ES2302619B2 - Dispositivo flotante para la captacion de energia del oleaje por rebase lateral. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo flotante para la captación de
energía del oleaje por rebase lateral formado por cascos
convergentes en planta y de francobordo variable entre los que se
propagan las olas. La convergencia produce un aumento gradual de la
altura de ola a medida que ésta se propaga entre los cascos, lo que
unido a la reducción progresiva del francobordo a partir de una
determinada sección de los mismos, propicia el rebase lateral sobre
sus bordas de la masa de agua de la cresta, que es recogida en
depósitos situados a distintas alturas (conforme a la reducción de
francobordo) conectados a las correspondientes turbinas. El ángulo
de convergencia entre los cascos es variable para adaptarse al
estado de mar.
El sistema de captación se complementa con una
rampa de cierre de conexión entre las popas de los cascos para
recoger el agua que no haya logrado rebasar la estructura con
anterioridad.
Description
Dispositivo flotante para la captación de
energía del oleaje por rebase lateral.
La presente invención consiste en una estructura
flotante formada por cascos convergentes en planta y de francobordo
variable entre los que se propagan las olas. La convergencia de los
contornos laterales produce un aumento progresivo de la altura de
ola. Este hecho, junto con la disminución del francobordo de los
cascos a partir de un determinado punto, propicia su rebase lateral
por la masa de agua de la cresta de la ola, que es recogida en
depósitos situados a distintas alturas (conforme a la reducción del
francobordo) conectados a las correspondientes turbinas.
En los últimos años se ha dado a conocer
diversidad de dispositivos de generación de energía a partir del
oleaje. Una clase de estos dispositivos está formada por los
denominados "overtopping" o "de rebase" que se
caracterizan por aprovechar la ola en altura, existiendo diversas
configuraciones para conseguir el incremento de dicha altura.
El primer sistema de este tipo es el conocido
como TAPCHAN (1985). Estaba construido en roca y consistía
básicamente en un canal convergente, de modo que se conseguía
concentrar la ola, vertiéndose finalmente el agua en un embalse para
mover una turbina. Pero la producción de esta instalación se
encuentra limitada por diversos motivos, entre ellos la necesidad
de una carrera de marea pequeña.
A partir de este sistema costero inicial se
diseñó otra serie de dispositivos flotantes denominados en
ocasiones de forma genérica "floating Tapchans" o "Tapchans
flotantes", que se basan en el mismo principio de aprovechar la
ola en altura para mover una turbina, diferenciándose esencialmente
en la forma de conseguir dicha altura y de conducir el agua hacia
los depósitos.
La mayor parte de estos dispositivos intentan
conseguir una altura mayor por medio de una rampa, de forma que
parte de la energía cinética de la ola se transforma en energía
potencial, lográndose que la ola rebase la coronación de la rampa.
Este diseño se ve condicionado, por un lado, por las limitaciones
en altura de ola obtenidas, y por otro, por aprovechar el agua a un
único nivel. A consecuencia de ello se reduce el volumen de agua
captado y el rendimiento energético.
Diseños posteriores han intentado solventar en
parte estos problemas con diferentes modificaciones. Para aumentar
la altura de ola, existen dispositivos que emplean, o bien muros
convergentes, que en ocasiones se sitúan sobre la propia rampa, como
en las patentes DE19726504 y GB612175, o bien brazos convergentes
(idea original del TAPCHAN) que enfocan la ola hacia ella. En
cuanto al problema derivado de trabajar con un único nivel de
almacenamiento, existen dispositivos que utilizan depósitos a
distintos niveles en los que se introduce la masa de agua a través
de aberturas dispuestas a diferentes cotas en la rampa como en
WO0071892. Esta entrada de agua en los depósitos tiene lugar en la
fase de ascenso de la vena líquida por la rampa o en la fase de
retorno de la misma, según la disposición de las aberturas.
A pesar de las mejoras realizadas en los
dispositivos actuales, estos siguen padeciendo en gran parte dichas
limitaciones, además de otras fundamentales ligadas con su
comportamiento en condiciones de oleaje real.
El principal problema de comportamiento en estos
dispositivos viene provocado por el uso de la rampa como única
forma de captación de la ola. Esta forma de recepción impone un
diseño en donde la rampa se dispone de forma paralela al frente de
ola para maximizar así la energía captada, lo que hace que la
estructura posea poca eslora en relación a su manga. En situación
de oleaje energético esta configuración conlleva movimientos
importantes del dispositivo, en particular de alzada y de cabeceo,
que reducen sustancialmente su eficacia energética.
Otros factores limitantes derivados de este
diseño son los asociados a la dudosa supervivencia en condiciones
extremas de oleaje a las que se verán sometidos los dispositivos,
puesto que previsiblemente se ubicarán en áreas con climas marítimos
muy energéticos.
Finalmente es necesario hacer referencia a los
elevados costes de fabricación al utilizar dichas rampas, teniendo
en cuenta que el frente de onda actuará simultáneamente sobre toda
la extensión de la rampa y ello con alturas de ola superiores a las
que debe resistir un dique de abrigo, en razón a la mayor
profundidad a la que se situaría el dispositivo de captación de
energía.
El objetivo de la presente invención es proponer
un sistema de captación por rebase lateral a distintas
alturas para resolver los inconvenientes explicados anteriormente
comunes a los dispositivos "overtopping" o "de rebase" de
captación de energía del oleaje.
El sistema de invención consiste en un
dispositivo flotante formado por cascos entre los que se propaga la
ola. La separación entre los cascos no es constante, reduciéndose
en dirección proa-popa, en el sentido de propagación
de la onda. Esta convergencia en planta trae consigo un aumento de
la altura de la cresta. Cuando ésta supera el francobordo
(distancia vertical entre la línea de flotación y la borda) del
costado interior de los cascos comienza a producirse el rebase
lateral, en dirección sensiblemente perpendicular a la dirección de
propagación. La pérdida de masa de agua debida a este rebase
lateral lleva aparejada una reducción de altura de ola de la cresta
que pondría fin al rebase, de no ser por la disminución progresiva
del francobordo, en la dirección de propagación de la onda, a
partir de un determinado punto del desarrollo longitudinal del
casco, próximo a media eslora. Adicionalmente, la convergencia de
los cascos coadyuva al mantenimiento del rebase lateral.
Dicho rebase lateral se produce sobre el costado
interior de los cascos que poseen un perfil preferentemente recto,
mientras que el perfil de los costados exteriores será curvo.
La masa de agua que rebasa las bordas es
recogida en depósitos situados en los cascos en la zona sobre la
que se produce dicho rebase, a diferentes niveles, conforme al
francobordo del tramo de casco en el que recoge el rebase cada
depósito. La zona de rebase abarca desde el punto de la eslora en
que comienza a descender el francobordo hasta popa. Los depósitos
se podrán extender longitudinalmente hacia la proa, en caso de ser
necesario, con el fin de maximizar el volumen de agua captado.
Cada uno de estos depósitos descarga, a través
de un conducto de impulsión, a una turbina cuya altura de trabajo
está adaptada al nivel del correspondiente depósito. Con todo lo
anterior se logra un mayor volumen de agua captado, dispuesto de
forma gradual, además de un mejor rendimiento en las propias
turbinas al tener un rango de altura de trabajo más estrecho,
correspondiente a la variación de altura de agua almacenada en el
depósito que turbina.
Este diseño permite además trabajar de forma
eficaz con una gran variedad de regímenes de ola, puesto que si la
disponibilidad energética en un determinado estado de mar no es muy
elevada, el rebase lateral no comenzará en el punto en que el
francobordo del costado interior de los cascos empieza a descender.
Este se producirá en un punto posterior, donde la altura de la
cresta supere el francobordo de los contornos interiores, de forma
que pueda ser aprovechada.
A pesar de esta mayor adaptabilidad al clima
marítimo, en términos de volumen de agua captado, siempre existirá
una parte de la ola que no consiga rebasar de esta forma la
estructura.
A fin de captar esta parte de la ola, los cascos
están unidos entre sí en su extremo aguas abajo (a popa), en el que
su proximidad es mayor por efecto de la convergencia, por medio de
una rampa de cierre. Esta se dispone preferentemente oblicua al
frente de ola, con perfiles rectos o curvos y simetría respecto a
un plano vertical por el eje longitudinal del dispositivo. De este
modo, una parte de la masa de agua de la cresta que no ha sido
recogida anteriormente se ve obligada a rebasar de forma lateral y
frontal esta rampa de cierre y es recogida en el depósito o
depósitos de popa (a menor nivel) de los cascos laterales.
En cualquier caso, y a diferencia de otros
dispositivos, esta rampa de cierre se concibe como un elemento
complementario, por lo que se halla sometida a solicitudes
estructurales mucho menores que en aquellos dispositivos en que
constituye el sistema principal de captación de agua.
Los depósitos de recogida a popa, que recogen el
agua a menor nivel, se podrán situar uno en cada casco, de forma
independiente, en cuyo caso se dispondrá un deflector frontal que
oriente hacia ellos el agua que remonte y rebase la rampa en su
zona central. En caso de que se disponga un único depósito que
abarque toda la popa, se prescindirá de dicho deflector.
El sistema descrito se fundamenta en una
captación de agua repartida en el tiempo (a medida que avanza la
ola) y en el espacio (a lo largo de los cascos), por oposición a
los dispositivos de rebase existentes, en los que la recogida de la
masa de agua tiene lugar de forma concentrada en el tiempo y en el
espacio.
Para lograr esta captación gradual de la masa de
agua de la cresta, el sistema de recogida se orienta de forma
sensiblemente paralela a la dirección de propagación de la onda, lo
cual presenta ventajas estructurales - como se ha comentado - frente
a otros dispositivos en los que se orienta perpendicularmente a
dicha dirección. Esto además trae consigo la necesidad de una
geometría de mayor desarrollo longitudinal (eslora) que en dichos
sistemas, de forma que el presente dispositivo poseerá una relación
eslora/manga del orden de embarcaciones tipo catamarán.
Por otro lado, este desarrollo longitudinal es
necesario para que la convergencia de los cascos sea efectiva en
aumentar la altura de la ola. En cualquier caso, la geometría de
gran eslora redunda en una reducción de los movimientos bajo la
acción del oleaje, en particular de cabeceo y alzada, que en otros
sistemas rebajan notablemente el rendimiento energético.
Para realzar la eficacia del sistema, se permite
regular la convergencia en planta de los cascos, esto es, la
variación de la separación entre los mismos en su extremo más
distal (proa), en función del estado de mar, mediante
articulaciones, cables u otro tipo de mecanismo.
De acuerdo con uno de los objetivos de
durabilidad, se dispone una rampa de cierre de conexión entre
cascos móvil, de modo que pueda ser retirada en situaciones de
temporal, pudiendo ser abatida por medio de articulaciones u otro
mecanismo, preferentemente hacia el interior de los cascos. Esto,
unido a una regulación no convergente de los cascos (cascos
paralelos), permitirá en situaciones de temporal la circulación y
salida de la ola a través del espacio entre ellos, al no existir
ningún obstáculo, sin que se produzca un aumento de su altura
inicial.
Para evitar interrupciones en la alimentación de
las turbinas debidas a los movimientos del dispositivo bajo la
acción del oleaje, los depósitos tendrán una solera descendente
hacia unos dispositivos sensiblemente cónicos, ubicados en su margen
inferior. Estarán colocados en la parte superior de los conductos
por donde se dirige la masa de agua a la turbina, conectando los
depósitos de recogida y dichos conductos. De esta forma, actuaran a
modo de "buffer", asegurando el funcionamiento continuo de las
turbinas.
El dispositivo posee además una serie de tanques
de lastre en la zona de proa, cuyo contenido de agua se podrá
variar, y por tanto la inclinación y francobordo del dispositivo en
función del estado de mar.
El fondeo será preferentemente por un único
punto, de forma que el dispositivo bornea para mantenerlo orientado
a la dirección de incidencia del oleaje.
En el caso de que el dispositivo estuviese
formado por tres cascos, se recogería el agua por rebase sobre
ellos por el mismo principio que se ha explicado. En este caso, la
masa de agua de la cresta de la ola rebasaría sobre el costado
interior de los cascos exteriores, mientras que el rebase sobre el
casco central se produciría sobre ambos costados, al ser los dos
interiores.
El objetivo de la invención con todo lo
anteriormente descrito es la captación del máximo volumen de agua
posible, principalmente por rebase lateral de la cresta de la ola,
complementado posteriormente por remonte y rebase de la misma sobre
una rampa de cierre. Se trabajará con distintos niveles de
recogida, optimizando así tanto la altura a la que se almacena el
agua como el rendimiento en las propias turbinas. La configuración
de la estructura permitirá reducir los movimientos de cabeceo y
alzada bajo la acción del oleaje, con los consiguientes beneficios
para la captación regular de agua en los depósitos. Asimismo dicha
configuración asegura la supervivencia de la estructura en
situaciones de temporal.
La figura 1 representa una vista en perspectiva
del conjunto del sistema de invención, formado por 2 cascos
convergentes (1), que poseen un primer tramo con francobordo
ascendente (2) y un segundo tramo, a partir de un determinado punto
(3) de su eslora, de francobordo descendente (4). En este segundo
tramo se produce el rebase lateral. En el extremo de popa se sitúa
la rampa de cierre (8) de conexión entre ambos cascos. También se
pueden observar los depósitos de recogida (5) situados en la zona de
rebase; los dispositivos sensiblemente cónicos (11) de conexión
entre los depósitos y los conductos de conexión de las
turbinas.
La figura 2 representa una vista en planta
superior del dispositivo, en donde se muestra la convergencia de
los cascos (1) en dirección proa-popa; la rampa
final de cierre (8) entre ambos cascos y los tanques de lastre (14)
situados en la proa.
Las figura 3 representa el alzado posterior,
visto de popa, en el que se muestra la disposición de los depósitos
(5) situados sobre los cascos en la zona de rebase a distintos
niveles, conforme al francobordo del tramo de casco en que recoge el
rebase cada depósito; el dispositivo sensiblemente cónico (11) a
modo de "buffer"; y la conexión a las correspondientes
turbinas (6) mediante un conducto de impulsión
(12).
(12).
La figura 4 es un alzado frontal, visto de proa,
en donde se aprecia el contorno de los cascos, en los que a partir
de un determinado punto (3) de su desarrollo longitudinal (eslora)
el francobordo desciende (4), propiciando el rebase lateral. Se
puede observar también la rampa final de cierre (8) de conexión
entre ambos cascos situada a popa, sobre la que se sitúa el
deflector frontal (13) para orientar el agua hacia los depósitos de
recogida a popa.
La figura 5 es una vista en planta, en donde se
representa la regulación de la convergencia de los cascos (7) en
función del estado de mar, hasta situación de no convergencia
(cascos paralelos). También se muestra la rampa final de cierre (8)
y su forma de abatimiento (9).
La figura 6 es un detalle de la fig. 5 relativo
al modo de abatimiento (9) de la rampa final de cierre (8) hacia el
interior de los cascos. Este abatimiento permite, unido a una
regulación no convergente de los cascos, la propagación del frente
de ola inalterado a lo largo del dispositivo.
La figura 7 representa la sección de un casco
por A-A', en donde se puede observar la forma de
recogida en depósitos (5) a distintos niveles; la pendiente de la
solera (10) de dichos depósitos, descendente hacia un dispositivo
sensiblemente cónico (11) de conexión con el conducto de impulsión
(12) de la turbina (6).
Las figuras 8 y 9 son un perfil longitudinal y
una planta superior del fondeo por un solo punto (15).
La figura 10 es una vista en planta de un
dispositivo formado por 3 cascos, en el que la masa de la cresta de
la ola rebasa sobre el costado interior de los cascos exteriores y
por ambos costados del casco central. También se puede observar la
regulación de la convergencia de los cascos (7) en función del
estado de mar.
La figura 11 es una vista en planta de un
dispositivo, con un único depósito de recogida a popa (16), en cuyo
caso se prescinde del deflector frontal.
La figura 12 es una vista del dispositivo en
condiciones de trabajo.
Una preferente realización del invento estaría
constituida por dos cascos (1) convergentes en planta, con una
relación eslora/manga entre 5-7; costado exterior de
los cascos de perfil curvo e interior recto, con francobordo
ascendente (2) en un primer tramo de incremento de altura de ola y
un segundo tramo, a partir de un determinado punto (3) próximo a la
media eslora, de francobordo descendente (4) de forma gradual
permitiendo el rebase lateral. La convergencia (7) de los cascos
será regulable por medio de articulaciones situadas en la zona de
popa, en función del estado de mar y hasta una configuración de no
convergencia (cascos paralelos).
En la parte descendente de dichos cascos se
disponen una serie de depósitos (5) de recogida situados a
distintas alturas y conectados a sendas turbinas (6) a través de los
correspondientes conductos de impulsión (12).
Se dispondrá una rampa de cierre (8) de conexión
entre ambos cascos en su extremo agua abajo (popa), dispuesta de
forma oblicua al frente de ola, con perfiles curvos, y simétrica
respecto a un plano vertical por el eje longitudinal del
dispositivo, que permitirá el remonte y rebase hacia los depósitos
a popa de parte del agua que no consiguió rebasar lateralmente las
bordas de los cascos con anterioridad. Se contará con un deflector
frontal (13) para orientar hacia dichos depósitos de popa el agua
que remonte la rampa en su zona central.
La rampa final de cierre será abatible (9) hacia
el interior de los cascos por medio de articulaciones, lo que en
situación de temporal permitirá la libre propagación de la onda,
sin obstáculo alguno entre los cascos.
Los depósitos de recogida lateral poseen una
solera descendente (10), con ángulo en el sentido longitudinal del
mismo orden que el de cabeceo de diseño, y en sentido transversal
del mismo orden que el de balance de diseño. De esta forma se
orienta el agua hacia el conducto de impulsión (12) de las
turbinas, que poseen en su parte superior un dispositivo
sensiblemente cónico (11), de conexión con los depósitos, que actúa
a modo de "buffer".
En la proa de la estructura se dispondrá una
serie de tanques de lastre (14) a fin de controlar la inclinación y
el francobordo del dispositivo, variando el volumen de agua
contenido en ellos.
El sistema bornea en torno a un único punto de
fondeo (15), de manera que se orienta por sí solo a la dirección de
incidencia del oleaje.
Una vez descritas las características de una
realización preferente se hace constar que en ningún caso el
dispositivo quedará limitado a los detalles exactos de lo
anteriormente descrito, sino que podrán ser introducidas todas las
modificaciones que sean oportunas, sin alterar en cualquier caso
las características esenciales de la invención y que a continuación
se reivindican.
Claims (5)
1. Dispositivo flotante para la captación de
energía del oleaje por rebase lateral que comprende una estructura
formada por cascos (1) convergentes en planta en dirección
proa-popa, de francobordo variable, descendente (4)
a partir de un determinado punto (3) próximo a la media eslora,
produciéndose el rebase lateral sobre dichos cascos por la masa de
agua de la cresta de la ola de forma sensiblemente perpendicular a
sus costados interiores; depósitos (5) de recogida, situados sobre
los cascos en la zona de rebase a distintos niveles conforme al
francobordo del tramo de casco en el que recoge el rebase cada
depósito, conectados a las correspondientes turbinas (6) por medio
de sendos conductos de impulsión (12); rampa de cierre (8) de
conexión entre los cascos en el extremo aguas abajo (a popa);
deflector frontal (13) situado sobre la rampa de cierre en su punto
medio; tanques de lastre (14) ubicados en la zona de proa de los
cascos y sistema de fondeo por un solo punto (15).
2. Dispositivo flotante para la captación de
energía del oleaje por rebase lateral según la reivindicación 1
caracterizado porque el rebase lateral está formado
preferentemente por 2, y alternativamente 3 cascos, con disposición
convergente en planta regulable (7) por medio de articulaciones,
cables u otro mecanismo; con francobordo variable, disminuyendo
gradualmente la altura de las bordas a partir de un determinado
punto (3) de su eslora; con costados exteriores de perfil curvo e
interiores preferentemente rectos.
3. Dispositivo flotante para la captación de
energía del oleaje por rebase lateral según la reivindicación 1
caracterizado porque los depósitos de recogida lateral están
situados en la zona de rebase lateral, la cual abarca desde el punto
de la eslora en que comienza a descender el francobordo hasta la
popa, pudiendo extenderse longitudinalmente hacia la proa; que
disponen de una solera (10) descendente hacia un dispositivo
sensiblemente cónico (11) de conexión entre el depósito y el
conducto de impulsión de la turbina.
4. Dispositivo flotante para la captación de
energía del oleaje por rebase lateral según la reivindicación 1
caracterizado porque la rampa de cierre de conexión entre
ambos cascos está dispuesta preferentemente de forma oblicua al
frente de ola, con perfiles rectos o curvos, simétrica respecto a
un plano vertical por el eje longitudinal del dispositivo y
abatible por medio de articulaciones u otro mecanismo hacia el
interior de los cascos, sobre la que se produce rebase lateral y
frontal.
5. Dispositivo flotante para la captación de
energía del oleaje por rebase lateral según las reivindicaciones 1,
3 y 4 caracterizado por depósitos de recogida a popa para la
captación lateral y frontal de agua, de forma preferente uno en cada
casco y alternativamente un único depósito (16) que abarca la popa
de todos los cascos, en cuyo caso se prescinde del deflector
frontal.
frontal.
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