su uso conjuntamente con la presente invención, y
la Figura 8 es un dibujo esquemático que ilustra una forma de realización alternativa del aparato según la presente invención equiparado a un dispositivo de absorción puntual pero incorporando una masa virtual.
Descripción detallada de los dibujos
Las Figuras 1 y 2 muestran un aparato 1 para aprovechar la energía de las olas o del oleaje en un cuerpo de líquido 2 según una forma de realización de la presente invención. Comprende dos dispositivos: un dispositivo interior 3 y un dispositivo exterior 4. Ambos dispositivos interior y exterior comprenden flotadores de superficie 5, 6 conectados de manera rígida por medio de barras rígidas 7, 8 u otros medios adecuados, a cuerpos 9, 10 respectivos sumergidos debajo de la superficie. Los flotadores de superficie 5, 6 pueden incorporar preferentemente plafones herméticos. Los cuerpos sumergidos 9, 10 preferentemente están adaptados para atrapar volúmenes del líquido que los rodea o alternativamente, o también en parte, atrapar o contener espacios de aire o dispositivos de flotación. Se puede considerar que dichos cuerpos sumergidos 9, 10 tienen una masa virtual: el término "masa virtual" indica un peso gravitacional mínimo y se refiere a un cuerpo que proporciona masa de inercia y lastre hidrodinámico o masa añadida. Dicho cuerpo preferiblemente podría ser un recipiente cerrado, pero también de forma adecuada, un recipiente parcialmente cerrado o una placa plana horizontal sumergida o alguna combinación de los mismos. La masa virtual está destinada a proporcionar una resistencia a la aceleración del flotador de superficie acoplado.
En la vista que se muestra en la Figura 1, el nivel de la superficie 11 no es plano, es decir en comparación con una ola que pasa, y los dos dispositivos están adaptados para moverse el uno con respecto al otro en respuesta a las olas que pasan o al oleaje en el cuerpo de líquido. Preferentemente, la totalidad de la masa, la masa virtual y las dimensiones de cada uno de los dispositivos que comprenden el flotador de superficie, el cuerpo o el/los recipiente/s sumergidos y el líquido atrapado es tal que cada uno de los mismos tenderá a presentar una frecuencia de oscilación natural a lo largo de su eje vertical que está próxima al extremo inferior de la gama de frecuencias que corresponde a la masa de la energía de la ola que pasa. La frecuencia de oscilación real de los dispositivos de unión se puede incrementar por encima de su frecuencia natural por medio de sistemas de control de fase, por ejemplo, por medios hidráulicos, de manera que el aparato tienda a moverse en fase con el tipo de ola inmediato. Las frecuencias naturales de los dos dispositivos de unión se pueden regular posteriormente alterando la cantidad de la masa virtual respectiva (es decir, masa de inercia y masa añadida) a la que cada uno de los mismos está acoplado. Estas masas virtuales resisten a la aceleración y, por lo tanto, el ritmo de respuesta del cuerpo de flotación acoplado resiste a las fuerzas de accionamiento provocadas por la ola que pasa tanto en movimientos ascendentes como en movimientos descendentes. Alterando estas masas virtuales se puede determinar que los dos dispositivos de unión tienden a oscilar con distintos ángulos de fase. La cantidad de diferencia puede ser típicamente de un cuarto de la frecuencia de la ola predominante. Este movimiento relativo entre los dos dispositivos 3, 4 efectúa una transferencia de energía que puede ser aprovechada por las uniones 12 entre los dos dispositivos 3, 4.
Los expertos en la materia observarán que se puede utilizar cualquier combinación o número de cuerpos sumergidos.
Tal como se muestra en la Figura 2, utilizando el ejemplo del cuerpo sumergido 9, los cuerpos sumergidos 9, 10 pueden comprender adicionalmente medios de regulación por medio de los cuales se puede regular la masa de inercia de los recipientes sumergidos, por ejemplo, se puede regular el volumen de líquido atrapado en el/los recipiente/s sumergido/s. El cuerpo sumergido puede incluir un compartimento cilíndrico 13 que recorra la totalidad de la longitud del recipiente sumergido, pero hermético con respecto a la parte restante del recipiente hermético. Cuando el compartimento cilíndrico se abra por ambos extremos no contendrá líquido, y por ello, se puede considerar que no presenta masa de inercia. Activando una válvula 14, que puede estar situada en la parte superior y/o en la parte inferior del recipiente cilíndrico o encima, por medio de una extensión agujereada estrecha abierta a la atmósfera a través del flotador de superficie, se puede variar la masa atrapada contenida en el interior del compartimento 13. El cuerpo sumergido puede presentar una pluralidad o ninguno de dichos compartimentos contenidos en el mismo. Este método de regulación puede presentar el tradicional beneficio de regular la masa añadida asociada con el cuerpo sumergido, alterando de forma efectiva su área transversal en la dirección del movimiento vertical.
Las Figuras 3 a 5 son ilustraciones de una forma de realización práctica del aparato que se ilustra en la Figura 1, a excepción de que se omiten las uniones de extracción de energía y las superestructuras de cubierta, y se incluye un fondo del mar 100 como referencia. Se utilizarán los mismos números de referencia para componentes similares. La Figura 3 incluye una persona 14 como referencia de la escala. Debido a las grandes dimensiones del aparato y a su distribución típica en condiciones oceánicas, puede comprender adicionalmente luces de navegación y reflectores de radar 15 para su identificación en la navegación. Tal como se muestra en la vista lateral de la Figura 4 y en la sección de la Figura 5, el dispositivo exterior comprende una flotación 6 que se puede conectar a cuatro cuerpos sumergidos 10, los cuales están dispuestos, en esta forma de realización, concéntricamente con respecto a un cuerpo sumergido 9 que forma parte del dispositivo interior 5.
La Figura 6 es una vista esquemática de un aparato según la presente invención encima de la superficie del mar. Los flotadores de superficie interior 5 y exterior 6 resultan evidentes, ya que son las uniones de extracción de energía 12 que mantienen la comunicación entre los dispositivos interior y exterior 3, 4. En esta forma de realización ilustrada, las uniones 12 incorporan cilindros hidráulicos 30 y se pueden conectar con un eje central 31 conectado de forma rígida a la unidad de oscilación interior. Esta disposición de pistones permitirá tres grados de libertad de movimiento entre los dos dispositivos de oscilación 5, 6; se puede extraer la energía, por medio de movimientos en los cilindros hidráulicos 30, de la inclinación y de la agitación, así como de la oscilación vertical. Se permite otro grado de libertad gracias a los pistones que están conectados al eje central 31 por medio de un elemento circular giratorio 20, el cual está adaptado para permitir que el dispositivo exterior gire completamente en el dispositivo interior. A pesar de que dicho giro no efectúa activamente cambios en la energía, mejora las condiciones de navegación de la totalidad del aparato en condiciones en las que puede darse la torsión relativa de los dispositivos conectados. La libertad de giro asegura que dicha torsión no incapacite o rompa las uniones entre los dispositivos interior y exterior. Aunque la presente descripción hace referencia a un dispositivo en el que las uniones 12 están situadas sobre los niveles de flotación 5, 6, la persona experta en la técnica podrá observar que existen disposiciones alternativas adecuadas que permitirán que se extraiga la energía a partir de un movimiento relativo entre dos o más cuerpos, y que permiten grados de libertad entre dos o más cuerpos.
Las uniones hidráulicas 12 de la presente invención son típicamente del tipo conocido en la técnica como compensadores de oscilación o actuadores de doble acción. La incorporación de dichos actuadores en una disposición de extracción de energía se ilustra en la Figura 7, la cual describe un sistema para la conversión del movimiento relativo de los dos dispositivos en electricidad. Los expertos en la materia observarán que dicha disposición de extracción de energía es ilustrativa del tipo que se puede utilizar y no pretende restringir la invención a dicha disposición. Tal y como se muestra en la Figura 7, dos o más actuadores 30 están unidos de forma mecánica a un acumulador o depósito hidráulico presurizado 41, y el movimiento de los pistones 42 a través del actuador acciona fluido del depósito 41 a través de turbinas de flujo 33 para accionar una bomba de engranajes hidráulica 34. Esto, a su vez, está adaptado para accionar un alternador eléctrico 35. Disponiendo de un ordenador de flujo 36, u otra disposición adecuada, se puede controlar la generación de energía de los actuadores 30.
Hasta aquí, se ha descrito la invención por medio de un aparato que comprende dos dispositivos de absorción puntual, siendo cada uno de los mismos capaz de efectuar una oscilación independiente. La Figura 8 ilustra una forma de realización alternativa que corresponde a un dispositivo de absorción puntual único con un flotador que se puede mover 43 que reacciona contra una masa virtual 44 sumergida profundamente.
Funcionamiento
Como se ha descrito anteriormente, el aparato según la presente invención preferentemente deriva su energía del movimiento relativo de los dos (o más) dispositivos 3, 4, comprendiendo cada uno de los mismos un flotador o flotación fija 5, 6 en la superficie 11 del líquido 2 conectada de forma rígida a uno o más recipientes 9, 10 sumergidos profundamente.
Cada flotador de superficie 5, 6 tiende a actuar como una boya oscilante cuando las olas de superficie le pasan por debajo y se ven dificultados sus movimientos verticales de subida y bajada debido a que ésta se encuentra conectada de forma rígida a uno o más recipientes 9, 10 de masa virtual sustancial sumergidos profundamente. Cada combinación de flotador de superficie más el recipiente sumergido acoplado, como una estructura que flota verticalmente, tendrá su propia frecuencia de oscilación natural a lo largo de su eje vertical, la cual se puede regular por medio del control y el diseño apropiados; siendo cada uno de los dispositivos estable alrededor de una posición vertical.
Cada combinación de flotador de superficie más recipiente/s sumergido/s se acciona por medio de fuerzas provocadas por las olas que pasan. Dichas fuerzas de excitación consisten en:
(a)
un término hidrostático (proporcional al valor instantáneo de la altura de la ola)
(b)
un componente dinámico (proporcional a la aceleración instantánea del líquido en el interior de la ola)
(c)
una fuerza de difracción.
Las dos últimas fuerzas actúan para reducir la magnitud de la fuerza de excitación. El efecto del componente dinámico es proporcional al del volumen del cuerpo sumergido 9, 10 y al de la parte sumergida del flotador de superficie; debido a que dicho efecto disminuye con la profundidad, es deseable situar el cuerpo sumergido 9, 10 a una profundidad suficiente para optimizar el diseño y la eficiencia de la operación. La fuerza de difracción es una función de la masa añadida de la parte sumergida del flotador de superficie 5, 6. Por lo tanto, en situaciones ideales, sería deseable minimizar la resistencia del flotador sumergido 5, 6, es decir, minimizar el peso muerto de cada combinación de flotador más recipiente sumergido.
El dispositivo en su conjunto típicamente perderá energía debido a:
(d)
las olas radiadas;
(e)
la resistencia hidráulica y
(f)
los efectos de amarres y umbilicales.
El efecto negativo de (d) y (e) se puede minimizar por medio del diseño hidrodinámico adecuado; el efecto (f) es pequeño con respecto a las fuerzas de excitación principales y a su vez, se ve minimizado por el buen diseño y un aspecto general pequeño con respecto a las fuerzas laterales de la acción del viento y de las olas y de las corrientes. Pueden resultar adecuados los amarres flojos o de boya de peso reducido.
De forma adecuada, por medio del tamaño y el diseño apropiados, la frecuencia natural a lo largo del eje vertical de cada combinación de flotador y recipiente/s sumergido/s se puede diseñar para que se aproxime a la de la frecuencia de ola predominante, proporcionando de este modo la mejor posibilidad para que se dé la resonancia en la ausencia de un sistema de control de fase.
Los sistemas de control se pueden optimizar para permitir la regulación de las oscilaciones del aparato, con el fin de que coincidan con el periodo de ola predominante, de manera que se dé la resonancia sobre una gama de periodos de ola. Con el fin de llevarlo a cabo, será necesario diseñar el aparato básico de manera que su frecuencia natural sea mayor (o su periodo más corto) que la de la mayoría de las olas; a continuación, se pueden utilizar los sistemas de control para reducir dicha frecuencia, de modo que la velocidad de fase del aparato y la de la ola coinciden y que la amplitud de oscilación tiende hacia el óptimo para la extracción máxima de energía útil de acuerdo con las condiciones.
En mares agitados, pero no necesariamente mares extremos de forma destructiva, dicho control de fase y o amarre permitirá que se recupere la energía útil y que se mantengan las prestaciones eficientes incluso aunque la amplitud de la oscilación exceda los límites de diseño de los hidráulicos ("fuera de la carrera").
Un aparato diseñado para tener una frecuencia natural en el extremo inferior de una gama seleccionada de periodos de ola y sustancialmente menor que el periodo más común significa que dicho aparato será menor que el diseñado para coincidir con el periodo más común. Esto presenta los beneficios adicionales de reducir el coste de capital del aparato y de sus amarres, así como de reducir el riesgo de pérdida en mares extremos.
También se puede regular la frecuencia natural de cada combinación de flotador de superficie y recipiente/s sumergido/s regulando el volumen de fluido atrapado por el/los recipiente/s sumergido/s, por ejemplo, haciendo que las válvulas se abran en la parte superior e inferior de cámaras verticales estrechas en el interior de cada uno o de alguno de los recipientes sumergidos.
Con el fin de poner en práctica un sistema de control adecuado, resulta necesario poder predecir y actuar de la forma apropiada con respecto a la ola inmediatamente anterior, así como regular el dispositivo para tener en cuenta tendencias a más largo plazo. Se puede incorporar un modelo de predicción de ola en el software como una función de memoria y registro de datos. Los parámetros del control del sistema se pueden alterar de forma remota, incluyendo los ajustes basados en el rendimiento histórico, previsiones meteorológicas, datos detectados de forma remota y alertas de tormentas.
Así, el movimiento relativo de los dos dispositivos 3, 4, comprendiendo cada uno de los mismos un flotador de superficie 5, 6 y un/os recipiente/s sumergido/s 9, 10 y un sistema de control de fase se pueden regular para que se aproximen a una condición de resonancia sobre una gama seleccionada de periodos de ola. La magnitud de la oscilación tiende a un máximo en la proximidad de la resonancia; la forma de realización preferida del dispositivo se aventaja del rápido cambio en el cambio de fase próximo a la resonancia cuando se regulan los parámetros de los cuerpos oscilantes. Mediante esta táctica, un par de dispositivos, comprendiendo cada uno de los mismos un flotador y un/os recipiente/s sumergido/s, puede presentar una diferencia significativa en el cambio de fases con respecto al del incidente.
La diferencia en el cambio de fase entre un par de dispositivos unidos se puede aprovechar como una fuente de energía por medio de algún sistema adecuado de uniones mecánicas o por medio de inducción eléctrica. Se deberá observar que la amplitud del movimiento relativo entre los dos dispositivos es en todo momento menor que la amplitud que se puede esperar de un único dispositivo bien siguiendo una ola, o en resonancia con una serie de olas. Este aspecto reduce en gran medida la incidencia de la amplitud que excede los límites de diseño de los cilindros hidráulicos ("fuera de la carrera") y facilita el uso de cilindros hidráulicos de recorrido más corto y así, reduce los costes.
El análisis teórico ha demostrado que el presente aparato, efectivamente una combinación de dos dispositivos oscilantes siendo cada uno de los mismos un dispositivo de absorción puntual, puede absorber de forma significativa más energía de una ola que pasa de la que puede absorber un único dispositivo de absorción puntual. Con el fin de conseguir estas eficiencias elevadas, resulta necesario seleccionar cuidadosamente las proporciones correctas de los flotadores de superficie y su hidrodinámica respec-
tiva.
En la forma alternativa del aparato, ilustrada en la Figura 8, éste comprende una única flotación que presenta la superficie puntiaguda y una masa virtual suspendida profundamente unida por medio de la extracción de energía similar a la que se ha descrito anteriormente. En esta forma de realización la cantidad de energía que se puede recuperar de las olas que pasan se puede acercar al límite teórico para un dispositivo de absorción sencillo, es decir, de la longitud de ola dividida entre 2\Pi. Sin embargo, la incorporación de una gran masa virtual, una característica de la presente invención, facilita el diseño de un aparato sencillo que presenta un coste bajo, con una gran capacidad instalada que coincide bien con la longitud de ola larga y con el fuerte oleaje del océano, y que resulta adecuado para las condiciones en alta mar. Esta forma de realización presenta la ventaja adicional de permitir la absorción de una gran cantidad de energía del movimiento de inclinación y de lateral del flotador de superficie ya que no se inhibe por el acoplamiento rígido a un recipiente suspendido en la profundi-
dad.
Preferentemente, dichos medios para convertir las fuerzas resultantes o los cambios en las fuerzas en el aparato en energía útil se pueden seleccionar entre uno o más de los siguientes:
(a)
un sistema hidráulico,
(b)
un sistema neumático,
(c)
un sistema mecánico,
(d)
un sistema piezoeléctrico, y
(e)
un sistema eléctrico,
Preferentemente, dichos medios para convertir dichas fuerzas o fuerzas cambiantes en el aparato convierten dicho cambio en un dispositivo de salida que se selecciona 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.
El dispositivo de salida preferentemente genera energía de un modo cíclico y el aparato además puede comprender opcionalmente medios mediante los cuales se pueda extraer del sistema la energía durante una parte de un ciclo, y retornarla al sistema durante otra parte del ciclo.
La combinación de dos o más convertidores en una disposición determinada proporcionará la oportunidad de compartir costos asociados con los sistemas de extracción de energía, así como de mejorar la continuidad y el suministro de energía.
En cualquiera de las formas de realización mencionadas anteriormente, el cilindro hidráulico, el acumulador y el motor generador se pueden emplazar en una "sala de motores", preferentemente, que se pueda separar para poder llevar a cabo el manteni-
miento.
El dispositivo, en cualquier entorno marítimo, 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 tendrá como resultado una generación de energía más constante que en otros dispositivos. Los recipientes flotantes 5, 6 preferentemente estará cerrados herméticamente, partidos interiormente, y presentarán una resistencia mínima a las olas que rompen o muy grandes. Se puede diseñar fácilmente, de manera que las olas bruscas o que rompen le pasen por encima, una forma esbelta hidrostáti-
camente.
Con sistemas de control de fase, predicción de olas y siendo simétrico axialmente, tenemos que el convertidor de energía 1 continuará funcionando de forma efectiva en mares irregulares, una condición que es más usual que las formas de ola monocromáticas normales. Con mucha frecuencia, las olas son el resultado de dos o más patrones sobrepuestos, quizá con un movimiento de olas de una longitud de ola larga sobrepuesta, en los que el lugar seleccionado está abierto al océano y a las direcciones de viento predominantes. El imperativo de diseño es obtener una energía útil a un coste bajo, es decir, optimizar el coste de la unidad de energía suministrada, en lugar de intentar conseguir la conversión de la máxima cantidad de energía de ola disponible.
El aparato de la presente invención utiliza componentes y sistemas sencillos y robustos. Como tal, se puede maximizar la capacidad y simplificar el mantenimiento de los dispositivos de conversión de energía distribuidos, que se pueden emplazar de forma única o en grandes disposiciones. Estas disposiciones pueden ser disposiciones de convertidores de energía de las olas amarrados individualmente, lo cual es típicamente la forma de realización preferida para los mares con longitudes de ola predominantemente largas. De forma alternativa, la unidad de flotación oscilante y la masa virtual sumergida unida de forma rígida se pueden distribuir en un marco abierto rígido y flotante de celdas contiguas, una disposición que puede ser adecuada para los mares con menor profundidad y más protegidos, que normalmente presentan una longitud de ola más corta. Dichas distribuciones en disposiciones puede permitir el reparto de una funcionalidad común entre varios dispositivos.
Los dispositivos se diseñan para ser independientes de cambios de mareas en los niveles de mar a los que está destinado, presentan una dependencia mínima con respecto a la dirección de la ola, y maximizan su retorno del oleaje del océano con longitud de ola larga.
Utilizando las ventajas ofrecidas por los dispositivos total o parcialmente sumergidos, éstos se pueden desplazar más allá de la línea de la costa y de la zona en la que rompen las olas y generar una energía del orden de 0,5 MW a 1 MW o más por dispositivo en un tipo de ola adecuado.
Este acercamiento representa un convertidor de energía de las olas altamente eficiente y una mejora de los dispositivos anteriores en lo que respecta a:
\bullet
el uso de recipientes sumergidos que presentan una masa de inercia tan elevada como se desee y una masa gravitacional (flotación neta) tan baja como se desee permite que el dispositivo de absorción puntual autorreactivo de "boya oscilante" se aproxime a una disposición ideal de masa-resorte y que tenga más capacidad de potencia de la que hasta ahora se consideraba posible;
\bullet
el uso de masas de inercia hidrodinámicas evita ineficiencias y pérdidas de energía debidas a la resistencia hidrodinámica y a remolinos vórtex asociados con las placas de inercia bien solas, o bien en tubos de aceleración;
\bullet
al extraer energía del movimiento relativo de dos dispositivos acoplados, la longitud del recorrido se reduce en gran medida, incluso en la resonancia, y de este modo, las pérdidas asociadas a las olas "superiores a la carrera" reducidas y o mares con mayor oleaje se pueden aprovechar de manera útil;
\bullet
el control de fase, bien sea continuo o intermitente ("amarre") permite el uso de dispositivos menores que funcionan de manera más próxima a la resonancia gracias a una gama de periodos de ola;
\bullet
la totalidad de los elementos sumergidos son componentes fabricados de forma sencilla;
\bullet
la extracción de energía y el aparato de control se pueden situar en el flotador de superficie;
\bullet
el aparato puede estar fabricado en un muelle seco y remolcado hasta el lugar seleccionado;
\bullet
el aparato es flotante y autorreactivo e independiente de las diferencias de mareas;
\bullet
está bien adecuado a las exigentes condiciones de alta mar.
La combinación de una flotación variable y una masa gravitacional suspendida en la profundidad, tal y como ocurre en nuestra solicitud internacional WO 99/28623, se podría considerar como una masa virtual única de gran tamaño con una masa gravitacional elevada, pero con una flotación reducida o casi neutra efectuada por una flotación sumergida asociada. De este modo, se proporciona una disposición ideal de resorte-masa, algo que hasta el presente no se había contemplado como posible para un convertidor de energía de las olas flotante. Por medio del diseño adecuado de los componentes sumergidos, se puede minimizar cualquier pérdida debida a la resistencia hidrodinámica. En la presente invención, esta combinación de flotación sumergida y masa de inercia de gran tamaño se sustituye por un recipiente cerrado que presenta una reducida masa intrínseca, pero que atrapa un gran y, por lo tanto, masivo volumen de agua, actuando de este modo como una gran masa de inercia. La combinación de flotador de superficie y masa virtual suspendida profundamente se puede sintonizar con el tipo de ola predominante, facilitando la resonancia a través de una gama de periodos de ola, una propiedad importante si se desea conseguir la absorción máxima de energía. La utilización de sistemas de extracción de energía hidráulicos facilita la incorporación de formas de control de fase adecua-
das.
Combinando de forma aproximada dos de dichos dispositivos sintonizados de forma separada, se puede conseguir un salto de fase relativamente grande.
Se realizan otras mejoras asegurando que la totalidad de los ensamblajes y recipientes sumergidos son hidrodinámicos y están acabados para minimizar la resistencia hidrodinámica y los espacios entre los dos o más dispositivos oscilantes y conectados se mantienen lo suficientemente grandes para hacer que las fuerzas de las olas que rompen resulten insignificantes (un espacio de alrededor de 1 metro en condiciones oceánicas).
Esta solución es distinta al dispositivo de absorción puntual de boya oscilante autorreactiva que se ha descrito previamente en dos puntos:
\bullet
incorpora una masa añadida asociada y de inercia relativamente grande como una masa virtual única para reaccionar contra la misma, y en segundo lugar,
\bullet
resulta preferible una combinación de los dos osciladores que se pueden sintonizar de modo diferente para permitir el salto de fase máximo en todos los que se extraiga energía de su movimiento relativo.
Además, está mejorada debido a que es capaz de recoger energía útil de los movimientos relativos entre los dispositivos conectados en lugar del modo vertical.

Claims (12)

1. Aparato de conversión de energía de absorción puntual (1) para el aprovechamiento de la energía del movimiento de las olas en la superficie de un cuerpo de líquido (2) y que presenta unas dimensiones reducidas con respecto a la longitud de ola predominante, comprendiendo dicho aparato:
a)
por lo menos dos dispositivos (3, 4, 43, 44), comprendiendo cada uno de los mismos un flotador de superficie (5, 6, 43) y por lo menos un cuerpo sumergido (9, 10, 44) debajo de la superficie del cuerpo de líquido, y
b)
uniones (12) entre dichos por lo menos dos dispositivos,
en el que dichos por lo menos dos dispositivos están adaptados para moverse uno con respecto al otro en respuesta a las olas que pasan, y el movimiento relativo entre dichos por lo menos dos dispositivos efectúa una transferencia de energía que puede ser aprovechada por las uniones entre dichos por lo menos dos dispositivos.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que cada dispositivo (3, 4) comprende un flotador de superficie (5, 6) conectado de forma rígida a por lo menos un cuerpo sumergido (9, 10) debajo del flotador de superficie.
3. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho por lo menos un cuerpo sumergido está adaptado para atrapar volúmenes del líquido que lo rodea o puede alternativamente o también en parte atrapar o contener espacios de aire o dispositivos de flotación.
4. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los dispositivos presentan un tamaño y un peso suficientes como para asegurar que los flotadores de superficie permanecen parcialmente sumergidos en el agua bajo condiciones de movimiento de ola o de oleaje normales.
5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la masa global, la masa virtual y las dimensiones de cada dispositivo que comprende un flotador de superficie, un cuerpo sumergido, un líquido atrapado y sistemas de control son tales que cada una de las mismas tenderá a tener una frecuencia de oscilación a lo largo de su eje vertical, próxima a la frecuencia de la ola de superficie predominante.
6. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además unos medios de regulación (13, 14) por medio de los cuales se puede regular el volumen atrapado de los recipientes sumergidos, comprendiendo preferentemente unos medios para la regulación del volumen de líquido atrapado en el recipiente sumergido.
7. Aparato según las reivindicaciones 5 ó 6, en el que dicho aparato incluye unos sistemas de control y/o unos sistemas de control unidos a sensores o detectores y adaptados para sintonizar de forma diferenciada los dispositivos oscilantes con las olas que pasan por medio de una o más de las acciones siguientes:
a)
regular las masas virtuales y/o
b)
llevar a cabo mecanismos de control de fase o amarre destinados a mantener la oscilación próxima a la resonancia durante las condiciones cambiantes, y/o
c)
bloquear de forma hidráulica o de otro modo o asegurar de otra forma el aparato durante las condiciones de tormenta o de mantenimiento.
8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las uniones están adaptadas para permitir varios grados de libertad y al mismo tiempo para extraer la energía útil de los movimientos relativos laterales, de inclinación y oscilantes.
9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además unos sistemas de amarre adaptados para mantener la totalidad del aparato en una posición sustancialmente estacionaria con respecto a una situación fija.
10. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos una parte de las uniones se puede formar por medio de un resorte de aire o un resorte mecánico que permiten regular la conexión entre dichos por lo menos dos cuerpos, de acuerdo con la oscilación de cualquiera de los mismos.
11. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos un cuerpo sumergido es hidrodinámico, de manera que se reduzca la resistencia hidrodinámica.
12. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos un cuerpo sumergido se encuentra sumergido a una profundidad por debajo de la superficie que es una fracción significativa de la longitud de ola u oleaje predominante en el cuerpo de líquido.
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