ES2341311A1 - Generador electrico submarino para al aprovechamiento de las corrientes de flujo bidireccional. - Google Patents
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Abstract
Generador submarino con hélice de tres palas para aprovechar energía del agua en la dirección de su eje, en los dos sentidos. La hélice acciona un alternador eléctrico situado en un domo central del que salen tres brazos unidos a sendos flotadores que se cierran en una estructura en Y por medio de tirantes. El conjunto tiene flotabilidad neutra y se posiciona mediante un sistema de fondeo con un conjunto de boyas unidas al fondo por uno o más cables. Un extremo del generador se une a una línea de fondeo mediante un cable horizontal en una de las direcciones predominantes de la corriente. Desde el otro extremo otros dos cables horizontales, abiertos un ángulo respecto a la dirección de la corriente, se unen a otras dos líneas de fondeo. El conjunto puede lastrarse para pasar de posición vertical sumergida de operación a posición horizontal flotando para facilitar el mantenimiento.
Description
Generador eléctrico submarino para el
aprovechamiento de las corrientes de flujo bidireccional.
La invención se encuadra dentro del sector de la
"Tecnología fuera-costa marina" (offshore
technology) y específicamente dentro las plantas de aprovechamiento
de energías renovables marinas.
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En la actualidad, existe un marcado interés en
el aprovechamiento de las energías renovables marinas. Entre ellas,
el aprovechamiento de la energía de las corrientes (tanto de las de
tipo inercial, como las producidas por las mareas) es una de las de
mayor potencial.
El diseño más extendido consiste en una
estructura fijada al fondo, sobre la que se montan los generadores
(de tipo eléctrico), movidos por hélices con palas de gran esbeltez,
similares a las de los generadores eólicos.
La mayor parte de la estructura está sumergida
(incluyendo generadores y hélices), sobresaliendo sobre la
superficie del mar una parte pequeña, que permite el acceso al
interior de la planta y, eventualmente el izado de los elementos
activos para labores de mantenimiento de mayor envergadura.
Con este diseño la profundidad de la zona de
operación está limitada, siendo apropiado sólo para mares de tipo
pre-continental como el Mar del Norte. No siendo
posible el uso de este tipo de plantas con láminas de agua por
encima de los 40 m.
En todos los sistemas marinos fondeados, uno de
los problemas a resolver es el del giro de los elementos, cuando las
corrientes tienen un odograma (representación horizontal del lugar
geométrico de la variación de la velocidad a lo largo del tiempo) de
tipo elipsoidal, que de forma natural, producen un
"retorcimiento" de los cables y un enrollamiento de unos con
otros.
En abril de 2007 la Universidad Politécnica de
Madrid (UPM) presentó ante la OEPM la solicitud de patente de
invención P200700985 titulada "Sistema sumergible para el
aprovechamiento energético de las corrientes marinas", concedida
por resolución de la OEPM de 27/07/08, publicada en el BOPI con
fecha 16/07/08.
Con base en esta patente, la UPM y la F.C.T.
SOERMAR están trabajando en el diseño funcional de un generador
denominado GESMEY, cuya adaptación al caso de corrientes de tipo
elipsoidal es el objeto de ésta nueva patente.
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El objeto de la presente invención es un
generador de energía eléctrico submarino, como el que se aprecia en
la figura 1, compuesto por un rotor o hélice con varias palas, que
acciona un alternador eléctrico, situado en un domo central (POD),
del que salen, de forma radial o en estrella, varios brazos o
columnas, situados en un plano perpendicular al eje del rotor,
existiendo al final de cada brazo un flotador (torpedo), con su eje
paralelo al del rotor. Los torpedos se cierran, por medios de
tirantes con una estructura en Y, con lo que se dispone de puntos de
enganche en el eje del rotor en los dos sentidos.
Todos los elementos tendrán una forma
hidrodinámica adecuada para reducir su resistencia viscosa y de
presión, ya que estarán sometidos a la velocidad de la corriente,
por lo que producirán una fuerza de arrastre que debe ser soportada
por el sistema de fondeo.
El conjunto de elementos descrito constituye un
generador, pudiendo disponerse un conjunto de las mismos en una
zona, para el aprovechamiento de la energía, formando un "parque
de generadores submarinos" que pueden compartir la unidad de
control y el sistema de transporte de la energía hasta tierra desde
una unidad de conversión.
Este diseño de "estructura en jaula",
además de mejorar la rigidez del conjunto, permite que, alineando el
eje con la dirección principal de la corriente, cuando viene en un
sentido, se puede soportar el conjunto con uno o más cables
enganchados en el punto de unión de los tirantes.
Cuando la corriente cambia de sentido, los
cables que entran en tensión son los que van enganchados en el
extremo del domo dónde se unen los brazos. La unión de los cables en
puntos que están en la prolongación del eje del rotor minimiza los
momentos que tienden a que el generador se incline con respecto a la
dirección de la corriente.
El conjunto tiene un equilibrio hidrostático, de
tal forma que el peso total sea prácticamente igual al del volumen
de agua desplazada. De esta forma sólo se generan fuerzas
horizontales, soportadas por los cables horizontales que se unen a
sus correspondientes líneas de fondeo verticales.
La distribución de pesos y empujes permite que
en operación, el par de giro y el momento de inclinación se
compensen hidrostáticamente. Para lograrlo, se disponen de tanques
de lastre, que se pueden llenar de agua o vaciar con aire, situados
en los brazos y en los torpedos.
La distribución de pesos y empujes será
modificable, por un sistema de lastrado
tele-controlado por medio bombas, válvulas y
botellas de aire de soplado, controladas a distancia por medio de un
sistema de control automático y enlaces acústicos y/o de cable, de
tal forma que en la posición de operación, en el torpedo y columna
del brazo inferior es mayor el peso que el empuje y en los torpedo y
columnas superiores es mayor el empuje que el peso.
De esta forma, el centro de gravedad del
conjunto está por debajo del centro de empuje, produciendo esta
"altura metacéntrica" los momentos de estabilización necesarios
para que la unidad generadora mantenga la posición vertical,
mostrada en la figura 1, que es la óptima para el trabajo de la
hélice, al predominar la componente horizontal en las corrientes
marinas.
Vaciando el agua de los tanques de lastrado se
logrará que el conjunto tenga una flotabilidad positiva, con lo que
liberando o aflojando el sistema de fondeo, saldrá a la superficie y
al cambiar las posiciones de los centros de gravedad (por medio de
los lastres) y de empuje (al salir a la superficie), se logra que la
estructura gire y que adopte la posición horizontal, tal como puede
apreciarse en las distintas fases de la figura 5.
Este procedimiento se podrá invertir para la
puesta en operación de la unidad, pasando desde la posición
horizontal flotando, hasta la vertical sumergida de trabajo.
Estos procesos, de puesta en operación y
flotación para mantenimiento, pueden ser realizados cuando la
velocidad de la corriente sea reducida, y estarán coordinados con un
sistema tele-mandado de enganche y liberación del
generador con el sistema de fondeo, complementado con un cable de
guiado entre ambas partes, que llega hasta una boya auxiliar en la
superficie.
La disposición de los brazos en forma de
estrella, saliendo como radios desde el domo central, permite que,
cuando el conjunto está flotando para realizar las tareas de
mantenimiento, se facilite el acceso con embarcaciones al domo, al
mismo tiempo que se logra una buena estabilidad. Al ser el número de
palas de la hélice igual al de columnas, se podrán estibar unas
encima de las otras, mejorando la accesibilidad, la autoprotección
de los elementos más sensibles y facilitando las labores de
traslado, instalación y mantenimiento.
El sistema de fondeo está basado en varias
líneas de fondeo, cada una de las cuales consta de una boya con un
cable vertical hasta un punto de enganche situado a la profundidad
de trabajo del generador, del que salen uno o varios cables hasta el
fondo, donde se fija la línea por medio de muertos, anclas, pilotes
u otros sistemas de fijación. Dando a la boya una flotabilidad
adecuada se logra que el cable de unión a la misma esté vertical y
se reduce el desplazamiento del punto de enganche, debido a la
tensión de los cables horizontales que salen del generador.
En la figura 2 se muestra la solución base en la
que hay un sólo cable desde el punto de enganche hasta el fondo y en
la figura 3 se puede ver una variante en la que la boya está a la
profundidad de trabajo, incorporándose en la misma el punto de
enganche.
En cuanto a la disposición en horizontal del
fondeo, se pueden disponer cuantos cables horizontales se desee
unidos por un lado, a los extremos del generador y por otro a sus
correspondientes puntos de enganche en las líneas de fondeo.
En las figuras 2 y 4 se presenta una combinación
con un cable desde el extremo de los tirantes y dos desde el de los
brazos. Con esta disposición se logra reducir el "efecto
sombra" de las líneas de fondeo sobre el rotor, sin complicar la
maniobra de salida a la superficie, dado que es suficiente con poner
y operar un gancho de disparo en la línea conectada a los
tirantes.
Además, esa disposición triangular, dejando que
las líneas horizontales formen una ligera catenaria sin corriente,
limita los movimientos en vertical y horizontal del generador,
permitiendo que pueda girar cuando la corriente cambia algo de
orientación, alineándose de forma automática el eje del generador
con el de la corriente.
También esta disposición, permite, tal como se
aprecia en la figura 4, utilizar cada línea de fondeo vertical para
tres generadores, con lo que se minimiza su número en un campo
grande. Por otro lado, se logra un desplazamiento lateral entre una
fila de generadores y las contiguas, con lo que se aumenta, al doble
de la distancia entre boyas y la separación entre generadores,
reduciéndose el efecto de sombra de los que están aguas arriba sobre
los siguientes.
En la figura 1 se muestra el diseño básico del
generador que consta de los siguientes elementos:
- (1)
- Hélice con varias palas, que puede ser de paso fijo o controlable.
- (2)
- Domo central en el que se aloja el generador eléctrico, movido por la hélice.
- (3)
- Brazos de la estructura, de sección ovalada para reducir la resistencia a la corriente. Sirven como tanques auxiliares de laste.
- (4)
- Flotadores de los extremos, con forma de torpedos que alojan los tanques de lastre principales.
- (5)
- Tirantes para el cierre de la estructura, también de forma ovalada.
\vskip1.000000\baselineskip
En la figura 2 se muestran una vista lateral y
en planta de un generador con sus tres líneas de fondeo. Cada línea
de fondeo está compuesta por:
- (6)
- Boya sumergida o semi-sumergida.
- (7)
- Sistema de fijación al fondo
- (8)
- Cable de sujeción
- (9)
- Punto de enganche.
\vskip1.000000\baselineskip
Desde el punto de unión de los tirantes del
generador se coloca un cable de sujeción horizontal (10) que lo une
con la línea de fondeo de la derecha. Desde el extremo contrario
(unión de los brazos con el domo) salen dos cables de sujeción (11)
y (12) que se unen con las otras dos líneas de fondeo.
En la figura 3 se muestra una variante en la que
las boyas se sitúan a la misma profundidad que el generador,
juntando el punto de enganche con la boya.
En la figura 4 se muestra el aspecto de un
parque de generadores, en el que se aprecia como se comparten las
líneas de fondeo entre generadores próximos y como la disposición de
las boyas al "tresbolillo" permite aumentar la densidad de
generadores en un parque, manteniendo una distancia alta entre los
consecutivos en la dirección de la corriente.
En la figura 5 se muestra el proceso para sacar
a flote el generador, que consiste en liberar (con un sistema de
telemando) el enganche entre cable (10) y su línea de fondeo
vertical, y reducir, de forma controlada, la cantidad de agua de
lastre en el generador, con lo que se obtiene una ligera
flotabilidad positiva.
Como consecuencia, el generador sube a la
superficie, manteniendo prácticamente la posición vertical (5.a),
llegando a la superficie y emergiendo ligeramente (5.b).
Una vez que está en la superficie se vacían de
forma ordenada los tanques de lastre, con lo que el generador gira y
emerge, pasando de la posición vertical a la horizontal (5.c) más
adecuada para el mantenimiento y transporte.
Para la instalación del sistema, una vez situado
el sistema de fondeo, y con el generador flotando en la superficie,
se lastrará de forma inversa, para que quede vertical, y con la
ayuda de un cable de guiado, que está unido al extremo del cable
(10) y que pasa por el punto de enganche de su línea de fondeo, se
procede al enganche de este cable con el sistema de telemando.
\vskip1.000000\baselineskip
El sistema descrito está formado por distintos
elementos utilizados en la industria offshore, naval y eólica, que
se acoplan de una manera específica y que le confiere
características novedosas. En concreto:
El rotor será de un tipo similar a los de los
generadores eólicos y las hélices de grandes buques, pudiendo
construirse con materiales compuestos (fibra de carbono por ejemplo)
combinado con materiales metálico y/o híbridos.
El diseño del domo será similar al de los
sistemas de propulsión POD para buques, integrando dentro del mismo
el generador eléctrico, acoplado al rotor (a través de un reductor o
directamente) con una bocina estanca, y con otros elementos como la
chumacera de empuje y el sistema de frenado.
Los brazos y torpedos se pueden basar en
estructuras de tipo tubular (básicamente de acero), similar a las
utilizadas en instalaciones offshore rodeadas con carenados que
mejoren su comportamiento hidrodinámico. En su interior se alojarán
los tanques de lastre. Los tirantes tendrán una estructura
multi-perfil, rodeada por un carenado
currenti-
forme.
forme.
El control de lastrado y deslastrado utilizará
técnicas de soplado, similares a las usadas en submarinos,
controlado por sistemas de telemando subacuático (por cable óptico
eléctrico y/o módem acústico).
Todos los elementos fijos (domo, brazos y
torpedos) están unidos por soldadura. El conjunto del alternador,
reductor y otros elementos mecánicos de potencia se unirán por medio
de una bancada, siendo el conjunto extraíble del domo para su
mantenimiento. Las palas del rotor se unirán a su núcleo por medio
de pernos.
El sistema de fondeo utiliza elementos probados
en las plataformas de extracción de petróleo y en las jaulas de
acuicultura. El diseño del sistema de enganche
tele-mandado será similar al de los ganchos de
disparo rápido.
Claims (3)
1. Generador eléctrico submarino para el
aprovechamiento energético de las corrientes marinas de tipo
bidireccional caracterizado por un rotor (1) formado por una
hélice múltipala montada sobre domo central (2) que contiene un
generador de energía eléctrica que es accionado por el rotor y este
conjunto, formado por el rotor (1) y el domo central (2), está
soportado por una estructura radial, compuesta por una serie de
brazos (3) de forma ovalada para reducir la resistencia al flujo de
la corriente sirviendo como-tanques auxiliares de
lastre y estos brazos situados en un plano perpendicular al eje del
rotor (1) finalizan cada uno de ellos en un flotador con forma de
torpedo (4) cuyo eje es paralelo al del rotor (1), cerrándose por su
extremo libre por medio de tirantes (5), los cuales forman una
estructura en Y cuyo nudo de unión soporta la conexión del cable de
fondeo, que mediante el tiro horizontal a tracción y junto con el
otro cable que con la misma alineación sujeta la parte trasera del
domo (2), permiten mantener el generador sumergido y en la posición
correcta para recibir el flujo de la corriente, cuando este discurre
tanto en un sentido como en el opuesto, de manera que atraviese el
plano del rotor (1), perpendicularmente al mismo y así lograr el
máximo de aprovechamiento de su energía.
2. Generador eléctrico submarino para el
aprovechamiento energético de las corrientes marinas, según
reivindicación 1, caracterizado porque dispone de tanques de
lastre dispuestos en el interior de los brazos (3) y de los
flotadores (4), que al llenarse o vaciarse de agua cambian la
flotabilidad y el centro de gravedad de todo el conjunto estructural
que compone el generador y permiten su posicionamiento correcto en
inmersión y a la profundidad adecuada para su funcionamiento y
asimismo la emersión y cambio de posición a flote cuando sea
necesario para realizar labores de mantenimiento o de remoción,
estando todo este procedimiento operacional regulado mediante un
sistema automático de control que incluye el teleguiado a través de
un cable de ayuda desde que se suelta mediante el gancho de disparo
del sistema de fondeo hasta que alcanza la superficie.
3. Generador eléctrico submarino para el
aprovechamiento energético de las corrientes marinas, según las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por disponer de un
sistema de fondeo para su posicionamiento en operación que comprende
tres líneas de fondeo, cada una compuesta por los siguientes
elementos, un punto de enganche al fondo (7), un cable vertical (8)
que arrancando del punto anterior termina en una boya (6) y que
dispone del punto de anclaje (9), situado a la profundidad a la que
debe operar el eje del rotor (1) del generador y fondeándose la
estructura que comprende el generador, mediante su fijación a este
sistema de fondeo a través de tres cables horizontales (10, 11 y
12), el primero (10) que une el punto de unión de los tirantes con
el punto de anclaje de una de las tres líneas de fondeo formando un
tirante con la dirección del eje del rotor (1) y los otros dos (11)
y (12) uniendo el punto trasero del domo (2) con las otras dos
líneas de fondeo y formando cada uno de esos dos cables (11) y (12)
una línea horizontal simétrica con respecto al eje del rotor (1) que
es bisectriz del ángulo agudo que los dos cables forman.
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