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