ES2256879T3 - Extraccion de energia de la olas del oceano. - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO DE CONCENTRACION PARABOLICO O SEMIPARABOLICO SITUADO EN EL OCEANO QUE CONSTA DE SECCIONES DE PARED (5) QUE HACEN CONVERGER UN FRENTE DE OLAS OCEANICAS PARALELAS EN UNOS PUNTOS DE CONCENTRACION (9,10) SITUADOS EN UNA CAMARA COMPRESORA DEL AIRE (11) SITUADA ENTRE LAS SECCIONES DE PARED (5), CON LO QUE SE PROPORCIONA UN EFECTO DE AMPLIFICACION DE LAS OLAS. UNA SUPERFICIE DE OLA OSCILANTE PRODUCE UNA COLUMNA DE AIRE OSCILANTE DENTRO DE LA CAMARA (11) PARA MOVER UNA TURBINA AUTORRECTIFICADORA SITUADA EN UNA SALIDA EN LA PARTE SUPERIOR DE LA CAMARA. LA TURBINA CONSTA DE UN ROTOR CON PALAS AERODINAMICAS RADIALMENTE ORIENTADAS Y QUE SON SIMETRICAS EN UNA SECCION TRANSVERSAL EN TORNO A UN EJE TRANSVERSAL, DE MANERA QUE LA TURBINA GIRE EN UNA SOLA DIRECCION SIN IMPORTAR LAS OSCILACIONES DE LA COLUMNA DE AIRE. TAMBIEN SE DESVELAN VARIOS MECANISMOS PARA VARIAR EL PASO DE LAS PALAS.

Description

Extracción de energía de las olas del océano.

La presente invención se relaciona en general con turbinas, en particular (pero no solamente) para el uso en sistemas para el aprovechamiento y la conversión de la energía de las olas del océano en formas de energía más utilizables tales como la energía eléctrica.

Más particularmente, la invención se relaciona con sistemas de extracción de la energía contenida en las olas en los cuales el movimiento de oscilación de las olas oceánicas es utilizado para desplazar un volumen de aire para impulsar una turbina operada con viento conectada a un generador eléctrico. Las olas pueden ser conducidas dentro de una cámara de compresión de aire especialmente configurada, en la salida en la cual está dispuesta una turbina de viento operable en forma apropiada.

Con este propósito, los diferentes campos de interés incluyen: un dispositivo de enfoque de la ola; una disposición de la cámara de compresión de aire particularmente adecuada para ser usada con un dispositivo de enfoque de la ola; y una turbina operable con viento para rotar en forma unidireccional bajo condiciones de flujo de aire que se invierten periódicamente del tipo contemplado anteriormente.

Se apreciará que mientras que la invención es descrita aquí en el contexto de un sistema completo de conversión de energía, la turbina puede ser adaptada para ser utilizada en otras aplicaciones no relacionadas. Alternativamente, todo puede ser incorporado dentro de sistemas similares de conversión de energía cuando se combinan con nuevos dispositivos componentes alternativos existentes que no se describen en detalle en este documento.

Antecedentes de la invención

Asuntos relacionados con los limitados recursos de las fuentes tradicionales de combustibles hidrocarburos y las dañinas emisiones resultantes de su uso, han impulsado considerable investigación hacia fuentes energéticas sostenibles que no causen polución tales como las olas, el viento, las mareas, la geotérmica y la solar.

En tanto que se han hecho significativos progresos tecnológicos en la conversión de energía a partir de algunas de estas áreas alternativas como el viento y la solar, hasta la fecha la mayoría de los sistemas de generación de energía accionados por olas no han sido físicamente prácticos y/o económicamente
viables.

En este sentido, se han propuesto numerosos tipos diferentes de sistemas de generación accionados por olas, la mayoría de los cuales se fundamentan en el principio básico del uso del movimiento vertical inherente al movimiento de las olas para efectuar el desplazamiento correspondiente de un componente del sistema de generación. Sin embargo, todos los sistemas propuestos hasta ahora han tenido sus limitaciones.

Por ejemplo, uno de tales sistemas utiliza aspas de flotación oscilantes, cuyo movimiento se convierte directa o indirectamente en energía eléctrica. Sin embargo, estos sistemas de aspas flotantes tienen generalmente una baja eficiencia de conversión de energía y son incapaces de soportar condiciones climáticas adversas. Esto significa bien sea que tales sistemas están limitados a ubicaciones costeras que tienen solamente patrones de olas moderados y predecibles, o que los sistemas deben ser trasladados a un refugio adecuado cuando se esperan tormentas.

Otros sistemas incluyen a aquellos basados en el concepto de canalización de las olas a través de bombas de desplazamiento de agua, o alternativamente dentro de grandes acumuladores o reservorios, siendo utilizada posteriormente la presión hidrostática del agua almacenada para impulsar un generador de turbina o similares. Nuevamente, la eficiencia de la conversión total en energía es relativamente baja debido a los altos costos de capital asociados.

Unos de los tipos alternativos más promisorios de sistemas que se han propuesto hasta ahora, en los cuales se basa la presente invención, son aquellos en los cuales el movimiento vertical de las olas se traslada a movimiento rotatorio para impulsar directa o indirectamente un generador. En estos sistemas, la elevación y la caída del agua de mar se canalizan hacia, y se aprovechan dentro de una cámara de compresión de aire. La cámara tiene en su salida un conducto de desagüe o venturi, en el cual se ubica una turbina de aire o una clase operable para rotar unidireccionalmente bajo el flujo de aire que oscila periódicamente inducido por el movimiento de la ola.

Nuevamente, las principales deficiencias con estos modernos sistemas de turbina de aire impulsados por olas son las restricciones en la eficiencia total de energía que se puede obtener. Esto es debido ante todo a las limitaciones primeramente en el medio de enfocar la energía de la ola para maximizar la amplitud de desplazamiento de la ola, y luego a la eficiencia de operación inherente al diseño de la turbina.

En el primer caso, la mayoría de los dispositivos de enfoque del estado de la técnica han contado con reflexión planar del frente de la ola y/o la canalización del frente de la ola a través de una abertura estrechada de tal manera que se magnifique el desplazamiento vertical o la amplitud de la ola. Otros incluyen medios diferentes para alterar la formación del lecho marino para romper en forma controlada la propagación de la ola para maximizar así la amplitud de la ola en una ubicación predeterminada. Una vez más estos tipos de sistemas han estado limitados hasta ahora con respecto a la máxima amplificación obtenible de la ola para un nivel dado de gasto de capital.

En el segundo caso, la mayoría de las turbinas del estado de la técnica están diseñadas para rotación a velocidad constante en respuesta al flujo de fluido únicamente en una dirección, y como tal son incapaces de operar continuamente en respuesta a las condiciones inversas de flujo de fluido presentes en las aplicaciones propulsadas por la ola del tipo discutido anteriormente. Sin embargo, se han diseñado una cantidad de turbinas unidireccionales configuradas especialmente para esas condiciones de flujo inverso, la mayoría de dispositivos usados comúnmente estando basados en lo que se conoce como la turbina "Wells".

La turbina original de Wells era una estructura tipo ventilador axial monoplano con aspas extendiéndose en forma radial de una sección de un ala que es generalmente simétrica alrededor de una línea cordal, en donde las aspas se fijan con sus superficies planas de elevación normal cero al eje del rotor.

Sin embargo, estas primeras turbinas se conocieron por sufrir por atascarse, resultando a menudo en la detención de la planta de aprovechamiento de la energía de la ola. Este atascamiento ocurre debido al hecho de que una turbina así necesita ser diseñada alrededor de niveles anticipados de flujo de aire, mientras que el tamaño de las olas que entran a la cámara de la turbina no pueden ser controladas en todas las ocasiones. Por lo tanto, cuando entra una ola de mayor tamaño a la cámara, su momento causa en consecuencia una velocidad de flujo de aire mayor a través de las hojas de la turbina. Como la velocidad de rotación de las aspas es incapaz, con su configuración de aspa, de incrementar correspondientemente para contrarrestar este mayor flujo de aire, el ángulo de ataque del flujo de aire a las aspas se incrementa más allá del ángulo de atascamiento y la turbina se detiene.

Algunos dispositivos posteriores del arte previo han intentado vencer este problema instalando efectivamente dos turbinas Wells monoplano en serie dando como resultado una turbina biplano. En tanto que este sistema modificado resuelve el problema del atascamiento, lo hace a costa de la eficiencia total. Esto es debido a que sacrifica el primer juego de aspas permitiéndoles en consecuencia atascarse y apagarse, mientras que el segundo juego de aspas continúa operando a marcha y eficiencia reducidas. Esto es debido ha haber sido disminuida y aplanada la velocidad total de flujo de aire debido al atascamiento y la interrupción del flujo de aire por la primera turbina.

Estas turbinas del estado de la técnica se basan usualmente en una construcción de gran masa de bajas revoluciones con el propósito de asegurar una rotación continua uniforme bajo flujos de aire de impulsión del tipo contemplado, que cambian periódicamente.

Se apreciará por lo tanto que la mayoría de las turbinas del estado de la técnica adecuadas para este tipo de aplicación son a menudo muy complejas en diseño y usualmente tienen severas limitaciones en relación con las condiciones de operación y/o las eficiencias.

Es un objetivo de la presente invención el proveer una turbina que venza o al menos mejore una o más de las desventajas anteriormente discutidas del estado de la técnica, o al menos ofrezca una alternativa útil a la misma, y que pueda ser utilizada en un sistema de extracción de energía de la ola.

La patente US-A-5.005.357 revela una turbina de cuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Revelación de la invención

La invención provee una turbina como la expuesta en la reivindicación 1.

La turbina puede ser usada en combinación con un enfoque plano de la ola y una estructura de amplificación, dicha estructura comprendiendo una bahía de costados abiertos limitada por una pared generalmente vertical, la pared estando configurada por su periferia interior para definir en sección plana desde la abertura de la bahía, dos brazos convergentes de una curvatura generalmente parabólica en parte, en donde los ejes de simetría de cada uno de dichas parábolas a partir de los cuales se derivan los brazos, son paralelos y los brazos se unen en forma adyacente a sus extremos convergentes para formar un vértice compartido, dicha pared estando orientada para admitir un frente de ola que avanza en una dirección generalmente paralela a dichos ejes de simetría, a fin de que por la reflexión de la pared, la ola converja a una región de aprovechamiento de la energía cercana al vértice o adyacente al foco de cada una de dichas parábolas, amplificando así el desplazamiento vertical de la ola en esa región.

En forma deseable, los brazos de convergencia de parte de la curvatura parabólica están unidos al vértice compartido por medio de una porción del extremo de la pared que define también a la porción posterior de la pared de una cámara de compresión de aire, la porción delantera de la cámara estando preferiblemente definida por la sección delantera de la pared que se extiende hacia adelante de la porción posterior para circunscribir un área predeterminada alrededor de la región de aprovechamiento de la energía, la sección delantera de la pared extendiéndose solo parcialmente más abajo del nivel anticipado de agua para que el agua sea capaz de fluir más abajo de la pared frontal y más arriba dentro de la cámara.

En una forma preferida, se configura la pared para definir en una sección plana a su periferia interior una parte extrema de una parábola sencilla o en cercana aproximación a la misma, en donde por reflexión de la pared, las olas convergen en una región en, o adyacente al foco único de esa parábola.

En otra forma, que puede ser menos costosa de construir, la estructura comprende una cámara de compresión de aire en donde la porción posterior de la pared puede estar formada en parte por la línea costera existente, y la bahía está definida simplemente por dos brazos posiblemente relativamente cortos de parte de la curvatura parabólica que se extiende desde las paredes de la cámara. Generalmente, cualquier arreglo sobre la longitud de los brazos parabólicamente curvados, está compensado por medio de la ampliación del área plana de la cámara de compresión de aire que circunscribe a la región de aprovechamiento de la energía.

Preferiblemente, la bahía está unida además a su base por medio de un lecho marino generalmente plano que es de profundidad constante a lo largo de una dirección generalmente perpendicular al eje de simetría de la parábola. La profundidad e inclinación (si la hay) del lecho marino puede variar de acuerdo a los estratos locales y condiciones de oleaje, así como a la forma en la cual las olas amplificadas son aprovechadas para la extracción de energía. El propósito principal será optimizar las condiciones locales para maximizar la magnificación de la ola, idealmente sin que las olas rompan antes de entrar a la región de aprovechamiento. Por ejemplo, en una forma preferida, el lecho marino puede tener declive hacia arriba hacia la región de aprovechamiento para ayudar en forzar más al agua hacia arriba a esa ubicación.

Preferiblemente, la longitud focal de la parábola de be ser menor que, o igual a 1/7 de la longitud de la longitud de la ola de las olas entrantes, que en la mayoría de los casos resulta en una longitud focal de entre 5 y 15 metros.

Preferiblemente, las aspas están cada una conectada con el cubo de tal manera que el ángulo incluido entre el plano cordal de dicha sección de superficie de sustentación y el eje del cubo está entre 0º y, digamos, 45º.

Deseablemente, el ángulo máximo incluido discutido anteriormente es ajustable. Es invertido en sincronización con el flujo inverso de fluido, para optimizar así el ángulo de ataque para el flujo de fluido en ambas direcciones.

Se apreciará que la inversión del grado de inclinación del aspa puede lograrse en numerosas formas incluyendo por ejemplo, el uso de un montaje de engranaje cónico de motor dispuesto para rotar una guía central sobre la cual está montada cada aspa. En otra variación, cada aspa está montada sobre una guía que tiene un brazo de operación de desplazamiento que coopera con un eje de operación rasurado en forma helicoidal, que puede moverse recíprocamente a lo largo del eje del rotor.

En una forma adecuada preferida para un juego particular de condiciones, el ángulo máximo incluido está entre +30º y -30º, y se invierte para corresponder con el flujo inverso de fluido. En otra forma preferida, particularmente adecuada para aplicaciones del tipo descrito aquí, en las cuales el fluido de trabajo es un gas tal como el aire, la inversión del grado de inclinación del aspa es por un medio sensible a un transductor de presión dispuesto para detectar el punto de inversión del flujo de gas.

Deseablemente, las aspas están espaciadas en forma uniforme alrededor del cubo central. En algunas formas preferidas adecuadas para aplicaciones particulares, el rotor tiene entre 4 y 16 aspas. La solidez puede ser muy variable, cayendo a menudo en el rango entre 0,2 y 0,8. La relación preferida de la cuerda del aspa es del 18%, y el perfil preferido del aspa comprende dos mitades frontales unidas de un ala NACA 65-418 estándar.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se provee un sistema de extracción de energía de las olas oceánicas, dicho sistema incluyendo:

un medio de enfocar la ola para magnificar el pico vertical periódico para el desplazamiento mínimo de las olas entrantes hasta una ubicación plana predeterminada que define una región de aprovechamiento de energía;

una cámara de compresión de aire que tiene una entrada de agua generalmente sumergida en, o muy cerca de dicha región de aprovechamiento para admitir a las olas que oscilan periódicamente para que desplacen un volumen de aire de allí arriba para generar así el correspondiente flujo inverso periódico de aire;

dicha cámara de compresión teniendo también una salida de aire en la cual se ubica una turbina impulsable por aire, operable para rotar unidireccionalmente en respuesta a dicho flujo inverso de aire;

en donde la turbina está de acuerdo con la reivindicación 1.

Preferiblemente, el medio para enfocar la ola comprende una estructura para amplificar y enfocar la ola en un plano generalmente parabólico de acuerdo con el primer aspecto de la invención, en donde el foco de la parábola cae dentro de la ubicación plana predeterminada.

Deseablemente, la cámara de compresión de aire se configura para converger desde la entrada de agua hacia la salida de aire para acelerar el flujo de aire. En una forma preferida, la cámara incluye un venturi adyacente a su salida en la entrada del cual se dispone la turbina impulsada por aire.

En otras formas preferidas, la salida de la cámara de compresión de aire y/o la carcasa y/o los estatores asociados con la turbina, pueden incluir álabes para optimizar la dirección del flujo de aire dentro y/o hacia fuera de la turbina.

Breve descripción de los dibujos

Se describirán ahora las modalidades preferidas de la invención, a manera de ejemplos únicamente, con referencia a los dibujos acompañantes, en los
cuales:

La Figura 1 es una vista esquemática en proyección horizontal de una primera modalidad de estructura de enfoque y amplificación de la ola en donde los brazos de la pared de la abertura de la bahía está formada por medio de dos partes de secciones parabólicas que tienen ejes separados y paralelos de
simetría.

La Figura 2 es una vista esquemática en perspectiva generada por computador de una segunda modalidad estructura de enfoque y amplificación de la ola plana en donde la pared está definida generalmente por una porción terminal de una parábola sencilla, ilustrando el desplazamiento mínimo del máximo de la ola que se puede lograr en la región de aprovechamiento;

La Figura 3 es una vista esquemática en perspectiva generada por computador de la estructura mostrada en la Figura 2, ilustrando el desplazamiento máximo del pico de la ola obtenible en la región de aprovechamiento de energía;

La Figura 4 es una representación gráfica a escala de la segunda modalidad del enfocador parabólico de la ola del enfocador parabólico de olas de olas planas como el mostrado en las Figuras 2 y 3;

La Figura 5 es una vista esquemática seccional en proyección horizontal de una tercera modalidad de una estructura amplificadora y focalizadora de onda parabólica de una parte de onda plana.

La Figura 6 es una vista esquemática en perspectiva de una primera modalidad de un rotor de turbina de acuerdo con la invención, en donde las aspas se fijan en un ángulo incluido de 0º al eje del cubo
central;

La Figura 7 es una vista esquemática en perspectiva de una segunda modalidad de rotor de turbina de acuerdo con la invención, en donde el grado de inclinación del aspa es ajustable y puede ser invertido en respuesta al flujo de vaivén del aire a través de la turbina;

La Figura 8 es una parte de una vista del rotor de la turbina de la Figura 7 mostrando un aspa y su conexión al cubo;

La Figura 9 es una sección esquemática transversal de un aspa de los rotores de la turbina mostrada en las Figuras 6, 7 y 8;

La Figura 10 es una vista esquemática seccional mostrando una primera modalidad de la variación del grado de inclinación del aspa de la turbina y el mecanismo de inversión;

La Figura 11 es una parte de una vista en proyección horizontal del mecanismo mostrado en la Figura 10;

La Figura 12 es una vista esquemática mostrando una segunda modalidad de la variación del grado de inclinación del aspa de la turbina y el mecanismo de inversión;

La Figura 13 es una parte de una vista en proyección horizontal del mecanismo mostrado en la Figura 12; y

La Figura 14 es una vista esquemática seccional de una primera modalidad de dispositivo de extracción energía de las olas de acuerdo con la invención.

Modalidades preferidas de la invención

Con referencia primero a la Figura 1, se muestra primero una primera modalidad de la estructura de enfoque de la ola designada generalmente con el numeral de referencia 1.

La estructura 1 comprende una bahía de costados abiertos 2 limitada por una pared oceánica generalmente vertical 3. La pared 3 está curvada en forma cóncava en su periferia interior 4 para definir en proyección horizontal dos brazos convergentes 5 de una parte de curvatura generalmente parabólica, en donde los ejes respectivos de simetría 6 y 7 de las parábolas a partir de los cuales se derivan los brazos, son paralelos. Los brazos 5 se unen en forma adyacente a sus extremos convergentes para formar un vértice compartido 8. La pared 3 está orientada para admitir un frente de ola que avanza que se propaga en una dirección generalmente

\hbox{paralela a los ejes de simetría 6 y 7.}

La Figura 5 muestra otra variación sobre la estructura ilustrada en la Figura 1 que puede ser empleada cuando es muy costoso, o no es posible construir la pared de la bahía ya sea como parte de la línea costera circundante o teniendo largos brazos parabólicos que se extienden hacia afuera dentro de la bahía. En este caso, se alcanza un compromiso construyendo en forma relativamente corta la parte parabólica de los brazos 5 que se conecta directamente a un vértice compartido 8 que simultáneamente forma las porciones posteriores de la pared de una cámara asociada de compresión de aire mostrada en una sección en proyección horizontal como 11.

Las Figuras 2, 3 y 4 muestran una forma preferida en donde la estructura está formada como una porción terminal de una parábola sencilla o una aproximación muy cercana a la misma, que tiene un coco único 9.

Las olas en el océano contienen enormes cantidades de energía, pero debido a que ellas son generalmente ondas planas, la energía en cada cresta se distribuye a lo largo de la misma. El propósito de la estructura parabólica o en parte parabólica de amplificación o focalización de la onda es la de transportar o converger esa energía a una región centralizada a partir de la cual esa energía puede ser más fácilmente aprovechada.

En uso, la estructura de enfoque de la ola está orientada como se describió, de tal manera que la onda plana avanza hacia la pared parabólica o en parte parabólica 3 en una dirección generalmente paralela al eje (o ejes) de simetría 6 y 7. Al impacto con las secciones parabólicas 5 de la pared 3, la onda se refleja para converger hacia el foco correspondiente 9 o focos 9 y 10 de cada parábola respectiva. Cuando la pared define parte de una parábola sencilla como en la segunda modalidad preferida mostrada en las Figuras 2, 3 y 4, la onda converge hacia el foco único 9 como una onda polar o circular. En este punto, la amplitud del desplazamiento de la onda habrá sido significativamente magnificada, haciéndola la ubicación perfecta del plano en el cual posicionar medios adecuados para convertir ese desplazamiento del agua de mar en otra forma de energía más utilizable. Esta se define como la región de aprovechamiento de energía mostrada generalmente como 12 que en la Figura 5 corresponde en ubicación con la cámara de compresión de aire 11. Se apreciará que el tamaño plano de esta región no es fijo y su determinación dependerá en parte de la dispersión alcanzada de energía dentro de esta área.

Debe observarse que existen unas pocas condiciones que deben ser cumplirse para lograr un enfoque de máxima energía con la estructura parabólica o parcialmente parabólica de amplificación y enfoque de la onda descrita anteriormente.

Primeramente, la cresta de la ola debe propagarse idealmente en forma estrechamente paralela a cada uno de los ejes de la parábola de simetría 6 y 7. Puede tolerarse que aparezcan ligeras variaciones con una pequeña perdida de energía, pero entre mayor sea el ángulo entre el eje o los ejes de simetría y la dirección de propagación de la onda, mayor será la dispersión del área de concentración de energía haciendo al sistema menos eficiente. Esta no es generalmente una preocupación mayor dado que la estructura de enfoque de la ola está correctamente orientada en la instalación, ya que las olas en la costa no varían mayormente su ángulo de incidencia debido a la batometría de proximidad.

Una vez que la sección de la ola plana entra al dominio de la parábola, el fondo del mar debería ser idealmente razonablemente plano o planar a través del eje de la parábola o parábolas, para no alterar la dirección de la ola, y de suficiente profundidad o bien configurado de tal manera para prevenir que las crestas de las olas se rompan antes de entrar a la región de aprovechamiento a medida que ellas crecen debido a efectos no lineales. Investigaciones preliminares han indicado que para una aplicación particular, una profundidad en la entrada de la bahía aproximadamente 6 metros debería ser suficiente en la mayoría de las condiciones de oleaje, excepto con las olas más grandes.

Si la energía se disipa inicialmente debido a olas entrantes agitadas e irregulares, entonces algo de energía se disipará del foco o de los focos 9 y 10. La pérdida de energía debida a ésta o a cualquiera de las condiciones anteriormente mencionadas puede ser aminorada escogiendo apropiadamente la distancia del foco, para que las olas no tengan el tiempo o el espacio para variar grandemente dentro del dominio parabólico. Una vez más, las investigaciones preliminares han indicado que una distancia focal aproximadamente de 1/7 de la longitud de la ola debe ser adecuada en una gran variedad de aplicaciones. Ya que las longitudes de las olas están típicamente entre 35 y 105 metros, esto se traduce en una distancia focal de aproximadamente 5 a 15 metros.

El potencial de un dispositivo de enfoque de ola de este tipo es significativo, y las simulaciones por computador indica que fluye un 24% más de energía dentro de dominio parabólico que el que existe en una ola no enfocada con una longitud correspondiente al ancho de abertura de la parábola. Esto se traduce en una magnificación de la ola del orden de 3. Las pruebas hasta la fecha han mostrado que un factor de magnificación de 2,5 puede ser obtenido fácilmente.

Sin embargo, se aprecia que en realidad existirán pérdidas que evitarán que se obtengan los niveles máximos teóricos de energía. Por ejemplo, en operación práctica de la estructura de parábola sencilla, la ola circular que converge sobre el foco, en realidad no será un círculo completo, ya que existirá un sector de pérdida sobre el costado abierto al océano. En los bordes de este sector de pérdida existirá alguna difracción de energía dentro de dominio de la parábola. Pueden haber también pérdidas debidas a la interferencia de la reflexión de la ola en las estructuras costeras localizadas en forma adyacente a la bahía parabólica, e irregularidades en el lecho marino.

Los medios preferidos para lograr esa extracción y conversión de energía serán descritos a continuación con referencia a las Figuras 6 a 14.

Volviendo a la Figura 6, se muestra un rotor 20 de una primera modalidad de turbina de acuerdo con la invención operable para rotar unidireccionalmente cuando se lo somete a flujos de fluido inverso generalmente axiales a través suyo.

El rotor 20 incluye un cubo central 21 que tiene un eje 22 a partir del cual se extienden una pluralidad de aspas 23 seccionadas de la superficie de sustentación que se extienden radialmente en forma recta.

Deseablemente, las aspas 23 tienen una sección de superficie de sustentación de acuerdo con la configuración general ilustrada en la Figura 9 con uno de sus lados generalmente en forma de superficie plana 24 y el lado opuesto generalmente en forma de superficie convexa 25. La línea cordal, que también denota lo que se mencionará como plano cordal longitudinalmente extendido las aspas, es mostrado generalmente en 26. Como se observa, la sección transversal de cada una de las aspas es también aproximadamente simétrica alrededor de una línea 27 define la altura máxima de la comba de la sección del aspa y es también generalmente constante a lo largo de su longitud que se extienden radialmente.

La primera modalidad ilustrada en la Figura 6 tiene al plano cordal de cada una de las aspas alineado en línea recta con, o en forma paralela, con el eje del cubo central 22, que está en un ángulo incluido de 0º. De ésta forma, el flujo de aire que entra a la turbina desde cualquiera de las direcciones axiales tendrá el mismo ángulo de incidencia con las aspas del rotor 23 y efectúa la misma rotación resultante del rotor ya indicada. A este respecto, la fuerza neta ejercida en cada dirección de flujo sobre la superficie generalmente plana del aspa 24 en la medida en que fluye fluido, debido al efecto Bernoulli, y a la diferencia de presión resultante entre el lado plano y el lado convexo de las aspas, estará en la misma dirección, dependiendo la magnitud del flujo relativo de aire en las dos direcciones opuestas.

Mientras que esta configuración fija de aspa pueda ser satisfactoria para diferentes aplicaciones a baja velocidad, en la medida en que se incrementa la velocidad de rotación del rotor, el ángulo de ataque del flujo impulsor no será más el óptimo, afectando así la eficiencia operacional de la turbina.

Con el propósito de corregir este problema, se ha propuesto una segunda modalidad de la invención de grado de inclinación variable como se ilustra en las Figuras 7 y 8. En esta modalidad, cada una de las aspas 23 está conectada al cubo central 21 por medio de una guía 28 o similar que, por medio de algún mecanismo interno apropiado, facilita la rotación del aspa para variar así el grado de inclinación.

Debe observarse que el mecanismo para ajustar el grado de inclinación del aspa se configura preferiblemente de tal manera que el grado de inclinación pueda ser invertido automáticamente en sincronización con el flujo invertido de fluido a través del rotor, para que el ángulo de ataque se optimice en ambas direcciones. Claramente, si el rotor se fija para ser optimizado solamente en una dirección, el efecto desventajoso cuando se invierte el flujo de aire contrarrestaría en la mayoría de las situaciones cualquier beneficio que pudieran ganarse potencialmente sobre la configuración paralela fija de las aspas mostradas en la Figura 4.

Dos mecanismos adecuados se ilustran, a manera de ejemplo solamente, en las Figuras 10 a 13. En este sentido, las Figuras 10 y 11 muestran un arreglo simple por medio del cual cada aspa 23 está asegurada por medio de una camisa 29 a una guía 28 centralmente localizada, que a su vez está rígidamente conectada al cubo del rotor 21. También está conectado rígidamente al cubo 21 un motor adecuado 30 que impulsa a un engranaje de piñón 31 axialmente suspendido. El piñón engrana a un engranaje de ruedas dentadas 32 que tiene asociado un engranaje anular cónico 33 que pueden rotar libremente alrededor del cubo central 21.

La camisa 29 de la guía central 28 del aspa 23 tiene en su extremo un engranaje cónico más pequeño 34 que se engrana al engranaje anular cónico 33. Se provee una disposición similar para cada aspa. De esta forma es posible variar de inclinación de las aspas con relación al eje del rotor mientras la turbina está rotando a alta velocidad, por medio del mecanismo de engranaje descrito.

Las Figuras 12 y 13 ilustran una disposición alternativa por medio de la cual se efectúa la rotación de las aspas 23 a través del movimiento axial recíproco de una abrazadera de control ranurada diagonalmente 35. Las ranuras de la abrazadera engranan a los pasadores 36 montados sobre los brazos compensadores de impulsión 37, causando que las aspas roten por lo tanto alrededor de la guía central 28.

Se apreciará por aquellos entrenados en el arte del diseño de turbinas, que existen una serie parámetros que necesitan ser evaluados para las condiciones particulares y el contenido energía de cada aplicación propuesta para una turbina de este tipo. Estos parámetros incluyen la relación del aspecto de las aspas (relación de cuerda), la longitud de cuerda del aspa, la solidez de la turbina (la relación efectiva de la longitud del aspa al diámetro del cubo), el número de aspas, y el ángulo máximo a través del cual las aspas pueden girar por el flujo de aire (esto es, el grado de inclinación del aspa) un ejemplo que ha sido propuesto como apropiado para una aplicación particular tiene una relación de cuerda del aspa del 18%, una longitud de cuerda de 0,4 m, un diámetro del cubo de 1,2 metros, una longitud de aspa de 0,45 m, un total de 12 aspas y un ángulo máximo incluido entre el plano cordal de las aspas y el eje del cubo de 30º. El perfil de aspa preferido comprende dos medias porciones unidas al frente de una superficie de sustentación estándar NACA 65-418.

Con relación a la Figura 14, se muestra una vista esquemática seccional de una primera modalidad de un sistema de extracción de energía de olas oceánicas 40 de acuerdo con la invención.

El sistema 40 incluye un medio para enfocar la ola mostrada generalmente como 41, que es utilizado para magnificar el pico vertical periódico para el desplazamiento mínimo de las olas entrantes hasta una ubicación plana predeterminada o región de aprovechamiento 12 cuyo centro se indica por medio de la línea 42.

Dispuesto en, o en forma adyacente a la ubicación plana 42 que circunscribe a la región de aprovechamiento, está una cámara de compresión de aire 43. La cámara tiene una entrada de agua generalmente sumergida y está dimensionada de tal manera que por la admisión de las olas periódicamente oscilantes, se desplace por lo tanto un volumen de aire 45 para generar el correspondiente flujo periódico inverso de aire.

Deseablemente, la cámara de compresión converge hacia una salida de aire 46 en, o adyacente a la cual se localizan una turbina impulsada por aire mostrada generalmente en 47.

En uso, las olas entrantes se enfocan para magnificar el pico vertical periódico para el desplazamiento de las olas adyacentes a la ubicación 42. De esta forma, un cuerpo en vaivén o columna de agua oscila dentro de la cámara de compresión de aire 43 a través de la entrada de agua 44, actuando así como un pistón sobre el volumen de aire 45 contenido allí. Por ejemplo, en el recorrido hacia arriba de la ola, el volumen de aire 45 se desplaza hacia la salida de aire 46 y las paredes y los conductos convergentes de la cámara causan una aceleración del flujo de aire desplazado. Este flujo acelerado de aire es forzado entonces a través de la turbina impulsada por aire, cuya rotación puede ser utilizada para dar potencia a un generador o similar. En la medida en que bajan las olas el aire es arrastrado hacia abajo dentro de la cámara, causando nuevamente la rotación de la turbina que ha sido configurada para operar unidireccionalmente en respuesta a los flujos de aire inversos.

En una forma preferida, el sistema utiliza el dispositivo de enfoque de la ola parabólica de las Figuras 1 a 5 junto con la turbina unidireccional de la invención. De esta forma, la eficiencia excepcional de cada uno de estos mecanismos se combina para dar como resultado un proceso de extracción energía de las olas altamente viable.

Sin embargo, como se anunció previamente, se apreciará que la turbina puede ser utilizada en otras aplicaciones o en combinación con dispositivos alternativos no descritos aquí en detalle. En particular, la turbina puede tener numerosas aplicaciones no relacionadas para uso con un amplio rango de fluidos de operación.

Claims (14)

1. Una turbina operable para rotar unidireccionalmente cuando está sometida al flujo de fluidos inversos generalmente axiales a través suyo, la turbina incluyendo un rotor (20) que comprende un cubo central (21) y una pluralidad de aspas (23) que se extienden radialmente en forma recta, cada una conectada con el cubo (21), el grado de inclinación de las aspas siendo reversible, caracterizado porque la sección transversal de cada una de las aspas (23) es una sección de superficie de sustentación que es sustancialmente simétrica alrededor de una línea (27) que define la altura máxima de la comba de la sección transversal y es generalmente constante a lo largo de la longitud del aspa que se extienden radialmente, con lo cual la forma sustancialmente simétrica de la superficie de sustentación de las aspas (23) y su orientación con relación al cubo (21) facilitan la rotación unidireccional del rotor (20) en respuesta al flujo inverso de fluido axial a través del mismo, y la turbina incluye un transductor dispuesto para detectar la inversión del flujo del fluido a través de la turbina y los medios responsables del transductor para invertir el grado de inclinación de las aspas en sincronización con el flujo inverso de fluido.

2. Una turbina de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las aspas (23) están cada una conectadas con el cubo (21) de tal manera que el ángulo máximo incluido entre el plano cordal (26) de la sección de superficie sustentación y el eje (22) del cubo (21) está entre 0º y 90º.

3. Una turbina de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en donde el grado de inclinación de las aspas (23) se ajusta en forma variable.

4. Una turbina acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que incluye una variación en el grado de inclinación del aspa o un mecanismo de inversión que comprende un montaje adecuado de un engranaje cónico de impulsión (33, 34) montado con el cubo (21) y dispuesto para rotar cada aspa (23) alrededor de una guía central (28) por medio del cual está montada al cubo (21).

5. Una turbina de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que incluye una variación en el grado de inclinación del aspa o un mecanismo de inversión en donde cada aspa (23) está montada sobre una guía (28) que tiene un brazo de operación de contrapeso (37) que coopera con un eje impulsor diagonalmente ranurado (35) que se mueve alternativamente a lo largo del eje del rotor (20) para efectuar así la rotación del aspa (23) alrededor del eje (28).

6. Una turbina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el grado de inclinación máximo o el ángulo incluido están entre 30º y 30º.

7. Una turbina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el rotor (20) tiene entre 4 y 16 aspas (23).

8. Una turbina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la solidez de la misma está en el rango entre 0,2 y 0,8.

9. Una turbina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde la relación de cuerda del aspa es del 18%.

10. Una turbina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el perfil del aspa comprende dos medias porciones unidas al frente de una superficie de sustentación estándar NACA 65-418.

11. Un sistema de extracción energía de las olas del océano que incluye:

medios para enfocan una ola (41) para magnificar el pico vertical periódico para el desplazamiento mínimo de las olas entrantes hasta una ubicación plana predeterminada (12),

una cámara de compresión de aire (43) que tiene una entrada de agua (44) generalmente sumergida dispuesta en, o en forma adyacente a dicha ubicación plana predeterminada para admitir a las olas periódicamente oscilantes que desplacen un volumen de aire (45) de allí para generar así un flujo de aire inverso correspondientemente periódico;

la cámara de compresión (43) teniendo también una salida de aire (46) en la cual se localiza una turbina impulsada por aire (47) que opera para rotar unidireccionalmente en respuesta al flujo de aire inverso;

en donde la turbina (47) está de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Un sistema de extracción energía de acuerdo con la reivindicación 11, en donde la cámara de compresión de aire (43) se configura para converger desde la entrada de agua hacia la salida de aire para acelerar el flujo de aire.

13. Un sistema de extracción energía de olas oceánicas de acuerdo con las reivindicaciones 11 ó 12, en donde la cámara de compresión de aire (43) incluye un venturi antecedente a su salida (46) en la entrada del cual se dispone la turbina impulsada por aire.

14. Un sistema de extracción energía de olas oceánicas de acuerdo con las reivindicaciones 11 ó 13, en donde la salida de la cámara de compresión de aire (46) y/o la carcasa asociada con la turbina (47) incluyen álabes para optimizar la dirección del flujo de aire hacia el interior y/o hacia el exterior de la turbina.