ES2393873A1

ES2393873A1 - Sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica

Info

Publication number: ES2393873A1
Application number: ES201130983A
Authority: ES
Inventors: Francisco De Asis AZPIROZ VILLAR; Iker MORENO OCHOA
Original assignee: Proyectos y Fabricacion Electronica SA
Current assignee: Proyectos y Fabricacion Electronica SA
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-12-28
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: ES2393873B1; WO2012172131A1

Abstract

Sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica, que consta de:a) medios mecánicos para transmitir la energía de las olas ab) al menos, una boya (12) que dispone,b1) un eje de entrada (E1) que transmite directa/indirectamente su movimiento a un generador de electricidad (6) de una intensidad nominal de valor lo,b12)) al menos un sensor/captador que muestrea el recorrido de la ola, transmitiendo sus datos ab{sub,3) una unidad inteligente de control (10)c) se aplica el conocimiento adquirido a las olas correspondientes de modo que la unidad de control (10) para cada ola detectada, en función del rango de altura (r) de la ola, aplica al generador (6) las corrientes óptimas (lpd), (lpa) correspondiente de la tabla (Tb), la (lpd) en la fase descendente y la (lpa) en la fase ascendente.

Description

Sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica.

El objeto del invento es un sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica, en base a optimizar el rendimiento de un generador acoplado al movimiento de una boya con el fin de que responda en cada momento de la mejor forma a las distintas alturas de olas que actúan sobre dicha boya.

Es un invento dentro del campo de las energías renovables, en este caso de la energía undimotriz.

INTRODUCCIÓN:

La energía undimotriz aprovecha la energía de las olas para transformarla en energía eléctrica. Las olas actúan sobre la boya haciendo que suba y baje con respecto a un punto de referencia, tanto al subir por el empuje de la ola como al bajar por su propio peso produce energía. La cantidad de energía suministrada depende de la altura de la ola, y de si sube o baja. Por lo tanto podemos hablar de un par de entrada variable y de una energía transferida variable.

Si analizamos el comportamiento del conjunto del sistema vemos que la retención del generador, potencia que su ministra debe est ar e n co nsonancia co n l a pot encia qu e r ecibe, par de ent rada, par a p oder opt imizar el rendimiento.

Si hacemos un estudio vemos que podemos trazar una campana de Gauss en la que en su punto más alto la energía de entrada tiene su máximo par y genera la máxima potencia, máxima altura de ola para potencia máxima del generador.

Si disminuye la altura de la ola decrece el par de entrada por lo que se da una desadaptación con respecto a la carga, generador. Para obtener el máximo rendimiento es preciso que la carga que supone el generador sea variable y se adapte a los distintos pares de entrada que vayamos obteniendo en función de las diferentes alturas de ola.

La retención del generador está en función de la potencia que suministra W=V.I, la tensión es proporcional a l as r evoluciones, por lo que po demos act uar s obre l a I ( intensidad) p ara va riar l a pot encia su ministrada optimizándola en función del par de entrada.

En concreto, el sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica, objeto del invento, se caracteriza porque consta de:

a) medios mecánicos para transmitir la energía de las olas a

b) al menos, una boya que dispone,

b1) un eje de entrada que transmite directa/indirectamente s u m ovimiento a u n ge nerador d e electricidad de una intensidad nominal de valor Io,

b2) al menos un sensor/captador que muestrea el recorrido de la ola, transmitiendo sus datos a

b3) una unidad inteligente de control que dispone de

b31) un algoritmo de obtención de máximo/cresta de la ola (A) y mínimo/valle de la ola (B) en base a las señales del muestreo del/los sensor/captador/es y de detección si la fase de ola es ascendente o descendente,

b32) un sistema para la obtención de la corriente-intensidad óptima de aplicación al generador de electricidad para lo que

b321) se dividen las olas en rangos de altura de acuerdo con la altura de la ola, y

b322) se apl ica a l as olas de ca da r ango de al tura un n úmero su cesivo de va lores de corriente (Ia) en su fase ascendente y se combina con la aplicación de un valor o un número sucesivo de valores de corriente (Id) en su fase descendente,

b323) se calcula la potencia total (Pna) obtenida en la fase ascendente y la potencia total (Pnd) obtenida en la fase descendente para cada combinación de valores de corriente aplicados (Ia), (Id) y o bteniéndose un va lor máximo d e p otencia t otal ( Pmax) cu ando e n un a m isma ola l a su ma d e ambas potencia totales (Pna + Pnd) es máximo y estableciéndose que las corrientes (Ia), (Id) aplicadas para obtener esa potencia máxima (Pmax), sean la corriente óptima (Ipa) ascendente e (Ipd) la corriente óptima descendente, y

b324) estableciéndose una tabla (Tb) de correspondencias entre el rango de altura de las olas y las corrientes óptimas (Ipd), (Ipa) a aplicar al generador, quedando la tabla almacenada en la unidad de control,

c) se aplica el conocimiento adquirido a las olas correspondientes de modo que la unidad de control para cada ola detectada, en función del rango de altura de la ola,aplica al generador las corrientes óptimas (Ipd), (Ipa) correspondiente de la tabla (Tb), la (Ipd) en la fase descendente y la (Ipa) en la fase ascendente.

Figura 1 Ejemplo de distribución de elementos electro-mecánicos de un sistema de captación de energía compuesto por una boya (12) que se desplaza con los movimientos de la olas, sobre una cremallera (1) situada en una estructura f ija. E ste desplazamiento, mediante el piñón de ent rada ( 2), h ace girar al ej e d e t ransmisión ( E1) bidireccionalmente. Este movimiento, se convierte en un movimiento unidireccional mediante un sistema mecánico basado en ruedas libres (4) para posteriormente, adaptar la velocidad de giro mediante un sistema multiplicador (5). El eje de transmisión con velocidad y sentido de giro adaptado (E2), ataca al generador (6) conectado a un sistema de rectificación (8) que se encarga de gestionar la corriente eléctrica demandada y que fluye por los bobinados (7). La unidad de control(10), se comunica con el sensor de presión(11) y el encoder absoluto (3), para obtención de información de la ola, y con el sistema de rectificación para mandar la consigna de corriente y para recibir la información obtenida por el sistema de medición de potencia generada (9)

Figura 2 Ejemplo de conexionado de un sistema formado por tres boyas (15,16,17). Cada una de las boyas lleva incorporado su una unidad de control (10), sus correspondientes sensores (3,11), su generador (6) y su rectificador (8). La salida de cada rectificador confluye en un único bus (18) que es enviado a un ondulador (13) que sólo r eside e n l a bo ya " madre" ( 17), don de se r ealiza el pr oceso d e e nganche a l a r ed el éctrica y su post erior traslado al transformador (14).

Figura 3 Representación de la velocidad en el eje E2 (nE2), el par (TRET) y la potencia (PGEN) en función de la corriente aplicada en el generador (I). Se observa que a medida que aumenta la corriente aplicada al generador (I), disminuye la velocidad (nE2) pero aumenta el par (TRET), obteniéndose como consecuencia de ello, una campana de Gauss en la representación de la potencia (PGEN), donde existe un valor de corriente (Ip) en el cual se obtiene una potencia máxima.

Figura 4 Representación gráfica de un tren de olas, con sus crestas(A), valles(B) y zonas de transición (C). La altura de la ola (HS) viene definida por la diferencia por la diferencia entre la cota máxima o cresta de la ola y la cota mínima o valle de la ola.

Figura 5 E l s ensor de pr esión (11) s e c oloca e n l a b ase de la boya (12) e n p osición ce ntrada. La información de l a ol a ( o) o btenida m ediante est e se nsor, es siempre r especto a u n sistema de r eferencia m óvil debido a que la boya se desplaza sobre la cremallera(1) situada en la estructura fija (19)

Figura 6 Representación del desplazamiento (D) obtenido por el sensor de presión (figura 6b) y el encoder absoluto (figura 6c) en f unción del tiempo (t), cuando la boya no puede seguir exactamente el recorrido de la ola (figura 6a). En este caso, se observa que durante el tramo de movimiento ascendente, comprendido entreel inicio del movimiento ascendente (a0) y el final del movimiento ascendente (a1), y el tramo de movimiento descendente, comprendido entre el inicio del movimiento descendente (a2) y el final del movimiento descendente (a3), los valores del sensor de presión también varían (a4).

Figura 7 Representación del desplazamiento (D) obtenido por el sensor de presión (figura 7b) y el encoder absoluto (figura 7c) en función del tiempo (t), cuando la boya sigue exactamente el recorrido de la ola (figura 7a). En este caso, se observa que durante el tramo de movimiento ascendente, comprendido entre el inicio del movimiento ascendente ( b0) y el f inal d el m ovimiento a scendente ( b1), y el t ramo d e m ovimiento descendente, comprendido entre el inicio del movimiento descendente (b2) y el final del movimiento descendente (b3), los valores del sensor de presión se mantienen constantes (b4).

Figura 8 Detalle de la superficie de la ola en la cresta

Figura 9 Detección de movimiento y dirección.

Figura 10 Detección de punto máximo.

Figura 11 Obtención de l a altura de l a ola (figura 11a) a partir de l a información de l a altura máxima del sensor de presión (figura 11b) y de la altura máxima del encoder absoluto (figura 11c).

ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO (figuras 2 y 3)

La energía que una ola es capaz de generar, es proporcional al producto del par que genera la ola y la velocidad. Una parte de la energía generada por la ola, se utiliza para mover la propia boya, y el resto se utiliza para transmitirla al generador (mediante un sistema mecánico que convierte la velocidad de traslación vertical de la boya en una velocidad de rotación del eje del generador)

POLA = K1.n.TOLA = PMOV + PGEN = K1.n.(TMOV+TGEN)

K1: constante de adaptación de unidades

n: velocidad de giro en el eje de entrada (E1)

TGEN: par de generación en el eje de entrada (E1)

Esta potencia transmitida al generador, es la potencia que el sistema será capaz de obtener para cada ola y es proporcional al producto de la tensión que se induce en los bobinados del generador y la corriente de carga.

PGEN = K1.n.TGEN = = K1.nE2.TRET = K2.V.I I: factor de multiplicación de la caja multiplicadora

nE2=n.i : velocidad de giro en el eje E2

: par de retención en el eje E2

TRET=

K2: constante de adaptación señal tensión/corriente del generador.

La tensión que se induce en los bobinados, es proporcional a la velocidad de giro del generador, por lo que se puede actuar sobre la demanda de carga o corriente del alternador para modificar el requerimiento de par. Este requerimiento de par de generación, lo denominaremos par de retención ya que implica una oposición o reducción del movimiento que la ola es capaz de transmitir a la boya.

======>TRET =

= TRET K4 =K1.TRET =

K3 es la constante de relación entre tensión generada en el generador y velocidad de giro en el eje de entrada del generador.

K3 =

De esta manera, se puede observar que si la demanda de corriente que se le pide al generador es nula, el par de retención es también nulo y toda la energía de la ola se utiliza para mover la boya obteniéndose así la máxima velocidad de translación. Por otro lado, si se aplica demanda de corriente en el generador, se crea un par de retención proporcional a la demanda, que hace que la energía de la ola se reparta en mover a la propia boya y en salvar ese par de retención. Esto significa una disminución en la velocidad de movimiento de la boya, y por lo tanto de la velocidad de giro del generador, pero se obtiene una potencia de generación proporcional a esa velocidad de giro y al par de retención. Cuanto mayor corriente se le demande al generador, se obtiene un mayor par de retención pero con menor velocidad de giro, por lo que e l objetivo final consiste en busc ar la demanda de corriente óptima para que la potencia generada sea la máxima, es decir, el producto de la velocidad de giro y el par de retención sea el máximo.

La base del invento reside en que se dividen las olas en rangos de altura (r) de acuerdo con la altura (h) de la ola, y se aplica a las olas de cada rango de altura (r) un número sucesivo de valores de corriente (Ia) en su fase ascendente y se co mbina c on l a a plicación d e u n número su cesivo de v alores de co rriente ( Id) en s u f ase descendente y se calcula la potencia total (Pna) obtenida en la fase ascendente y la potencia total (Pnd) obtenida en la f ase desc endente par a ca da co mbinación de va lores de co rriente aplicados (Ia), ( Id) y obteniéndose un va lor máximo de potencia total (Pmax) cuando en una misma ola la suma de ambas potencia totales (Pna + Pnd) es máximo y estableciéndose que las corrientes (Ia), (Id) aplicadas para obtener esa potencia máxima (Pmax), sean la corriente óptima (Ipa) ascendente e (Ipd) la corriente óptima descendente.

El modo en que se efectúa la combinación de valores de corrientes ascendente (Ia)ydescendente (Id) es muy amplio y sujeto a las conveniencias, ingeniería y medios de programación del fabricante y usuario.

El solicitante ha efectuado numerosos ensayos de combinación, y opina que el modo de combinación más favorable considerando las variables, precio, fiabilidad y aproximación óptima del objetivo, es efectuarlo en dos pasos y aplicando la iteración:

a) el sistema para la obtención-intensidad óptima de aplicación al generador de electricidad (6) se dispone un primer paso en el que se aplica a las olas de cada rango de altura (r) el número sucesivo de valores de corriente(Io) en su fase ascendente que parten del valor de corriente nominal (Io) del generador (6) decrementándose progresivamente, y c ombinándolo c on u n va lor de co rriente (Id) co nstante en s u f ase descendente, que puede ser de valor nulo: Id = K6, hasta obtener un valor de potencia máxima (Pmax) y determinando que sea el valor correspondiente de corriente aplicada, el valor óptimo de corriente (Ipa) en su fase ascendente;

b) el sistema consta de un segundo paso en el que en la fase ascendente, el valor de corriente se fija al valor óptimo (Ipa) obtenido del primer paso y se van dando valores de corriente (Ipd) en la fase descendente en relaciónprogresiva hasta quese detectauna disminución en la potencia generada en la suma de losmovimientos ascendente y descendente, determinando que el valor óptimo de corriente (Ipd) en su fase descendente, lo que se aplico inmediatamente antes de detectar dicha disminución de potencia generada.

Se desarrolla a continuación una realización práctica del sistema objeto del invento para una mejor comprensión del mismo.

Una simplificación de todo el sistema es quedarse únicamente con el primer paso y haciendo que (Id) sea un pequeño % de la (Io), por ejemplo, 0 ≤ Id ≤ 15%, con lo que se obtienen unos resultados aceptables.

Se discretiza el modelo en rangos (r) de altura de ola en función de la altura mínima de generación, de la altura máxima valida para el sistema y del número de rangos. Cuanto mayor sea el número de rangos, mejor será la discretización pero se necesitarán un mayor número de olas y tiempo para completar el análisis.

La altura de la ola, viene definida por la diferencia entre la cota máxima o cresta de la ola y la cota mínima o valle de la o la. P uede ocurrir t ambién, qu e el t ren de olas no se a c ontinuo, y que por l o t anto existan zo nas transitorias denominadas zona de transición (figura 4).

Para el proceso de análisis, se requiere un mínimo de un sensor o captador que muestree el recorrido de la superficie de la ola, por ejemplo una sonda de profundidad. El utilizar uno, dos o tres captadores dependerá de las circunstancias y sobre todo del pr ecio. E sta i nformación del c aptador, se r ecoge en la un idad de c ontrol, d onde mediante un algoritmo de obtención de máximos y mínimos de esa muestra, se procesa la información referente al momento en que se produce un máximo o cresta de ola, y un mínimo o valle de ola.

Para la explicación del proceso de análisis, a modo de ilustración y debido a su sencillez de instalación y reducido coste económico, se utiliza un sistema basado en dos sensores para la obtención de la información del recorrido de la ola (figura 5):

Sensor d e pr esión co locado en l a co ta c entral d e l a base de l si stema de g eneración: m ediante est e elemento se obtiene la cantidad de metros de columna de agua (m.c.a.) que hay por encima del sensor.

Encoder abs oluto si tuado en el ej e d e ent rada: est e e lemento nos da i nformación d el des plazamiento vertical de la boya. También se podría utilizar un encoder incremental gestionando el desplazamiento mediante un contaje de los pulsos transmitidos por el encoder.

Mediante estos dos elementos, obtenemos la información necesaria de la altura de la ola y de la dirección ascendente/descendente del movimiento de la ola (figuras 5, 6 y 7).

Debido al peso de la propia boya, existe una inercia que hace que en un primer momento, cuando la ola comienza su movimiento as cendente o d escendente, l a boya n o pu ede se guir a ese m ovimiento d e l a ol a. E ste proceso también se repite cuando la ola está terminando su movimiento ascendente o descendente. Durante esos intervalos, el encoder no detecta desplazamiento alguno en la boya, y el sensor de presión da la información exacta del m ovimiento de l a o la, ya que est á m idiendo co ntinuamente e l des plazamiento d e l a su perficie de l a ol a co n respecto a la situación fija del sensor. Cuando la boya comienza a moverse, al estar el sensor de presión adherida a ella, el punto de referencia del sensor de presión también empieza a moverse, por lo que la medida que nos da este sensor, ya no es el movimiento exacto de la superficie de la ola si no u nas distancias que dependen de l o que la boya pueda seguir al movimiento de la ola. Es decir, si por ejemplo el movimiento de la boya fuera exactamente el mismo al movimiento de la ola, el sensor de presión en ese instante mediría una altura constante respecto a la superficie.

En cualquier caso, la posición de la superficie de la ola, siempre viene definida por la medida que nos da el sensor de presión referido a la superficie de la ola más la medida que nos da el encoder referido al desplazamiento de la boya.

Los movimientos de las olas, tienen unas propiedades no estáticas que hace que existan unas perturbaciones en su superficie. Es decir, la masa de agua en la superficie, no se puede considerar como un plano, si no que tiene pequeños picos y valles (figura 8).

Para ev itar es tas perturbaciones originadas por l as olas en ambos sistemas d e ca ptación, se re alizan análisis mediante intervalos en lugar de análisis puntuales o instantáneos. Estos intervalos se establecen en función de un umbral mínimo de movimiento (ΔMOV) que indica la existencia o no de movimiento en la ola.

El pr oceso de m uestreo de l a ol a, se r ealiza en bas e a l a obt ención d e posi ciones máximas (crestas) y mínimas (valles) detectadas en los sistemas de captación:

Obtención de punto máximo (figuras 9 y 10):

Se inicia el muestreo de ambos captadores hasta que se cumpla la condición de movimiento en cualquiera de ellos (|Xi-Xinicial|≥ ΔMOV) y se detecte una dirección ascendente del movimiento (Xi>Xinicial). Se repite este proceso actualizando e n ca da i ntervalo de m ovimiento el va lor m áximo co rrespondiente a ca da ca ptador ( Xmax=Xi) hast a obtener un a c ondición de m ovimiento p ero co n ca mbio d e se ntido ( |Xi-Xinicial|≥ ΔMOV y X i<Xinicial), est ableciéndose como límite maximo para el captador que detectó el cambio de sentido su valor Xinicial y para el otro captador el valor máximo que se ha ido actualizando durante todo el análisis ascendente (Xmax). El mámixo error en la obtención de estas posiciones límites siempre será menor o igual al umbral de movimiento ΔMOV.

Obtención de punto mínimo:

Se inicia el muestreo de ambos captadores hasta que se cumpla la condición de movimiento en cualquiera de ellos (|Xi-Xinicial|≥ ΔMOV) y se detecte una dirección descendente del movimiento (Xi<Xinicial). Se repite este proceso actualizando en ca da i ntervalo d e m ovimiento el v alor m ínimo co rrespondiente a c ada ca ptador ( Xmin=Xi) hast a obtener un a c ondición de m ovimiento p ero co n ca mbio d e se ntido ( |Xi-Xinicial|≥ ΔMOV y X i>Xinicial), est ableciéndose como límite mínimo para el captador que detectó el cambio de sentido su valor Xinicial y para el otro captador el valor mínimo que se ha ido actualizando durante todo el análisis descendente (Xmin). El mámixo error en la obtención de estas posiciones límites siempre será menor o igual al umbral de movimiento ΔMOV.

Obtención de la altura de la ola (figura 11):

Para la obtención de la altura de la ola, se analizan los máximos y mínimos obtenidos por cada captador de manera que la suma de sus desplazamientos máximos dan la altura de la ola:

HOLA=|Xmax-Xmin|CAPTADOR1 + |Xmax-Xmin|CAPTADOR2

Hola = Hpresión + Hencoder = Hp + He.

Obtención de corriente óptima:

El proceso de análisis para la obtención de la corriente óptima a aplicar al generador, se realizará en dos fases:

Fase inicial: primero se realiza el análisis de obtención de corriente óptima a aplicar en el generador para los estados en que se producen desplazamientos ascendente, dejando el sistema en vacío (corriente nula) durante todos los desplazamientos descendentes.

Fase f inal: un a ve z se han obt enido l as corrientes óptimas en l a f ase i nicial, se r ealiza el an álisis de obtención d e corriente ó ptima a aplicar en el generador para los estados en q ue s e producen d esplazamientos descendentes, aplicando los valores de corrientes óptimas calculados durante la fase inicial para los desplazamientos ascendentes.

Fase inicial:

Cada vez que se detecte una cresta de ola, se calcula la altura de la ola para en función de esa altura, realizar el análisis de corrientes por aproximaciones sucesivas durante el desplazamiento ascendente. Este análisis, se tiene que realizar para todos los rangos de alturas de olas establecido, de manera que se obtenga finalmente una tabla de equivalencia entre la altura de la ola y corriente a demandar al generador para que la potencia generada sea la máxima que el sistema es capaz de obtener.

Durante este proceso de aproximaciones sucesivas, para cada rango de ola, se dejará el sistema en vacío (corriente nula) durante todos los desplazamientos descendentes. Por el contrario, durante los movimientos ascendentes de la ola, se irá apl icando una corriente constante durante todo el movimiento al generador y se irá midiendo l a p otencia i nstantánea q ue se está g enerando e n e l g enerador. De esta m anera, a l f inal de ca da movimiento as cendente d e l a ol a, se obt iene p ara ca da r ango d e al turas de ol a, un a par eja co mpuesta por l a corriente aplicada al generadorypor la potencia total obtenida por ese generador. Para calcular la potencia total obtenida en el gen erador, se al macenan l os valores de p otencia i nstantánea q ue s e han ido l eyendo d urante e l movimiento ascendente de la ola, y se calcula la potencia eficaz resultante de todas estas mediciones de potencia instantánea.

PTOTAL=

Pins(n): potencia instantánea leída en cada instante

n: número de lecturas realizadas

Una v ez se t iene l a p areja co rriente aplicada y p otencia g enerada para un r ango d e a ltura de ol a determinada, se repite este proceso con la llegada de una nueva ola que esté dentro de este mismo rango de altura, pero aplicando un va lor de corriente inferior al valor que se aplicó con la última ola que se analizó dentro de este rango. Este proceso se va repitiendo para cada nueva ola dentro del mismo rango hasta que se detecte la potencia total generada máxima y por lo tanto la corriente óptima a aplicar en el generador.

Algoritmo p ara el m étodo de apr oximaciones sucesivas en la f ase i nicial para un r ango de altura d e o la determinado

El aná lisis de aproximaciones sucesivas, s e t iene qu e r ealizar para ca da r ango de a lturas de o la, d e t al manera que el algoritmo que se aplica para una ola con una altura dentro de un rango determinado, no se puede aplicar mas a que a olas que estén dentro de ese rango. Esto significa, que se irán realizando tantos algoritmos en paralelo o en serie como rangos de altura en los que se haya discretizado el modelo.

El algoritmo de aproximaciones sucesivas, se realiza con la llegada de cada nueva ola. Se determina la altura de la ola y se establece el rango en el que está, para así seleccionar el algoritmo que se está llevando a cabo en ese rango.

Algoritmo: ΔI Decremento que se aplica a la corriente con cada nueva ola que se analiza

n: Número de ola dentro del rango que se está analizando.

iN: Corriente que se aplica al generador cuando se analiza la primera ola dentro de ese rango.

Esta corriente será la corriente nominal del generador.

Pn Potencia total obtenida durante el movimiento ascendente de la ola número n

Pn+1 Potencia total obtenida durante el movimiento ascendente de la ola número n+1

-: Pn= ƒ(iN-n. ΔI)

-: Pn+1= ƒ(iN-(n+1). ΔI)

-: Si Pn+1> Pn , se sigue con el algoritmo

-: Si Pn+1< Pn , el algoritmo finaliza y se establece la corriente I=i0-n. ΔI como la corriente óptima para la 5 cual el sistema es capaz de generar la máxima potencia para ese rango de altura de ola.

•: IP1 = iN-n. ΔI

•: PMAX = Pn

Estas parejas de valores (I P1 y PMAX) quedan almacenados en la unidad de control, para utilizarlos en el posterior análisis de la fase final.

10 A continuación se muestra una tabla como ejemplo de funcionamiento de este algoritmo, donde se observa que l as corrientes óptimas son del 50% , 70% y 80 % de la nom inal del generador (iN), para ol as con a lturas comprendidas en el rango 0.5/1.5m, 1.5/3.0m y 3.0/6.0m respectivamente:

Rango de alturas 0.5m - 1.5m: Rango de alturas 1.5m - 3.0m Rango de alturas 3.0m - 6.0m

Corriente: Potencia Corriente Potencia Corriente Potencia

100%: 50Kw 100% 200Kw 100% 500Kw

90%: 60Kw 90% 250Kw 90% 600Kw

80%: 80Kw 80% 320Kw 80% 700Kw

70%: 120Kw 70% 380Kw 70% 650Kw

60%: 150Kw 60% 360Kw

50%: 180Kw

40%: 170Kw

La referencia es siempre la corriente nominal (Io) del generador (6). Fase final: Cada vez que se detecte una cresta de ola, se calcula la altura de la misma para en función de esa altura,

realizar e l a nálisis de co rrientes por aproximaciones sucesivas durante el d esplazamiento d escendente. E ste

análisis, se tiene que realizar para todos los rangos de alturas de olas establecido, de manera que se obtenga finalmente u na t abla d e equ ivalencia e ntre l a al tura d e l a ol a y co rriente a dem andar al ge nerador par a qu e l a potencia generada sea la máxima que el sistema es capaz de obtener.

Durante este proceso de aproximaciones sucesivas, para cada rango de ola, durante el desplazamiento descendente, se i rá a plicando una co rriente co nstante durante t odo e l m ovimiento a l ge nerador. P or ot ro lado, durante los movimientos ascendentes de la ola, se irá aplicando la corriente óptima correspondiente a ese rango de ola obtenida en la fase inicial (IP1), y se irá midiendo la potencia instantánea que se está generando en el generador. De esta manera, al final de cada movimiento ascendente de la ola, se obtiene para cada rango de alturas de ola, una pareja compuesta por la corriente aplicada al generador durante su movimiento descendente y por la potencia total obtenida por ese generador durante el movimiento ascendente.

Una vez se tiene l a par eja co rriente aplicada dur ante el movimiento d escendente y pot encia gen erada durante el movimiento ascendente para un rango de altura de ola determinada, se compara esta potencia obtenida, con l a que se obt uvo, p ara un m ismo r ango d e ol a, en l a f ase i nicial dur ante el desplazamiento ascendente y aplicando la corriente óptima (PMAX).

Si la potencia obtenida en esta fase final supone un aumento respecto a la obtenida en la fase inicial, se considera la potencia recientemente medida como la máxima (PMAX), y se repite este proceso con la llegada de una nueva ola que esté dentro de este mismo rango de altura, pero aplicando un valor de corriente superior al valor que se aplicó durante el desplazamiento descendente con la última ola que se analizó dentro de este rango. Este proceso se va repitiendo para cada nueva ola dentro del mismo rango hasta que se detecte una disminución en la potencia generada en el m ovimiento asc endente r especto a la m áxima (PMAX). D e esta m anera, se considera l a corriente óptima a aplicar durante el movimiento descendente, aquella que se aplicó para la obtención de la potencia máxima (PMAX) durante el movimiento ascendente.

Si por el contrario, la potencia obtenida en esta fase final supone una disminución respecto a la obtenida en la fase inicial, se da por finalizado el proceso para ese rango de olas, considerando que el sistema tiene que trabajar en vacío (corriente nula) durante los desplazamientos descendentes para la obtención de l a máxima potencia que será capaz de entregar el sistema con cada ola.

Algoritmo p ara el m étodo d e apr oximaciones sucesivas en l a f ase f inal par a u n r ango de al tura de ol a determinado

El aná lisis de aproximaciones sucesivas, s e t iene q ue r ealizar para ca da r ango de a lturas de o la, d e t al manera que el algoritmo que se aplica para una ola con una altura dentro de un rango determinado, no se puede aplicar mas a que a olas que estén dentro de ese rango. Esto significa, que se irán realizando tantos algoritmos en paralelo como rangos de altura en los que se haya discretizado el modelo.

Algoritmo:

n Número de ola dentro del rango que se está analizando.

ΔI Incremento que se aplica a la corriente con cada nueva ola que se analiza

i0 Corriente que se aplica al generador cuando se analiza la primera ola dentro de ese rango. Esta corriente será igual al incremento que se aplica a la corriente (i0 = ΔI).

P0 Potencia total obtenida durante el movimiento ascendente de la primera ola a la que se le aplica una corriente i0 durante el desplazamiento descendente

Pn Potencia total obtenida durante el movimiento ascendente de la ola número n

PMAX Potencia total obtenida durante el movimiento ascendente de la ola en la fase inicial para una corriente aplicada nula para el movimiento descendente e IOPTIMA para el ascendente.

-: Pn= ƒ(n. ΔI)

-: Si Pn > PMAX , se sigue con el algoritmo y se actualiza la potencia máxima (PMAX= Pn )

-: Si Pn < PMAX , el algoritmo finalizay se establece la corriente I=(n-1).ΔIcomo la corriente óptima (Ip2) para la cual el sistema es capaz de generar la máxima potencia para ese rango de altura de ola

A continuación se muestra una tabla como ejemplo de funcionamiento de este algoritmo, donde se observa que para unas corrientes óptimas para el desplazamiento ascendente obtenidas en la fase inicial del 50% y 70% de la nominal del generador (IN), para olas con alturas comprendidas en el rango 0.5/1.5m y 1.5/3.0m respectivamente, se obtienen durante el análisis de la fase final, una corrientes óptimas para el desplazamiento descendente del 10% y el 0% respectivamente.

Rango de alturas: 0.5m - 1.5m: Rango de alturas: 1.5m - 3.0m

IOPTIMA (ascendente): Potencia Corriente (descendente) IOPTIMA (ascendente) Potencia Corriente (descendente)

50%: 180Kw 0% 70% 380Kw 0%

50%: 190Kw 10% 70% 360Kw 10%

50%: 185Kw 20%

10 La referencia es siempre la corriente nominal (Io) del generador (6).

Estos valores óptimos de corriente obtenidos para los desplazamientos ascendentes (Ip1) y descendentes (Ip2), quedan almacenados en la unidad de control, de manera que cuando launidad de control detecta una ola, en función de la altura de ola medida y por lo tanto del rango de alturas dentro de esta tabla, selecciona la corriente óptima a aplicar al generador, durante el movimiento descendente y durante el movimiento ascendente.

15 CONCLUSIÓN:

La adaptación del par de retención o de carga al par de entrada mediante la modificación de la corriente demandada al generador, optimiza el rendimiento al máximo para cualquier altura de ola.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica, caracterizado porque consta de:

a) medios mecánicos para transmitir la energía de las olas a

b) al menos, una boya (12) que dispone,

b1) un eje de entrada (E1) que transmite directa/indirectamente su movimiento a un generador de electricidad (6) de una intensidad nominal de valor Io,

b2) al menos un sensor/captador que muestrea el recorrido de la ola, transmitiendo sus datos a

b3) una unidad inteligente de control (10) que dispone de

b31) un algoritmo de obtención de máximo/cresta de la ola (A) y mínimo/valle de la ola (B) en base a las señales del muestreo del/los sensor/captador/es y de detección si la fase de ola es ascendente o descendente,

b32) un sistema para la obtención de la corriente-intensidad óptima de aplicación al generador de electricidad (6) para lo que

b321) se dividen las olas en rangos de altura (r) de acuerdo con la altura (H) de la ola, y

b322) se aplica a las olas de cada rango de altura (r) un número sucesivo de valores de corriente (Ia) en su fase ascendente y se combina con la aplicación de un valor o un número sucesivo de valores de corriente (Id) en su fase descendente,

b323) se calcula la potencia total (Pna) obtenida en la fase ascendente y la potencia total (Pnd) obtenida en la fase descendente para cada combinación de valores de corriente aplicados (Ia), (Id) y o bteniéndose un va lor máximo d e p otencia t otal ( Pmax) cu ando e n un a m isma ola l a su ma d e ambas potencia totales (Pna + Pnd) es máximo y estableciéndose que las corrientes (Ia), (Id) aplicadas para obtener esa potencia máxima (Pmax), sean la corriente óptima (Ipa) ascendente e (Ipd) la corriente óptima descendente, y

b324) estableciéndose una tabla (Tb) de correspondencias entre el rango de altura (r) de las olas y las corrientes óptimas (Ipd), (Ipa) a aplicar al generador (6), quedando la tabla almacenada en la unidad de control (10),

c) se aplica el conocimiento adquirido a las olas correspondientes de modo que la unidad de control

(10) p ara c ada ol a d etectada, en f unción del r ango de altura ( r) de l a ol a, aplica al generador ( 6) las corrientes óptimas (Ipd), (Ipa) correspondiente de la tabla (Tb), la (Ipd) en la fase descendente y la (Ipa) en la fase ascendente.
2.- Sistema para t ransformar l a energía de l as olas en energía eléctrica, se gún r eivindicación 1 , caracterizado porque en el sistema para la obtención-intensidad óptima de aplicación al generador de electricidad (6) se dispone un primer paso en el que se aplica a las olas de cada rango de altura (r) el número sucesivo de valores de corriente(Io) en su fase ascendente que parten del valor de corriente nominal (Io) del generador (6) decrementándose pr ogresivamente, y c ombinándolo c on u n va lor de co rriente (Id) co nstante en s u f ase descendente, que puede ser de valor nulo: Id = K6, hasta obtener un valor de potencia máxima (Pmax) y determinando que sea el valor correspondiente de corriente aplicada, el valor óptimo de corriente (Ipa) en su fase ascendente.
3.- Sistema para t ransformar l a energía de l as olas en energía eléctrica, se gún r eivindicación 2 , caracterizado porque el sistema consta de un segundo paso en el que en la fase ascendente, el valor de corriente se fija al valor óptimo (Ipa) obtenido del primer paso y se van dando valores de corriente (Ipd) en la fase descendente en relación progresiva hasta que se detecta una disminución en la potencia generada en la suma de los movimientos ascendente y descendente, determinando que el valor óptimo de corriente (Ipd) en su fase descendente, lo que se aplico inmediatamente antes de detectar dicha disminución de potencia generada.
4.- Sistema para t ransformar l a energía de l as olas en energía eléctrica, se gún r eivindicación 2 , caracterizado porque el sistema para la obtención de la corriente-intensidad óptima de aplicación al generador de electricidad (6), consta del siguiente algoritmo:

a) se establece el número (n) de ola dentro del rango que se está analizando,

b) se aplica al generador (6) en el movimiento ascendente, cuando se analiza la primera ola dentro de ese rango, la corriente nominal del generador (Io),

c) se aplica un decremento ΔI a la corriente (I) con cada nueva ola que se analiza,

d) se ca lcula l a pot encia t otal ( Pn) obtenida dur ante el movimiento as cendente de la ol a n úmero n, siendo: Pn= ƒ(i0-n. ΔI),

e) se calcula la potencia total Pn+1 obtenida durante el movimiento ascendente de la ola número n+1, siendo: Pn+1= ƒ(i0-(n+1). ΔI),

f) si Pn+1> Pn , se sigue con el algoritmo; si Pn+1< Pn , el algoritmo finaliza y se establece la corriente i0

n. ΔI como la corriente óptima (Ipa) para la cual el sistema es capaz de generar la máxima potencia para ese rango de altura de ola.
5.- Sistema para t ransformar l a energía de l as olas en energía eléctrica, se gún r eivindicación 1 , caracterizado porque el sistema para calcular la altura (H) de la ola consta de al menos dos captadores (3), (11) que consisten en un sensor de presión (11) colocado en la boya y un encoder situado en el eje de entrada (3) y estableciendo un umbral mínimo de movimiento (ΔMOV) de ola, se aplica el siguiente algoritmo:

a) Obtención de punto máximo (cresta): Se inicia el muestreo de ambos captadores (3), (11) hasta que se cu mpla l a co ndición d e m ovimiento en cu alquiera de el los (|Xi-Xinicial|≥ ΔMOV) y se det ecte una di rección ascendente del movimiento (Xi>Xinicial); se repite este proceso actualizando en cada intervalo de movimiento el valor máximo correspondiente a cada captador (Xmax=Xi) hasta obtener una condición de movimiento pero con cambio de sentido (|Xi-Xinicial|≥ ΔMOV y Xi<Xinicial), estableciéndose como límite máximo para el captador que detectó el cambio de sentido su valor Xinicial y para el otro captador el valor máximo que se ha ido actualizando durante todo elanálisis ascendente (Xmax);

b) Obtención de punto mínimo (valle): Se inicia el muestreo de ambos captadores hasta que se cumpla la c ondición de m ovimiento en c ualquiera de ellos (|Xi-Xinicial|≥ ΔMOV) y se d etecte una d irección de scendente de l movimiento (X i<Xinicial); se r epite est e pr oceso act ualizando e n ca da i ntervalo de m ovimiento el v alor m ínimo correspondiente a cada captador (Xmin=Xi) hasta obtener una condición de movimiento pero con cambio de sentido (|Xi-Xinicial|≥ ΔMOV y Xi>Xinicial), estableciéndose como límite mínimo para el captador que detectó el cambio de sentido su va lor Xinicial y par a el otro ca ptador el va lor m ínimo qu e se ha i do actualizando d urante t odo el a nálisis descendente (Xmin);

c) Obtención de la altura de la ola: Para la obtención de la altura de la ola, se analizan los máximos y mínimos obtenidos por cada captador (3), (11) de manera que la suma de sus desplazamientos máximos dan la altura de la ola (H):

HOLA=|Xmax-Xmin|CAPTADOR (3) + |Xmax-Xmin|CAPTADOR (11).

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

N.º solicitud: 201130983

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 13.06.2011

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : F03B13/18 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría

56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

Y

WO 2007146542 A2 (NOVA OCEANIC ENERGY SYSTEMS IN) 21/12/2007, párrafos 1, 6, 7, 9, 10, 12, 18-21, 24-27, 29, 30, 46, 51, 88, 90-104, 114, 116, 120; figuras 1-28. 1-4

Y

US 2002047273 A1 ( BURNS JOSEPH R ET AL.) 25/04/2002, párrafos 2, 4, 6, 7, 24, 39, 55, 58, 65, 78; reivindicaciones 13, 15; figuras 1, 3, 9. 1-4

A

XP 031274758 A (SZABADOS B; FANGNAN WU) 12/05/2008, páginas 2, 3; punto IV Maximum Power Point Tracking. 1-4

A

WO 2007137426 A1 (SYNCWAVE ENERGY INC ET AL.) 06/12/2007, párrafos 2-4, 6, 18-23, 30, 57, 58; reivindicaciones 5, 24; figuras 1, 7. 1-4

A

US 4599858 A (LA STELLA JOSEPH P ET AL.) 15/07/1986, todo el documento. 1-4

A

JP 32 20416 A ( NEC C ORP) 27/ 09/1991, t odo el documento & J P 3 220416 A (N EC C ORP) (resumen) [en línea] Recuperado de: Resumen de la base de datos EPODOC. 5

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones □ para las reivindicaciones nº:

Fecha de realización del informe 06.11.2012

Examinador G. Barrera Bravo Página 1/5

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201130983

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F03B, G01F Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de

búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, XPIEE, XPIE3

Informe del Estado de la Técnica Página 2/5

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201130983

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 06.11.2012

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 1-5 SI NO

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 5 1-4 SI NO

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

Base de la Opinión.-

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/5

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201130983

1. Documentos considerados.-

A co ntinuación se r elacionan l os documentos pertenecientes al estado de l a t écnica t omados en c onsideración para l a realización de esta opinión.

Documento

Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

D01

WO 2007146542 A2 (NOVA OCEANIC ENERGY SYSTEMS IN) 21.12.2007

D02

US 2002047273 A1 (BURNS JOSEPH R et al.) 25.04.2002

D03

XP 031274758 A (SZABADOS B; FANGNAN WU) 12.05.2008

D04

JP 3220416 A (NEC CORP) 27.09.1991
2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

El obj eto de l a i nvención e s u n s istema p ara t ransformar l a ene rgía de l as ol as e n ene rgía eléctrica, transmitiendo el movimiento de s ubida y bajada de una boya a un generador acoplado a l a misma mediante medios mecánicos. Además, se pretende optimizar el rendimiento del sistema modificando la corriente aplicada al generador, en función de la altura de la ola y de si el movimiento de la boya es de subida o bajada, determinándose dicho valor óptimo de corriente por medio de un algoritmo que trata de maximizar la potencia obtenida por el sistema.

Se c onsidera D 01 el do cumento del estado d e l a t écnica m ás cercano a l a i nvención r eivindicada. E ste documento afecta a la actividad inventiva de las reivindicaciones 1 a 4, tal como se expone a continuación.

Reivindicación independiente 1 El documento D01 divulga (las referencias entre paréntesis corresponden a D01) un sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica (párrafo 1), que consta de:

•

Medios mecánicos (2, 8, 9, 10, 11, 12, 13; párrafos 24-26, 29-30, 90-104, 120; figuras 4-18, 34-36) para transmitir la energía de las olas a una boya (1).

•

Una boya (1; párrafos 1, 24, 88; figuras 1-3, 19-28), que dispone:

•

Un eje de entrada (13; figuras 5, 6) que transmite su movimiento a un generador de electricidad (5).

•

Un sensor que m uestrea el r ecorrido de una ol a, t ransmitiendo sus d atos a un a u nidad inteligente de control (párrafo 114).

•

Una unidad inteligente de control (párrafos 27, 46, 116) que dispone de un sistema adecuado para la obtención de la corriente-intensidad óptima de aplicación al generador de electricidad.

En el documento D01, el sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica considera si el movimiento de la boya es ascendente o descendente (párrafos 24, 25, 90) así como las variaciones en la altura de las olas (párrafos 1, 6, 9, 10, 18-21, 29, 30). Además, para la optimización del sistema, divide las olas en distintos rangos de altura de acuerdo con la altura de la ola (párrafo 51).

El documento D01 no divulga explícitamente las características de la reivindicación 1 a sociadas a l a unidad inteligente d e c ontrol ( un al goritmo de obt ención y de d etección, un a t abla de c orrespondencias q uedando almacenada en la unidad de control y la aplicación del conocimiento adquirido para la optimización del sistema), sin embargo, se consideran características comunes propias de una unidad inteligente de control y por tanto implícitamente divulgadas en el documento D01.

Informe del Estado de la Técnica Página 4/5

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201130983

La diferencia entre lo divulgado en el documento D01 y la reivindicación 1 d e la solicitud, radica en la distinta manera de optimizar el rendimiento del sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica.

En la reivindicación 1 de la solicitud se propone optimizar el rendimiento del sistema haciendo variar, en función de la altura de la ola y de si el movimiento de la boya es de subida o bajada, la corriente de aplicación al generador de electricidad. Sin embargo, el documento D01 trata de optimizar el rendimiento mediante la gestión de un sistema m ecánico c ompuesto por un eje pr incipal, u n c onjunto d e pi ñones y r uedas l ibres y l os correspondientes medios de acoplamiento.

La optimización de un s istema para transformar la energía de las olas en en ergía eléctrica haciendo variar la corriente de aplicación al generador de electricidad, sin embargo, ya es conocida en el estado de la técnica. El documento D02, divulga un sistema para transformar la energía de las olas en energía eléctrica (párrafos 2, 4), que dispone de una unidad inteligente de control (54) para optimizar el rendimiento del sistema haciendo variar la carga aplicada al generador de electricidad (párrafos 6, 7, 24, 39; reivindicaciones 13, 15). De este modo, resultaría obvio para un experto en la materia combinar las características del documento D02 con lo divulgado en el documento D01.

El m étodo i terativo ut ilizado en el s istema de obtención de l a corriente-intensidad ó ptima de a plicación al generador de electricidad es ampliamente conocido en el estado de l a técnica (ver por ejemplo el documento D03).

De este modo, se puede concluir que la reivindicación 1 no cumple con el requisito de actividad inventiva (art. 8.1 LP11/1986).

Reivindicaciones dependientes 2, 3 y 4 Las reivindicaciones de pendientes 2, 3 y 4, r elativas al s istema pa ra l a ob tención de l a c orriente-intensidad óptima de a plicación al generador de el ectricidad, s e considera q ue n o aportan c aracterísticas t écnicas adicionales o alternativas que impliquen actividad inventiva, ya que pretenden dividir dicho sistema de obtención de los valores óptimos en dos fases, ascendente y descendente, lo que resultaría evidente para un experto en la materia, a la vista del sistema propuesto en el documento D01, que pretende aprovechar la energía generada tanto en la fase de subida como en la fase de bajada de la boya.

De este modo, se puede concluir que las reivindicaciones 2, 3 y 4, tampoco cumplen con el requisito de actividad inventiva (art. 8.1 LP11/1986).

Reivindicación dependiente 5 Ni el documento D01 ni el D02 anticipan el sistema empleado en la reivindicación dependiente 5 para calcular los puntos máximo y mínimo de la ola.

El do cumento D 04 di vulga u n sistema a decuado p ara c alcular l a al tura de l a ola que consta de v arios captadores, entre ellos un sensor de presión colocado en una boya de medida y un sensor para medir la altura de la ola. Siendo este documento un reflejo del estado de la técnica.

Se considera que la reivindicación 5 cumpliría con los requisitos de novedad y actividad inventiva (art. 6.1 y 8.1 LP11/1986).

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