ES2387441B1 - Generador flexible de potencia a partir de la energía de las olas. - Google Patents

Generador flexible de potencia a partir de la energía de las olas. Download PDF

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Abstract

Generador flexible de potencia a partir de la energía de las olas.#El generador objeto de la invención está constituido por una boya flotante que sigue el movimiento de las olas y una columna hueca, llena de líquido, flexible y deformable, que la une con el fondo marino. Esta columna está compuesta por dos capas o pieles de materiales y funcionamiento diferente. La capa exterior son fibras helicoidales de elementos flexibles y prácticamente no extensibles, mientras que la interior es impermeable y extensible.#La variación de la longitud del cilindro, forzada por el ascenso de la boya en la ola, disminuye el volumen interior de la columna. Esto conduce el líquido de la cámara hacia el acumulador hidroneumático situado en el flotador superior. La disminución de tensión mecánica en la piel exterior de la columna, por compresión de la columna al bajar la boya en el seno de la ola, permite el retorno del líquido a la cámara de la columna, forzado por la presión del aire comprimido en el flotador.#El flujo cíclico del fluido entre ambas cámaras originado por el movimiento de las olas circula por un motor hidráulico capaz de recoger la energía generada. El ajuste de la operación a las olas, a las mareas y a la profundidad se realiza mediante el número de cámaras de la columna, la cantidad de líquido en cada una de ellas o la presión del aire comprimido en el flotador.

Description

ENTORNO Y OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de la energía y en particular a los dispositivos para capturar energía del mar y emplearla como fuente renovable .
Su diseño elimina los elementos rígidos de conexión entre los elementos flotantes y los fijos al fondo marino, con buenas prestaciones en cuanto al coste y la capacidad de integración en un entorno costero, contribuyendo simultáneamente a la protección contra la erosión litoral .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Algunos elementos de una onda son: su longitud, esto es, la distancia entre dos crestas consecutivas; la amplitud, la mitad de la distancia vertical entre una cresta y un valle; el período, el tiempo que separa el paso de dos crestas consecutivas por delante en un punto fijo; y la velocidad .
La energía que desarrollan las olas es proporcional a las masas de aguas que oscilan y al cuadrado de la amplitud de oscilación. Según los mapas del Departamento de Energía americano, la potencia promedio de las olas por metro lineal de costa supera los 30kW en la zona noroeste de la Península Ibérica y alcanza valores por encima de los 50kW en el oeste de Irlanda o en la costa austral de Chile .
Se puede emplear una técnica sencilla para captar la energía desarrollada por las ondas marinas en sus oscilaciones
verticales. Basta para ello disponer de uno o más flotadores, provistos de un vástago, que se deslizan a lo largo de unas guías y cuyos movimientos verticales se transmiten mediante el vástago a generadores eléctricos .
El ingeniero Cattaneo de Veltri ideó un dispositivo, que instaló al pie del promontorio rocoso en el cual se asienta la cuidad de Mónaco y con el fin de proveer de agua marina al Museo Oceanográfico de dicha ciudad . Consiste en un pozo de cierto diámetro que comunica por su parte inferior con el mar. A lo largo de este pozo se mueve un pesado flotador guiado por unas barras de hierro empotradas en la pared de aquel flotador, que desciende y asciende por la gravedad y por el empuje vertical del agua del mar y conforme con las oscilaciones de la superficie de éste. Mediante palancas articuladas, el flotador transmitía su empuje a los vástagos de los émbolos de dos bombas hidráulicas aspirantes-impelentes, que elevaban e l agua hasta el Museo Oceanogr áfico .
Esta máquina, que funcionó una docena de años, acabó por ser destruida por las olas a pesar de su robustez y construcción sencilla. Su rendimient o era reducido y constituyo más bien una curiosidad que un dispositivo realmente út il .
De los sistemas propuestos, para aprovechar la energía de las olas, se puede hacer una clasificación : los que se fijan en la plataforma continental y los flotantes, que se instalan en el mar . Entre los primeros puede citarse la invención de W.W. Lininger en febrero de 1970, con número de patente USA 3644052. Consiste en plataformas articuladas mediante un elemento giratorio, situadas en la playa o costa inclinada sobre la que
inciden las olas . El movimiento de las plataformas inducido por el oleaje se recoge en el giro de la rueda que activa un generador eléctrico .
Otro dispositivo f ijo a la costa fue el convertidor noruego
Kvaerner, cuyo primer prototipo se construyó en Bergen en 1985 .
Consiste en un tubo hueco de hormigón, de diez metr os de largo,
dispuesto verticalmente en el hueco de un acantilado . Las olas
penetran por la parte inferior del cilindro y desplazan hacia
arriba la columna de aire, 10 que impulsa una turbina instalada
en el extremo superior del tubo . Esta central tiene una
potencia de 500 kW y abastece a una aldea de 50 casas .
Otro ejemplo es el rectificador de Russel!, formado por módulos que se instalan en el fondo del mar. Cada módulo consta de dos cajas rectangulares, una encima de la otra . El agua pasa de la superior a la inferior a través de una turbina.
Entre los di spositivos flotantes, se encuentra el pato de Salter, que consiste en un flotador alargado cuya sección tiene forma de pato. La parte más estrecha del flotador se enfrenta a la ola con e l fin de absorber su movimiento lo mejor posible. Los flotadores giran bajo la acción de las olas alr ededor de un eje cuyo movimiento de rotación acciona una bomba de aceite que se encarga de mover una turbina.
Simi lar es la balsa de Cockerell, que consta de un conjunto de plataformas articuladas que reciben el impacto de las crestas de l as olas. Las balsas ascienden y descienden, impulsando un fluido hasta un motor que mueve un generador . La i mpulsión del fluido se realiza por medio de un sistema hidráulico instalado en cada articulación .
En numerosas ocasiones las boyas constituyen elementos de señalización óptica, acústica o de radio para la navegación . En otros casos, son dispositivos de recogida de datos oceanográficos, repetidores de comunicaciones o generadores de 3 O avisos meteorológicos o de maremotos. En todos estos casos el
movi miento de las olas supone una fuente de energía que permite su funcionamiento autosuficiente como sistemas aislados.
Este es el caso del sistema propuesto por Hinck y otros para la Thyocol Chem . Cc . en 1963 con patente USA n° .272765 . En este caso una masa inerte gira por acción de las olas en el interior de la boya . Ello activa un generador eléctrico que carga las baterías, capaces de suministrar potencia eléctrica al sistema de forma ininterrumpida .
El desplazamiento vertical de un elemento flotante respecto al fondo marino es utilizado por R.Hamburg, según patente US 2007/0222221Al, en un cilindro hidrául ico que acciona una biel a-manivela . De esta forma el desplazamiento lineal se convierte en giro para un generador eléctrico.
Ahora bien, el movimiento de la boya puede transformarse directamente en electricidad mediante un generador eléctrico lineal, tal como proponen Tayl or et al . en su invención US 2006/02088339 Al o el inglés H.P.G.Kelly en PCT/GB2004/003113. La aplicación directa de esta idea la plasma Hirst en la patente US 7199481 de abril de 2007. Así, la bobina se encuentra en la columna que une la boya al fondo mientras el campo magnético inductor móvil es creado por el flotador que abraza la columna en su desplazamiento .
Para aprovechar el movimiento lateral de la ola, Jorge Negrón, en patente US 2007/0158950, propone una estructura tipo cercha anclada al fondo marino con flotadores oscilantes sobre sus nodos superiores. El movimiento de estas boyas se traslada a
los
pistones que las unen a la cercha y el desplazamiento del
fluido
acciona un motor hid ráu lico que, a su vez, acciona el
generador eléctrico .
Wu propone en la pat ente USA4466244 de agosto de 1984 un
mecanismo hidroneumático en cascada donde las variaciones de presión en var1as cámaras causadas por el avance de la ola activan un conjunto de motores neumáticos que enlazan cada cámara con la consecutiva .
5 F . W. Layher propone en la patente USA n07549288 en junio de 2009, un generador marino con estructura de balancín que activa dos cámaras neumáticas, una en depresión y otra en sobrepresión, que accionan neumáticamente un generador eléctrico.
10 Recientemente, la patente española de sol icitud P201001117 del 31 08 2010 de Guinea y otros, plantea un generador donde la boya acciona un cilindro hidráulico que la une con el fondo marino . Es un sistema efectivo aunque el elemento activo es rígido en su funcionamiento. Los patrones de operación por el
15 movimiento del fluido interior son dependientes de la capacidad de extensión de este elemento activo . Por ello, la variación de la distancia media de la boya al fondo, por ejemplo por mareas pronunciadas, puede limitar l a pr oporción de despl azamiento útil debido al movimiento de la ola frente al desplazamiento
20 total .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Planteamiento
La invención simplifica la complejidad mecánica y mejora los dispositivos exi stentes, ofreciendo un diseño de gran eficacia, ligero, fácil de instalar, robusto, de bajo coste y escaso mantenimiento .
El generador objeto de la invención (l) se muestra en la figura 1 junto a su esquema funcional . Está constituido por una boya
flotante
(3 ) que sigue el movimiento de las olas en la
superficie del
mar.
La
variación de longitud de la colunma (2) , forzada por el
ascenso
de la boya en la ola, disminuye el volumen interior de
la
cámara (A) interior a la columna, conduci endo el líquido
hacia el acumulador hidroneumático situado en la parte superior del generador, que constituye el flotador (3).
La disminución de tensión en la columna por descenso de la boya hacia el seno de la ola permite que el aire comprimido en la cámara superior (8) expulse una parte del líquido hacia la cámara inferior (A) de la columna .
El movimiento periódico del fluido entre ambas cámaras activa un motor hi dráulico (5), conectado mecánicamente a un generador eléctrico u otro dispositivo capaz de generar potencia útil .
Las cuatro válvulas anti-retorno que muestra el esquema hidrául ico de la figura 1 canalizan el desplazamiento del fluido entre las dos cámaras (A) y {El de forma que pase a través del motor (5) siempre en el mismo sentido.
Descripción detallada
Una plataforma o "muerto" (4) fija al fondo marino la parte inferior de la columna flexible (2) como representa la figura
l . La columna (2) está constituida por dos capas o pieles de diferente diseño y fabricadas con materiales de diferente naturaleza. La figura 2a muestra la capa exterior de la columna, formada por dos conjuntos de hélices (10) con desarrollo vertical a derechas uno de ellos (lOd) y a izquierdas el otro conjunto de fibras (lOi) según se detalla en la figura 2b. Estas hélices están fabricadas de un tejido flexible y prácticamente no extensible capaz de resistir la tensión máxima de la columna. Esta fuerza de tensión máxima está limitada por el peso del agua desalojada por la boya en completa inmersi ón menos el peso de la propia boya . La capa exterior (10) de la columna une la plataforma del fondo con la boya. Los conjuntos de fibras helicoidales se cruzan sin unirse a 10 largo de toda la columna. Esto permite su fácil deformación al variar el volumen interior de la cámara (A) . Los gráficos de la figura 2 muestran las posiciones de los anclajes inferior y superior de la envolvente a la plataforma del fondo y a la boya, respectivamente . Si el diámetro de sus circunferencias de anclaje es pequeño frente a la longitud de la col umna, el volumen máximo de la cámara (A) situada en su interior será aproximadamente una esfera. En esta s i tuación, la altura de la columna en esta posición de volumen máximo será doble al radio de la esfera que conforma la cámara (A). El volumen de la cámara (A) tiende a cero a medida que la columna se alarga por alejamiento, al elevarse sobre la ola el flotador respecto al fondo. En esta deformación se mantiene la longitud de la envolvente exterior
gracias a las espirales prácticamente inextensibles (10) que
constituyen la piel externa . La máxima elongación de la columna
es i gual a la semicircunferencia de los meridianos de la esfera
antes mencionada, pi por el radio de la esfera, lo que permite
5
un alargamiento de algo más de un 50% de la altura mínima.
Para generar las variaciones de presión es preciso que la
columna esté dotada de una segunda piel interiorI impermeable
a l fluido, que se representa en la figura 2c mediante un globo
(I!) . Los dos conjuntos de hélices en oposición (l O) determinan
la
el contorno de revolución que delimita externamente los límites
máxi mos de la cámara (A), contenida por la segunda piel de la
columna .
Esta membrana, cuyo interior constituye la cámara (A), está
consti tuida por un material susceptible de envolver un volumen
15
vari able, con una forma también variable. Ello puede realizarse
utilizando una membrana elástica o bien una delgada lámina
plegada de gran flexibilidad . Su interior determina la cámara
(A) que se representa en sección en la figura 2d . Esta cavidad
se comunica con el acumulador hidroneumático que constituye el
20
f l otador, a través del motor hidráulico (5) y las válvulas.
Cuando la boya asciende hacia la cresta de la ola, la cavidad
i nteri or a la columna se contrae al comprimir la cámara (A) con
la envolvente ex terior (10) de la columna, expulsando fluido al
acumulador hidroneumático de la cámara (B) situada en la boya .
25
La figura 1 esquematiza el funcionamiento del sistema
hidráulico con una cámara (A) de volumen variable y siempre
llena de líquido y otra cámara (B) parcialmente l l ena de aire.
La presión interior de (A) varía en función del flujo de fluido
debido a la deformación de la columna por la tensión y
30
compresión inducida por las olas.
Durante el ascenso que muestra la figura 4b, la cámara (A) se
comprime obligando el paso del líquido por la válvula anti
retorno inferior derecha, accionando el motor hidráulico y
accediendo a la cámara (B) por la válvula superior izquierda .
En l a cresta de la ola el vol umen V de líquido en el interior
de la cámara (B) será máximo, lo mismo que la presión P del
5
aire comprimido en su interior, como aparece en la figura 3a.
En este instante, la longitud de la colunma es máxima, el
volumen de líquido en la cámara (A) será mínimo, lo mismo que
el contorno Ca de la columna (2) . La fuerza de ascensión por
flotación, determinada por el peso del volumen de agua
10
desaloj ada menos el peso del flotador, establecerá la máx ima
tensión en las espirales exteriores (10) de la columna (2) y la
máxima presión P en el interior de la cámara (Al
Por el contrario, si la boya (3) desciende en el seno de una
ola, el aire comprimido empuja el líquido de la cámara (8) por
15
la válvula superior derecha hacia la cámara (A) en la colu mna
(2) a través del motor hidráulico (5) y la válvula inferior
izquierda . Este flujo se puede observar en la figura 4.a. El
gas comprimido en el interior del flotador se expande,
disminuyendo el peso de la boya (al desalojar el líquido) y
20
aumentando, por tanto, su flotabilidad . En su altura mínima,
según f i gura 3b, la presión del aire en su interior, P', será
también menor, lo mismo que el volumen de líquido en la cámara
(B) . Por el contario el volumen de la cámara (A) será máximo al
igual que la circunferencia (eb) de la columna (2) .
25
La diferencia de presión entre ambas cámaras activa el
movimiento del motor hidráulico (5) con una relación caudal -
diferenci a de presión entre depósitos que puede ser regulada
por una válvula de sección aj ustable . En funcionamiento en
régimen permanente, la cantidad de fluido inyectado durante el
3 O
descenso en la cámara A ha de ser igual que la que se extrae
durante el ascenso de esta misma cámara . Este volumen
constituye e l fluido circulante por el motor hidráulico (5)
durante cada semi -periodo de la ola. El e j e del encuentra acoplado mecánicamente a otro dispositivo que exporta la exterior. un generador energía del
motor (5) se eléctrico u sistema al
5
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con dos ej emplos preferentes de
5 realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente :
La figura 1 muestra esquema funcional del generador de 10 potencia (l) a partir de la energía de las olas objeto de la invención .
La figura 2 muestra diversos aspectos de la columna flexible de dos capas que une el flotador con el fondo marino .
La f igura 3 representa la distribución de líquido y gas entre
15 l a columna deformable y el acumulador hidroneumático en dos posiciones, la cresta y el seno de la ola .
La figura 4 visualiza el flujo de líquido entre las cámaras de deformación (A) y rígida (E) en el descenso fig . 4a y en el ascenso, fig.4b, del flotador.
20 La figura 5 ofrece una representación en perspectiva, 5a, y en sección, 5b, de un generador de altura ajustable con columna flexible de dos segmentos (A) y {D).
REALIZACIÓN PREFERENTE
DE LA INVENCIÓN
Se presentan dos configuraciones de la realizaciones preferentes en diferentes formas
invención como de aplicación .
-Ejemplo 1,
5
En el primer caso se describe, como aplicación preferente de la invención, un sistema de generación de potencia eléctrica a partir de la energía procedente de las olas constituido por un único flotador, una columna flexible y una losa de anclaje al fondo marino.
la
La figura 3 muestra el esquema del generador del ejemplo 1, funcionando de forma aislada, sometido al movimiento de las olas. Con la periodicidad impuesta por el oleaje una sobrepresión en la cámara (B) originada variaciones de volumen en la columna deformable. se induce por las
15 20
Se considera como ejemplo un flotador de un peso de 1Tm con 2m3 de volumen de agua desplazada en olas de h=2m de desplazami ento vertical cada 65. La potencia disponible será la generada por la fuerza en el desplazamiento realizado en cada segundo, esto es la sexta parte de los cuatro metros correspondientes a cada ciclo completo.
25
Este caso corresponde al mar generado por viento fresco con una brisa de unos 22 nudos con marejada con una longitud de onda de unos 40m. Es claro que una mayor altura de las olas sobre el mismo dispositivo ha de ser capaz de generar potencias más elevadas con el mismo diseño, y sin poner en peligro su integridad estructural o su funcionamiento.
En l a aplicación preferente de la invención que representa el ej emplo 1, los movimientos laterales de la boya no pueden aprovecharse para la generación de energía, ya que sólo es
posible la obtención de energía por elongación de la columna.
-
Ejemplo 2:
En el segundo caso se describe como realización preferente de la i nvención, la configuración realizada para un sistema de generación en un dispositivo de profundidad ajustable que se muestra en la figura 5 . En este caso, la columna o cordón umbi lical entre la parte móvil y la fija puede estar compuesta por uno o más segmentos de doble piel objeto de la invención con sus respectivas cámaras de volumen variable . Al
menos
uno de estos segmentos constituye el elemento activo
para
generación de potencia, mientras que el resto serán
elementos
de ajuste de altura de la columna.
En la figura S, la cámara inferior (D) de la columna se utiliza como elemento de ajuste para mantener la tensión adecuada en l a cámara activa (A) del generador . De esta forma el rango de operación en la altura de la boya respecto al fondo marino se puede ajustar a variaciones de nivel de la superficie del mar, causadas por ejemplo por las mareas .
La longitud de la cámara (O) se establece mediante el volumen de líquido introducido en su interior a través de una bomba de bajo caudal que puede activar de forma controlada el propio motor hidráulico, activado por las olas, que conecta las cámaras (A) y (8) . El volumen de la cámara D y, por tanto, su longitud, también podrían ser fijados mediante su comunicación con una cámara de presión constante (o parcialmente rellena de aire comprimido) mediante una resistencia h idráulica elevada . De esta forma , la cámara A absorbería las variaciones de menor periodo (las olas), que son típicamente las de mayor potencia, mientras que la cámara D absorbería las variaciones de mayor periodo (las mareas) .
Este diseño permite obtener un sistema de generación de
potencia transportable, constituido por un elemento flotante,
autopropulsado o remolcado, una base sumergible y una columna
que une ambos.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Generador de potencia a partir de la energía de las olas
    (1) caracterizado por estar compuesto de un cilindro hueco y flexible de doble piel (2), anclado al fondo marino, y una boya flotante (3) en el extremo superior.
  2. 2 .-Generador de potencia a partir de la energía de las olas (1), según reivindicación 1, caracterizado porque la envolvente externa de la columna está constituida por dos
    conj untos
    de espi rales de hilos o cables flex ibles y
    prácticamente
    no extensibles con desarrollo vertical en
    sentidos opuestos para
    uno y otro conjunto .
  3. 3 . -Generador de potencia a partir de la energía de las olas
    (1), según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la cámara interior de la columna está formada por una piel flexible y extensible I bien de material elástico tenso o de lámina deformable plegada .
  4. 4 . -Generador de potencia a partir de la energía de las olas, según reivindicaciones 1, 2 Y 3, caracterizado por incorporar dos cámaras separadas, una inferior en la columna, deformable, l lena de líquido y de volumen variable (A) y la superior en el flotador (8) , de volumen constante y parcialmente llena de aire comprimido .
  5. 5 . -Generador de potencia a partir de la energía de las olas, según reivindicaciones 1, 2, 3 Y 4, cuyas cámaras (A) y
    (B)
    se conectan a través de un motor hidráulico acoplado mecánicamente a un generador eléctrico, a una bomba hidráulica o a otro dispositivo de transformación de energía para el uso .
  6. 6. -Generador de potencia a partir de la energía de las olas, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4 Y 5, susceptible de
    regulación mediante control de la cantidad de líquido en su
    cámara inferior (Al y de la presión del alre en su cámara
    superi or (B) .
  7. 7.- Generador de potencia a partir de la energía de las olas,
    5 según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 Y 6, capaz de regulaci ón en la profundidad de instalación y la altura de las mareas mediante la segmentación de la columna en dos o más cámaras de volumen variable, al menos una de las cuales constituye el e l emento activo en la generación .
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