ES2576002T3 - Sistemas de distribución y transmisión de energía para un sistema de generación de energía por corrientes de agua - Google Patents

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Abstract

Una instalación de consolidación para consolidar la energía generada por una pluralidad de sistemas (101, 201, 401, 801) de generación de energía por corrientes de agua, comprendiendo cada uno de dichos sistemas (101, 201, 401, 801) de generación de energía: - una o más cámaras (102, 402, 403) de flotación sumergidas; - una o más unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generación de energía de tipo inducción sumergidas dispuestas en comunicación con dichas cámaras de flotación (102, 402, 403); - una o más hélices (105, 206, 407, 501) dispuestas en comunicación con dichas unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generación de energía de tipo inducción; - un sistema de amarre (106; 408, 409, 410, 411) para amarrar dicha pluralidad de sistemas (101, 201, 401, 801) de generación de energía por corrientes de agua; y - un medio de salida de la energía generada; comprendiendo dicha instalación de consolidación: - una subestación de control para recibir energía generada por dichos sistemas (101, 201, 401, 801) de generación de energía y transferida a dicha subestación de control mediante dicho medio de salida de energía generada, estando dicha subestación de control instalada en una plataforma Spar; - bien estando dicha plataforma Spar flotando sobre la superficie del océano cerca de los sistemas (101, 201, 401, 801) de generación de energía por corrientes de agua sumergidos, o bien - estando dicha plataforma Spar sumergida; y en la que - dicha plataforma Spar está amarrada permanentemente al lecho oceánico.

Description

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DESCRIPCION
Sistemas de distribucion y transmision de ene^a para un sistema de generacion de ene^a por corrientes de agua Campo de la invencion
La presente invencion se refiere, en general, a sistemas de generacion de energfa renovable y, en una realizacion particular aunque no limitante, a subsistemas para un sistema sumergido o a flote para generar energfa derivada de corrientes de agua de movimiento rapido usando un sistema generador de tipo induccion equipado con una o mas helices de anillos y aletas.
Ademas de las realizaciones ilustrativas presentadas en esta divulgacion, muchos de los sistemas y subsistemas descritos y reivindicados en el presente documento son adecuados individualmente para sistemas que usan sistemas impulsores de generador convencionales y otros medios de creacion de energfa.
Tambien se desvelan medios para la transmision de la energfa generada por dichos sistemas a redes electricas vecinas, sistemas de amarre, y procedimientos y medios para instalar y mantener componentes de dichos sistemas.
El documento US2011/0256784 desvela la tecnica anterior mas cercana.
Antecedentes de la invencion
Con el aumento de los precios de los combustibles fosiles y la creciente demanda de energfa en las econoirnas y las industrias del mundo, se buscan constantemente procedimientos diferentes y mas eficientes de desarrollar fuentes de energfa. Son de particular interes las fuentes de energfa alternativa renovable, tales como dispositivos de energfa solar con batenas, los parques eolicos, la generacion de energfa mareomotriz, los generadores de olas y los sistemas que obtienen energfa de hidrogeno secuestrado.
Sin embargo, dichas fuentes de energfa no son aun capaces de suministrar energfa continua a un area extensa a escala comercial. Ademas, algunas tecnologfas propuestas, como los sistemas alimentados por hidrogeno que implican el refinamiento de agua de mar, realmente consumen mas energfa en el proceso de conversion de la que se obtiene al final del sistema.
Otras, tales como el hidrogeno derivado de metano, producen cantidades iguales o mayores de emisiones de combustibles fosiles que las tecnologfas convencionales basadas en el petroleo que pretenden reemplazar, y otras mas, como los sistemas basados en generadores eolicos, solares y batenas, requieren tal exposicion uniforme a luz solar o vientos significativos que su eficacia comercial esta intrrnsecamente limitada.
Un sistema de energfa alternativa propuesto implica el aprovechamiento de energfa hudrica derivada de corrientes de agua de movimiento rapido, por ejemplo, corrientes con unas velocidades de flujo maximas de 2 m/s o mas.
En la practica, sin embargo, los dispositivos de generacion de energfa submarina existentes han demostrado ser inadecuados, incluso cuando se instalan en sitios donde las velocidades de corriente son constantemente muy rapidas. Esto es debido, al menos en parte, tanto a una falta de medios eficientes para generar la energfa como a una falta de sistemas de transformacion de energfa necesarios para compensar incompatibilidades entre los sistemas de generacion de energfa submarina y estaciones transformadoras de energfa, mantimas o en tierra auxiliares.
Los disenos de helice y los mecanismos de generacion de energfa mantimos existentes tambien han demostrado ser inadecuados, al no proporcionar ni la generacion de energfa adecuada ni la estabilidad suficiente contra las corrientes de maxima velocidad.
Para capturar una cantidad de energfa cinetica significativa a partir del flujo de las corrientes oceanicas, la zona afectada debe ser amplia. Como resultado, los disenos de helice existentes emplean estructuras prohibitivamente grandes, pesadas y caras fabricadas a partir de tecnologfas de metal pesado y metal compuesto conocidas actualmente. Ademas, estas helices marinas crean problemas de cavitacion que se originan desde las puntas de las palas de la helice que se mueven a traves del agua circundante.
Otro problema significativo son las cuestiones ambientales asociadas con la obtencion de energfa a partir de las corrientes de agua sin danar la vida acuatica circundante, tal como los arrecifes, la flora marina, bancos de peces, etc.
Existe, por lo tanto, una necesidad importante y aun insatisfecha de un sistema de generacion de energfa por corrientes de agua y susbsistemas auxiliares que superen los problemas que existen actualmente en la tecnica, y que generen y transfieran de forma compatible una cantidad significativa de energfa a una estacion amplificadora de manera segura, fiable y respetuosa con el medio ambiente. Las configuraciones seguras y eficientes sobre el terreno, sistemas de amarre fiables y repetibles, y procedimientos y medios para instalar y mantener dichos sistemas tambien se requieren.
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Sumario de la invencion
Las necesidades mencionadas anteriormente se satisfacen mediante una instalacion de consolidacion para consolidar la energfa generada por una pluralidad de sistemas de generacion de energfa por corrientes de agua de acuerdo con la reivindicacion 1.
Se proporciona una instalacion de consolidacion para consolidar la energfa generada por una pluralidad de sistemas de generacion de energfa por corrientes de agua, en la que cada uno de los sistemas de generacion de energfa incluye al menos una o mas camaras de flotacion sumergidas. Una o mas de las camaras de flotacion sumergidas incluye, ademas, al menos una o mas camaras de aislamiento de fluido flotante, y una o mas de las camaras de aislamiento incluye, ademas, un fluido flotante dispuesto en su interior, una valvula de admision de fluido flotante, una valvula de salida de fluido flotante, y un medio de control de la fuente de fluido flotante.
Las unidades de generacion de energfa tambien incluyen una o mas unidades de generacion de energfa de tipo induccion, sumergidas, dispuestas en comunicacion con las camaras de flotacion; una o mas helices dispuestas en comunicacion con las unidades generadoras de energfa; un sistema de amarre; y un medio de salida de la energfa generada.
La instalacion de consolidacion incluye, ademas, medios para recibir energfa generada por dichos sistemas de generacion de energfa, transferir o exportar energfa mediante los medios de salida, y suministrar energfa consolidada a una red electrica cercana, directamente o despues de transferencia a un dispositivo de transformacion de energfa intermedio.
En la presente invencion, una plataforma SPAR flotante o sumergida (una plataforma estable con un gran calado u otro casco adecuado) se usa como instalacion de consolidacion.
La instalacion de consolidacion esta amarrada de forma optima de una manera segura, por ejemplo, usando una cuerda de polipropileno, que puede estar formada a partir de una parte enrollada en una unica direccion; dos o mas partes estratificadas enrolladas en direcciones alternas; combinada o sustituida por cableado metalico; y/o enrollada alrededor de la lmea de salida de energfa consolidada.
Los receptaculos y helices de generacion de energfa pueden instalarse y mantenerse haciendoles girar en una posicion horizontal. Mientras sigue en el agua, un cabezal conico central flotante da a las helices flotacion adecuada para alcanzar la superficie y maxima estabilidad frente al viento, la corriente u otras condiciones meteorologicas una vez a nivel de la superficie. De esta manera, la instalacion y el mantenimiento de las unidades se consiguen de forma segura y eficiente.
Breve descripcion de los dibujos
Las realizaciones desveladas en el presente documento se entenderan mejor, y numerosos objetivos, caractensticas y ventajas se haran evidentes para los expertos en la materia haciendo referencia a los dibujos adjuntos.
La figura 1 es una vista lateral de un sistema de generacion de energfa por corrientes de agua de acuerdo con una realizacion ejemplar de la invencion.
La figura 2 es una vista frontal de un sistema de generacion de energfa por corrientes de agua de acuerdo con una segunda realizacion ejemplar de la invencion.
La figura 3 es una vista en planta de un tubo de lastre que tiene una pluralidad de camaras de aislamiento de tipo laberinto de acuerdo con una tercera realizacion de la invencion.
La figura 4A es una vista superior de un sistema de generacion de energfa por corrientes de agua de acuerdo con una cuarta realizacion ejemplar de la invencion.
La figura 4B es una vista superior de la realizacion ejemplar representada en la figura 4A, que incluye ademas un sistema de anclaje de atadura asociado.
La figura 5 es una vista frontal de una realizacion de sistema de helice ejemplar adecuada para su uso en relacion con un sistema de generacion de energfa sumergido o a flote.
La figura 6 es una vista en perspectiva de la realizacion de sistema de helice ejemplar representada en la figura 5, con una parte detallada del sistema aislada para perspectiva adicional.
La figura 7 es una vista aislada de una parte de la realizacion de sistema de helice ejemplar representada en las figuras 5 y 6.
La figura 8 es una vista lateral de un sistema de generacion de energfa por corrientes de agua ejemplar que comprende ademas una agrupacion de helices montadas en direccion de arrastre.
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La figura 9 es una vista posterior del sistema de generacion de ene^a por corrientes de agua ejemplar representado en la figura 8, en el que un numero par de helices facilitan compensar las fuerzas rotacionales en una serie montada en direccion de arrastre.
La figura 10 es una vista esquematica de una granja de generacion de energfa por corrientes de agua ejemplar que comprende una pluralidad de sistemas de generacion de energfa conectados.
La figura 11 es una vista esquematica de un sistema de generacion de energfa directo amarrado permanentemente en el que no hay patines de flotacion soportando una plataforma SPAR.
La figura 12
es una vista lateral de un sistema de generacion de energfa de diseno basculante de cuatro unidades.
La figura 13 es una vista superior de la figura 12, que comprende de nuevo un sistema de generacion de energfa y de helice de diseno basculante de cuatro unidades.
La figura 14 es una vista frontal de un sistema de generacion de energfa y de helice de diseno basculante de cuatro unidades.
La figura 15 es un sistema de generacion de energfa y de helice de diseno basculante de cuatro unidades, que muestra los receptaculos generadores y helices asociadas en una posicion invertida adecuada para instalacion y mantenimiento.
Descripcion detallada de varias realizaciones ejemplares
La siguiente descripcion incluye una serie de disenos de sistema y procedimientos de uso ejemplares que materializan ventajas del objeto de la presente invencion. Sin embargo, los expertos en la materia entenderan que las realizaciones desveladas admitiran la practica sin algunos de los detalles espedficos enumerados en el presente documento. En otros casos, no se han descrito o mostrado en detalle los equipos, protocolos, estructuras y tecnicas de generacion de energfa submarinos bien conocidos a fin de evitar la ofuscacion de la invencion.
La figura 1 representa una primera realizacion ejemplar de un sistema 101 de generacion de energfa por corrientes de agua. En su forma mas sencilla, el sistema comprende uno o mas de un tubo de flotacion 102, un tubo de lastre 103, y una unidad 104 de generacion de energfa de tipo induccion equipada con una helice 105 impulsada por arbol.
Aunque la figura 1 representa solamente un unico tubo de flotacion 102, unidad de lastre 103 y componente generador 104, tambien se contemplan sistemas mas grandes que comprendan una pluralidad de cualquiera o todas de dichas estructuras. En cualquier caso, los expertos en la materia apreciaran facilmente que la presente invencion de un sistema limitado con elementos singulares es meramente ilustrativa, y no pretende limitar el alcance del objeto con respecto a miembros plurales de cualquiera de los elementos desvelados en el presente documento.
En una realizacion ejemplar, una unidad 104 de generacion de energfa (por ejemplo, una unidad de generacion de energfa de tipo induccion) produce energfa electrica que puede enviarse con o sin transformacion como una corriente alterna (CA) o una corriente continua (CC) a una estacion amplificadora asociada u otro medio para facilitar la transferencia de energfa desde mar adentro a una red electrica cercana o similar.
Generalmente, los generadores de tipo induccion asmcronos son mecanica y electricamente mas sencillos que otros tipos de generadores de energfa electrica smcronos o generadores de corriente continua (CC). Un motor de induccion se convierte en un generador de energfa de salida cuando la energfa para el campo magnetico procede del estator o cuando el rotor tiene imanes permanentes que crean un campo magnetico impartiendo de este modo deslizamiento negativo. Tambien tienden a ser mas robustos y duraderos, sin requerir habitualmente cepillos ni conmutadores. En la mayona de los casos, se usa un motor asmcrono de CA regular como generador, sin modificacion interna alguna.
En el funcionamiento normal del motor, la rotacion de flujo del estator del motor es fijada por la frecuencia de energfa (normalmente de aproximadamente 50 o 60 Hercios) y es mas rapida que la rotacion del rotor. Esto hace que el flujo del estator induzca corrientes del rotor, lo que, a su vez, crea un flujo del rotor que tiene una polaridad magnetica opuesta al estator. De esta manera, el rotor es arrastrado detras del flujo del estator de valor igual al deslizamiento.
Una maquina de induccion asmcrona trifasica (por ejemplo, bobinado de jaula) funcionara, cuando se le haga funcionar mas lenta que su velocidad smcrona, como un motor; el mismo dispositivo, sin embargo, cuando se le haga funcionar mas rapido que su velocidad smcrona, funcionara como generador de induccion.
En el funcionamiento del generador, un accionador principal de alguna clase (por ejemplo., una turbina, motor, arbol accionador de helice, etc.) impulsa el rotor por encima de velocidad smcrona. El flujo del estator sigue induciendo corrientes en el rotor, pero dado que el flujo del rotor opuesto esta cortando ahora las bobinas del estator, se produce corriente activa en las bobinas del estator, y de este modo el motor esta funcionando ahora como un generador capaz de enviar energfa de vuelta hacia una red electrica cercana.
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Por lo tanto, pueden usarse generadores de induccion para producir ene^a electrica alterna cuando se hace girar a un arbol interno mas rapidamente que la frecuencia smcrona. En diversas realizaciones de la presente invencion, la rotacion del arbol se consigue por medio de una helice asociada 105 dispuesta en una corriente de agua de movimiento relativamente rapido, aunque otros procedimientos y medios de rotacion del arbol tambien podnan concebirse y aplicarse para un efecto similar.
Dado que no tienen imanes permanentes en el rotor, una limitacion de los generadores de induccion es que no se autoexcitan; por consiguiente, requieren una fuente de alimentacion externa (como podna obtenerse facilmente a partir de la red usando un cordon umbilical a traves del agua o por debajo de un lecho marino asociado), o mediante “arranque suave” por medio de un arrancador de tension reducida a fin de producir un flujo magnetico de rotacion inicial.
Los arrancadores de tension reducida pueden otorgar ventajas importantes al sistema, tales como determinar rapidamente las frecuencias operativas apropiadas, y permitir un rearranque no alimentado en el caso de que la red electrica auxiliar se desactive por algun motivo, por ejemplo, como resultado de danos causados por un huracan u otro desastre natural.
La energfa derivada del sistema se usara, al menos en algunos casos, probablemente para suplementar un sistema de red electrica cercana, y por lo tanto las frecuencias operativas de la red dictaran, en gran parte, la frecuencia de funcionamiento para el sistema de generacion de energfa, Por ejemplo, la amplia mayona de sistemas de red electrica grande emplean actualmente una frecuencia operativa nominal de entre 50 y 60 Hercios.
Otra consideracion importante para los sistemas de generacion de energfa mantimos grandes es el establecimiento de un equilibrio de flotacion bien equilibrado que permita una posicion dinamica continua independientemente de las velocidades de las corrientes circundantes.
Incluso suponiendo que las velocidades de las corrientes circundantes permanezcan dentro de un intervalo predeterminado de velocidades operativas aceptables, el equilibrio del sistema aun podna ser puesto en peligro por un huracan especialmente potente o similar, pero la disposicion del sistema muy por debajo de la lmea de una fuerza de onda tfpica, es decir, de aproximadamente 30-45 metros de profundidad mas o menos, reducira en gran medida esas perturbaciones. Las diversas fuerzas de compensacion de las kilolibras gravitacionales, kilolibras de flotacion, kilolibras de arrastre y kilolibras de sujecion tambien contribuiran a la estabilidad global de un sistema de generacion de energfa por corrientes de agua continuas.
El tubo de flotacion 102 ilustrado en la Figura 1 comprende una parte de cuerpo cilmdrica dispuesta en comunicacion mecanica con al menos una unidad de casquete terminal 104 que aloja los generadores de induccion mencionados anteriormente. Los generadores y las carcasas de casquete terminal asociadas contienen un arbol accionadory, en algunas realizaciones, un engranaje planetario relacionado para la helice 105.
En algunas realizaciones, el tubo de flotacion 102 comprende una forma cubica o hexagonal, aunque la practica efectiva de la invencion admitira tambien otras geometnas. En una realizacion preferida actualmente, el tubo de flotacion 102 es aproximadamente cilmdrico, y presurizado con gas (por ejemplo, aire u otro gas flotante seguro) de modo que, cuando el sistema esta retenido por una atadura anclada 106, las fuerzas combinadas constituiran la principal fuerza de elevacion para el sistema de generacion de energfa por corrientes oceanicas.
Por consiguiente, el sistema puede elevarse a la superficie para su mantenimiento o inspeccion apagando los generadores, reduciendo de este modo el arrastre en el sistema, lo que permite que el sistema se eleve algo hacia la superficie. Abriendo el uno o varios tubos de flotacion y/o evacuando fluido del uno o varios tubos de lastre, la unidad puede sacarse a flote de manera segura y fiable a la superficie para que pueda llevarse a cabo su mantenimiento o inspeccion.
De acuerdo con un procedimiento de movimiento del sistema, la atadura 106 tambien puede liberarse, de modo que la estructura flotante pueda remolcarse o propulsarse de otro modo hacia tierra u otro sitio operativo.
La realizacion ejemplar representada en la figura 2 es una vista frontal del sistema de generacion de energfa 201, equipado con una pluralidad de helices 206 de movimiento lento relativamente grandes dispuestas en comunicacion mecanica con los miembros de arbol de las unidades 204 y 205 generadoras de induccion. Tal como se ve con mas detalle en la figura 4A, las unidades de generador estan dispuestas dentro de unidades de casquete terminal alojadas dentro de los tubos de flotacion 102, asf como a lo largo de una parte del cuerpo de tipo celosfa del sistema dispuesta entre los tubos de flotacion.
Volviendo ahora a la figura 3, se proporciona una vista detallada del interior de los tubos de lastre previamente representados como el artfculo 103 en la figura 1, en la que una pluralidad de camaras de aislamiento de tipo laberinto se unen de tal modo que puedan usarse la separacion y la mezcla de diversos gases y lfquidos para permitir un control mucho mas preciso del equilibrio y de las fuerzas de flotacion presentes en el sistema del que puede obtenerse por medio de los tubos de flotacion 102 en solitario.
Tal como se ve en la realizacion ilustrada, un sistema 301 de lastre interior formado dentro de un tubo de lastre
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comprende una fuente 302 de control de aire dispuesta en comunicacion fluida con una valvula antirretorno de sobrepresion y una primera camara de aislamiento 303.
La primera camara de aislamiento 303 contiene tanto un gas seco (por ejemplo, aire que tiene una presion igual a la presion del agua exterior circundante) presente en una parte superior de la camara, como un fluido (por ejemplo, agua de mar arrastrada hacia dentro desde el exterior de la camara de aislamiento) presente en una parte inferior de la camara.
La primera camara de aislamiento 303 tambien comprende una lmea 305 de alimentacion de aire secundaria para distribuir aire a otros compartimentos llenos de gas de la estructura, asf como lmeas para mezclas de gas y fluido de la primera camara de aislamiento 303 a la segunda camara de aislamiento 304. A su vez, la segunda camara de aislamiento 304 comprende una parte superior que contiene aire y una parte inferior que contiene agua o similar, separadas por un cilindro de aislamiento. En otras realizaciones, el cilindro de aislamiento contiene agua de mar en la que flota un fluido de barrera para garantizar un mejor aislamiento entre el aire y el agua de mar.
En realizaciones adicionales, cualquiera (o ambas) de las primera o segunda camaras de aislamiento 303, 304 esta equipada con instrumental (por ejemplo, sensores de presion o sensores de presion diferencial) para determinar si hay fluido o aire en una cavidad particular del sistema. En otras realizaciones adicionales, dichos sensores se introducen en un sistema de control logico (no mostrado) usado para ayudar a la deteccion y el control de las mediciones relacionadas con el equilibrio y el empuje.
El proceso de hacer avanzar aire a traves del sistema en las partes superiores de los tanques al tiempo que se garantiza que el agua u otros lfquidos permanecen en las partes inferiores se continua hasta obtener las caractensticas de equilibrio y de control deseadas. Finalmente, se proporciona una camara 306 de aislamiento final, que, en la realizacion representada, comprende una valvula 309 de salida de aire usada para permitir que el aire salga del sistema y, en algunas circunstancias, que el agua entre en el sistema.
Se proporciona una valvula 307 de alivio de presion en el caso de que las presiones internas se vuelvan tan grandes que se requiera una descarga de la presion para mantener la integridad del sistema de control, y una valvula 308 de flujo de agua abierta, equipada con una pantalla para evitar la entrada accidental de criaturas marinas se dispone en una parte inferior del tanque de aislamiento 306.
De nuevo, pueden usarse fluidos de barrera y similares para reducir la interaccion entre el aire y el agua, y cuando el sistema esta equipado con un flotador de control que flota sobre el agua del mar, el fluido de barrera puede retenerse incluso despues de haberse expulsado toda el agua de mar. Ademas, puede conseguirse una mayor estabilidad en los tanques usando una serie de deflectores para garantizar que el agua atrapada en los tanques no se mueve rapidamente dentro de las camaras, lo que tendena, en caso contrario, a alterar el equilibrio y el control. Ademas, se emplearan multiples tanques y seccionalizacion para abordar una posible inclinacion de la unidad, de modo que el agua y el gas son desviados apropiadamente para impedir una inclinacion excesiva.
La figura 4A presenta una vista superior de una realizacion del sistema 401 que, en este caso, comprende un primer tubo de flotacion 402 y un segundo tubo de flotacion 403; una parte 404 de cuerpo de tipo celosfa, de conexion dispuesta entre ellos; una pluralidad de generadores de induccion 405, 406 estrategicamente situados alrededor de los tubos de flotacion y las partes del cuerpo; una pluralidad de helices 407 dispuestas en comunicacion mecanica con los generadores; y una pluralidad de miembros de atadura 408, 409 dispuestos en comunicacion mecanica con los tubos de flotacion 402, 403.
En la realizacion ejemplar representada en la figura 4B, miembros de atadura 408 y 409 esta unidos para formar una unica atadura de anclaje 410 que esta fijado de manera conocida al miembro de anclaje 411.
En diversas realizaciones, la atadura de anclaje 410 comprende ademas medios para retener y liberar de forma variable el sistema. En diversas realizaciones mas, la atadura de anclaje 410 termina en un miembro de anclaje 411 equipado con un dispositivo de terminacion de atadura (no mostrado). El miembro de anclaje 411 comprende cualquier tipo de ancla conocido (por ejemplo, un ancla de peso muerto, ancla de succion, etc.) adecuado para mantener una posicion fija en corrientes de movimiento rapido, que suelen encontrarse en ubicaciones con lechos marinos rocosos debido a la erosion del lecho causada por el rapido movimiento de las corrientes.
En otras realizaciones mas, esta parte de la estacion puede fijarse sujetando la atadura de anclaje 410 a una embarcacion de superficie u otro dispositivo de generacion de energfa por corrientes oceanicas, o a otra ubicacion de amarre central como una boya flotante de posicionamiento dinamico.
Volviendo ahora a realizaciones de sistema de helice ejemplares descritas solamente de forma muy general anteriormente, Las figuras 5 - 7 representan varias realizaciones ejemplares espedficas aunque no limitantes de un sistema de helice adecuado para su uso con el sistema de generacion de energfa por corrientes de agua desvelado en el presente documento.
Los expertos en la materia tambien apreciaran, sin embargo, que aunque los sistemas de helice ejemplares desvelados en el presente documento se describen con referencia a un sistema de generacion de energfa por
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corrientes de agua impulsado por un generador de energfa de tipo induccion, los sistemas de helice ejemplares tambien pueden usarse en relacion con otros tipos de sistemas de generacion de energfa sumergidos o a flote para conseguir muchas de las mismas ventajas ensenadas en el presente documento.
La figura 5, por ejemplo, es una vista frontal de una realizacion de sistema de helice ejemplar adecuada para su uso en relacion con un sistema de generacion de energfa sumergido o a flote.
Tal como se representa, la helice 501 comprende una pluralidad de conjuntos de aletas alternas y anillos que las encierran, que se denominaran en lo sucesivo como una configuracion de “anillos y aletas”. Dichas helices de anillos y aletas estanan disenadas normalmente para la especificacion para cada aplicacion particular, y se conseguira una eficiencia mejorada disenando a medida el diametro, la circunferencia, la curvatura y la excentricidad de disposicion de la aleta, selecciones de material, etc., basandose en las frecuencias operativas requeridas por los generadores de induccion, la velocidad de la corrientes de agua circundantes, consideraciones medioambientales (por ejemplo, si las helices deben tener aberturas o vados a traves de los cuales puedan pasar peces u otra vida acuatica), etc.
Analogamente, puede hacerse girar a conjuntos de helices cercanos en direcciones opuestas (por ejemplo, en sentido o en sentido contrario a las agujas del reloj, tal como se ilustra de forma representativa en la figura 2) a fin de crear remolinos o zonas muertas delante de las helices, que pueden repeler o proteger de otro modo la vida marina, mejorar la eficiencia de rotacion de la helice, etc.
Cuando se usa en relacion con un sistema de generacion de energfa por corrientes de agua impulsado por un generador de energfa de tipo induccion, el unico requisito operativo firme para las helices es que sean capaces de hacer girar arboles del generador asociados a las velocidades requeridas para obtener frecuencias operativas del generador.
Sin embargo, es altamente deseable que el sistema como un todo permanezca pasivo con respecto a la interaccion con la vida marina local, y se consiguen resultados de rendimiento optimos cuando el sistema genera la energfa de salida requerida mientras sigue manteniendo un entorno operativo neutro desde el punto de vista medioambiental.
Comenzando en el centro del dispositivo, se ve que la helice 501 esta dispuesta alrededor de una parte 502 de cubo o arbol que tanto sujeta la helice 501 firmemente (por ejemplo, por medio de fijacion mecanica, tal como fijadores resistentes a la corrosion encapsulados, soldando un cuerpo de helice o multiples piezas de un cuerpo de helice a un arbol en un unico todo unitario, etc.) e imparte un par rotacional proporcional al impulso angular de la helice giratoria sobre el arbol para suministro al generador de potencia.
En algunas realizaciones, la parte 502 de cubo o arbol comprende, ademas, un medio de flotacion para mejorar la conexion mecanica de la helice de anillos y aletas al arbol, y para impedir que la inclinacion hacia delante de la helice que, en caso contrario, tendena a deformar o tensionar el arbol. Como los medios de fijacion, arboles accionadores apropiados para esta tarea existen actualmente en la tecnica registrada, y pueden comprender, por ejemplo, una serie de engranajes y/o embragues, sistemas de frenado, etc., como se requerina para comunicar de forma efectiva el par rotacional de la helice al arbol del generador.
En una realizacion espedfica, un fijador de retencion tal como un conjunto de perno y arandela o similar se retira del extremo de un arbol accionador, la estructura de helice de anillos y aletas se desliza sobre el arbol expuesto, y a continuacion el fijador se vuelve a colocar, fijando de este modo mecanicamente la estructura de anillos y aletas al arbol. Optimamente, el fijador estana cubierto entonces por una tapa hermetica al agua flotante o similar, tal como se ilustra de forma representativa en la figura 6, artfculo 601.
En otras realizaciones, un cubo central comprende el punto de conexion de comunicacion mecanica con un gran arbol, que puede instalarse o retirarse y sustituirse como una unica estructura, de modo que la helice pueda revisarse y mantenerse facilmente mientras esta en el agua.
En otras realizaciones, el sistema comprende, ademas, un medio de flotacion a fin de resistir la carga inclinada hacia delante del conjunto de arbol y helice. Por ejemplo, espuma lfquida u otros productos qrnmicos fluidos ligeros, o incluso aire comprimido, puede cargarse en un cabezal conico que encaja sobre el extremo de un cubo de helice, de modo que la helice sea libre de girar alrededor de un arbol accionador detras del cabezal conico flotante, elevando de este modo el peso del conjunto de modo que se eviten cargas inclinadas hacia delante pesadas.
Analogamente, las helices (especialmente las helices frontales en un sistema sumergido, que absorben la mayona de la fuerza de la corriente de agua) pueden estar montadas en direccion de arrastre para superar la resistencia atribuible a la presion acumulativa del fluido contra la estructura de anillos y aletas.
Independientemente de como esta fijada la helice al arbol y si esta montada en direccion de arrastre y/o soportada por un miembro de flotacion, la realizacion ejemplar del diseno de anillos y aletas representado en el presente documento es generalmente similar en una multitud de otras realizaciones relacionadas adecuadas para la practica dentro del sistema.
Por ejemplo, en la realizacion representada en la figura 5, el conjunto 502 de fijacion del cubo esta rodeada
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concentricamente por un primer miembro de anillo 503, mas alia del cual (es dedr, adicionalmente fuera del conjunto de cubo) hay un segundo miembro de anillo 506. Dispuesto entre el primer miembro de anillo 503 y el segundo miembro de anillo 506 hay una pluralidad de miembros de aleta 504, cada uno de los cuales esta separado por un hueco 505.
El espacio hueco entre miembros de aleta 504 variara por aplicacion, pero por norma general los huecos entre aletas aumentaran de tamano desde el anillo mas interno (en el que los huecos son normalmente los mas pequenos) hasta los anillos mas externos (donde el espacio hueco es el mas grande).
Otras configuraciones admiten huecos de tamanos similares, o incluso huecos mas grandes en anillos internos que en anillos externos, pero una ventaja de una superficie de anillo interno en su mayona maciza, en la que la mayona de la totalidad del posible area superficial del anillo es utilizada por aletas en lugar de huecos, es que la estructura tendera a empujar la presion de fluido lejos de centro de la estructura hacia los anillos mas externos y mas alla del penmetro del dispositivo.
Este enfoque ayuda a la helice a girar mas facilmente, y aborda mas que suficientemente las cuestiones medioambientales empujando a la vida marina de pequeno tamano y similar hacia el exterior del sistema, de modo que puedan evitar la estructura de la helice completamente, o tambien pasar a traves de uno de los huecos mas grandes de movimiento lento en los anillos externos.
Dado que la resistencia contra la estructura se reduce y un par rotacional mas grande es transmitido a los arboles accionadores con arrastre y perdida, tambien se puede hacer girar a la helice muy lentamente (en una realizacion ejemplar que genera resultados sobre el terreno satisfactorios, la helice gira a una velocidad de solamente 8 rpm), garantizando ademas que la vida marina sera capaz de evitar la estructura y mejorando la neutralidad de la seguridad medioambiental. Las lentas velocidades rotacionales tambien hacen al sistema mas robusto, duradero y menos probable que sufra danos si entra en contacto con desechos o un objeto sumergido que flote en las inmediaciones.
Anillos concentricos sucesivos de aletas 507 y huecos 508 dispuestos dentro de anillos 509 aproximadamente circulares adicionales se anaden a continuacion a la estructura, creando de este modo anillos concentricos adicionales de aletas y huecos 510-512 hasta que se ha alcanzado la circunferencia deseada. En una realizacion preferida actualmente, los espacios huecos 514 del anillo mas externo son los espacios huecos mas grandes en el sistema, y separan las aletas 513 en la medida mas grande del sistema.
Un miembro 515 de anillo final encierra a la periferia externa del sistema de helice, proporcionando de nuevo proteccion medioambiental adicional, dado que la vida marina que golpee involuntariamente el anillo externo 515 encontrara solamente un golpe de refilon contra una estructura de movimiento lento, mientras que las presiones del agua y el fluido son empujadas lejos del dispositivo cuanto sea posible.
Tal como se ve en la seccion encuadrada 603 de la figura 6 (que representa, en general, la realizacion ejemplar de la figura 5, aunque con la parte de fijacion al cubo cubierta por un casquete resistente al agua 601 o similar), el paso de las aletas 602 medido con respecto al plano del conjunto de anillos y aletas puede alterarse.
Por ejemplo, las aletas pueden disponerse con mayor excentricidad a medida que su posicion dentro del conjunto se hace avanzar desde el primer anillo que rodea el cubo central hacia los anillos mas externos. Disponer las aletas 602 en un paso mas plano dentro de los anillos interiores y mas excentricamente (es decir, en un plano mas perpendicular al plano del conjunto) en los anillos externos tendera a aplanar y suavizar el flujo de agua alrededor de la helice, consiguiendo de este modo caractensticas de flujo de fluido superiores (lo que minimiza la vibracion del sistema), creando menos resistencia contra la estructura de helice, y proporcionando una mayor fuerza centnfuga del fluido circundante para garantizar que la vida marina evita el centro del sistema de helice.
Por otro lado, helices que tienen series de aletas dispuestas de modo que las aletas mas cercanas al cubo tengan la mayor excentricidad medida con respecto al plano de la helice como un todo, y a continuacion se aplanen a medida que las aletas se disponen hacia el exterior del sistema de helice (como es tfpico con una helice de un barco o un submarino, por ejemplo) tambien pueden dar los mejores resultados en terminos de reduccion de la vibracion, armoma y rendimiento global del sistema.
En la realizacion ejemplar 701 representada en la figura 7 (que es representativa de la region encuadrada 603 en la figura 6), una serie de aletas curvas 702, 704, 706, 708 estan dispuestas entre huecos 703, 705, 707, 709 de tamano creciente (notese que el cubo de fijacion central desde el cual se originan los anillos concentricos mas pequenos estana ubicado mas alla de la parte superior de la figura, por ejemplo, por encima de la aleta 702 y el hueco 703).
En la realizacion representada, las aletas 702, 704, 706, 708 tambien estan dispuestas con mayor excentricidad, dado que estan instaladas cada vez mas lejos del cubo, de modo que el angulo de disposicion de la aleta 708 medido con respecto al plano del conjunto sena mayor que el de las aletas 702, 704, 706 dispuestas mas cerca del cubo de fijacion central.
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En la realizacion ejemplar representada en la figura 8, se proporciona un sistema de generacion de ene^a por corrientes de agua sumergido y atado en el que toda la agrupacion de helices esta montada en direccion de arrastre, de modo que se evita la interferencia de ene^a de una agrupacion montada frontal, y se consigue una mayor estabilidad del sistema y eficiencia energetica. Tal como se ve, esta configuracion particular admite una o mas helices dispuestas tanto en una posicion de montaje en direccion de arrastre superior como una posicion de montaje en direccion arrastre inferior, a traves de la disposicion de multiples agrupaciones de helices en un mayor o menor numero de niveles tambien es posible.
En la figura 9, que es esencialmente una vista posterior de la realizacion alternativa representada en la figura 8, se ve que una realizacion espedfica aunque no limitante comprende una agrupacion de helices que tiene diez helices en total, con seis helices estando dispuestas en una posicion de montaje en direccion de arrastre inferior, y cuatro helices estando dispuestas en una posicion montada en direccion de arrastre superior, con la serie en posicion superior estando distribuida adicionalmente con dos helices a cada lado del sistema de generacion de energfa.
Se ha descubierto que esta realizacion particular admite caractensticas de generacion de energfa superiores, mientras que estabiliza la estructura del sistema adjunto minimizando la vibracion, y permitiendo que pares de helices emparejados uniformemente funcionen en direcciones rotacionales opuestas.
Aunque dichas configuraciones son optimas para ciertas realizaciones de un sistema de generacion de energfa, en su lugar pueden emplearse un numero virtualmente ilimitado de otras agrupaciones y configuraciones de disposicion cuando se considere eficaz en un entorno operativo dado.
Como una cuestion practica, la composicion de toda la estructura de helice de anillos y aletas sena probablemente comun, por ejemplo, toda hecha de un metal duradero, revestido o resistente a la corrosion y ligero. Sin embargo, composiciones de material diferentes entre aletas y anillos tambien son posibles, y otros materiales tales como compuestos metalicos, compuestos de carbono duro, ceramicas, etc., son ciertamente posibles sin alejarse del alcance de la presente divulgacion.
Tal como se representa en la figura 10, cuando existe una necesidad de un numero de estructuras de generacion de energfa en una zona, el sistema de energfa puede consolidarse para eficiencia, con conexiones de energfa y control estando enlazadas de vuelta a una ubicacion central, tal como una subestacion de control, establecida ceca de las unidades instaladas. Esta consolidacion de unidades puede producirse en la superficie del oceano, o sobre (o cerca de) una estructura flotante en medio del agua.
La subestacion de control de acuerdo con la invencion esta instalada sobre una estructura de superficie flotante como una plataforma SPAR, o puede ser una subestacion de control sumergida, posiblemente usando un sistema de boya, a la que se puede hacer flotar hasta la superficie para mantenimiento.
En aguas profundas, una instalacion de conexion comun en el lecho oceanico requerina mas cables de alimentacion y sistemas de control adicionales que incrementanan el coste y la complejidad del sistema, y senan mas diffciles de mantener que una instalacion construida mas cerca de corrientes en la superficie del oceano.
Una estructura medio-flotante construida usando elementos similares a los patines de flotacion asociados con las unidades de generacion proporcionana una ubicacion de recogida de energfa comun mientras que no dejana que ninguna estructura permanente penetrara en la superficie del agua. Esta configuracion tambien requerina que menos lmeas de potencia y control largas discurran hasta el lecho oceanico, y dejana mucho calado para buques en la zona.
La ubicacion de recogida comun de acuerdo con la invencion comprende una estructura que esta amarrada al lecho oceanico y flota sobre la superficie del oceano cerca de las unidades de generacion. Este enfoque comprende una plataforma SPAR (tal como se muestra en la figura 10) que tiene algunas de las mejores caractensticas para diseno y estabilidad durante eventos meteorologicos y huracanes debido a su reducido perfil frente al viento y las olas.
Una estacion consolidada de energfa permite la transformacion a una tension de transmision mas elevada, consiguiendo de este modo capacidad de transferencia de energfa superior y modificable a escala hasta una red de transmision de energfa conectada a tierra. Permitir tensiones de transmision mayores tambien proporciona instalaciones ubicadas mas lejos de tierra con buenos resultados de transmision de energfa. La transformacion de energfa definitiva puede realizarse en la estacion de consolidacion o uno o mas transformadores de energfa instalados en un hormigon de limpieza “mud mat" en el lecho oceanico.
Dependiendo de otras variables, tambien puede haber una necesidad de un dispositivo smcrono basado en tierra (tal como un gran motor smcrono o un gran impulsor electronico de velocidad variable) usado para estabilizar la red electrica cuando la generacion mediante corrientes oceanicas mar adentro es significativamente mayor que la red de generacion en tierra.
Para longitudes significativas fuera en el mar, es posible tener un cordon de conexion de transmision de potencia de alta tension CC desde la estructura de consolidacion todo el camino de vuelta a la playa. La energfa de CA necesaria para las unidades de generacion individuales puede generarse a partir de la tension de CC hasta CA
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trifasica a fin de alimentar los generadores de induccion. En la playa (o cerca de la playa, o incluso seguidamente), la CC esta conectada a la red electrica o red inteligente como una interconexion de ene^a de CC tfpica.
Tal como se representa en la figura 11, en ubicaciones oceanicas mas profundas, no es necesario que la plataforma SPAR este soportada por patines de flotacion, y puede servir, por lo tanto, como instalacion de consolidacion util para conectar y desconectar de forma modificable a escala una pluralidad de unidades de generacion de energfa individuales. Tal como se muestra, la plataforma SPAR sumergida aproximadamente 61-152 metros esta amarrada permanentemente al lecho oceanico usando un medio de amarre fuerte y seguro, tal como una gruesa cuerda de polipropileno. Si la cuerda de polipropileno se enrolla en primer lugar en una direccion y a continuacion se cubre con una segunda cuerda enrollada en la direccion opuesta, la lmea enrollada de forma alterna, combinada sena muy fuerte, y resistira el retorcimiento y el anudado.
Reconociendo que el peso del cableado de acero afectana a los aspectos del diseno con respecto a la flotacion para la instalacion de consolidacion, tambien es posible integrar una lmea de amarre de cable de acero trenzado con un cable de alimentacion encerrado dentro del centro. El cable de amarre de polipropileno podna no ser apropiado para esta aplicacion debido a su propension a estirarse.
Un cable de alimentacion independiente se tiende desde la plataforma SPAR hasta un transformador o caja de transmision instalada en el fondo del lecho marino, y a continuacion se tiende por debajo del lecho marino hacia su destino definitivo.
Otro enfoque mas es tender el cable de alimentacion a traves de un vado interno de una cuerda de polipropileno u otra lmea de amarre, de modo que haya solamente una unica lmea que se extiende desde la plataforma SPAR, y el cable de alimentacion este protegido del dano por la lmea de amarre.
Volviendo ahora a un sistema de generacion de energfa de tipo induccion de estacion unica, mas potente, (por ejemplo, una realizacion que utiliza helices de 12 metros y mas grandes), la figura 12 es una vista lateral de un sistema de generacion de energfa de diseno basculante de cuatro unidades en el que una pluralidad de generadores de induccion montados frontales estan dispuestos sobre un bastidor establecido por patines de flotacion con miembros de conexion.
Al menos cuatro helices de 12 metros y mas grandes (dependiendo de la corriente), junto con unidades de generacion asociadas, estan dispuestas en comunicacion mecanica con un arbol giratorio o similar y se les puede hacer girar, mecanicamente o usando un sistema de control logico dispuesto en comunicacion con un sistema de control neumatico o hidraulico, a fin de convertirse esencialmente en turbinas axiales horizontales superior e inferior; a continuacion, usando el sistema de lastre, se puede hacer flotar a la estructura hasta la superficie para acceso seguro y eficiente a los receptaculos de generacion para mantenimiento y reparacion.
La figura 13 es una vista superior de la misma estructura, que muestra como expandir las capacidades del sistema hasta un diseno de 6 u 8 helices, o incluso mayor.
La figura 14 representa una vista frontal del sistema de generacion de energfa y helice de diseno basculante de cuatro unidades, que muestra las helices en un plano vertical mientras estan funcionando y fijadas a una lmea de amarre de tipo Y para estabilidad. En algunas realizaciones, a medida que se anaden mas helices al sistema, se usa una barra separadora u otro aparato similar para impartir estabilidad adicional.
En la figura 15, el sistema de generacion de energfa y helice de diseno basculante de cuatro unidades se representa en reposo, mostrado ahora invertido en una configuracion util para transporte, instalacion y mantenimiento. En una realizacion, los receptaculos generadores estan fijados al bastidor del sistema, de modo que puedan girar aproximadamente noventa grados o mas alrededor de un arbol dispuesto en comunicacion con el bastidor. Esta rotacion puede conseguirse manualmente, o usando un sistema de control logico para hacer girar los receptaculos alrededor del arbol usando un medio de rotacion asociado, tal como un medio de rotacion neumatico o un medio de rotacion hidraulico.
En otra realizacion, se manipulan lastres dentro de los patines de flotacion de modo que los receptaculos de generacion y las helices se orienten hacia arriba, como se requerina para remolcado controlado cuando la estructura esta siendo suministrada al terreno, o cuando es necesario mantenimiento de las helices, generadores, engranajes, etc., Por lo tanto, cuando los receptaculos de generacion y las helices estan en su mayona o completamente por encima del nivel de la superficie, las helices no causan inestabilidad a toda la estructura debido a la resistencia al viento, etc.
Aunque otros aspectos mas de la invencion, que en la practica actual comprenden normalmente dispositivos asociados con la produccion de energfa submarina en general (por ejemplo, fuentes de suministro de energfa auxiliares, sistemas de control y comunicacion de fibra optica, vehmulos manejados por control remoto auxiliares usados para revisar la central energetica, etc.) se contemplan sin duda como perifericos para su uso en el despliegue, el posicionamiento, el control y el manejo del sistema, no se considera necesario describir todos dichos artmulos en gran detalle, dado que otros sistemas y subsistemas se les ocurriran de forma natural a los expertos en la materia.
Aunque la presente invencion se ha representado y descrito en detalle anteriormente con respecto a realizaciones ejemplares, los expertos en la materia tambien apreciaran que pueden realizarse tambien pequenos cambios en la descripcion, y otras diversas modificaciones, omisiones y adiciones sin alejarse del alcance de las reivindicaciones.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una instalacion de consolidacion para consolidar la energfa generada por una pluralidad de sistemas (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa por corrientes de agua, comprendiendo cada uno de dichos sistemas (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa:
    - una o mas camaras (102, 402, 403) de flotacion sumergidas;
    - una o mas unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generacion de energfa de tipo induccion sumergidas dispuestas en comunicacion con dichas camaras de flotacion (102, 402, 403);
    - una o mas helices (105, 206, 407, 501) dispuestas en comunicacion con dichas unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generacion de energfa de tipo induccion;
    - un sistema de amarre (106; 408, 409, 410, 411) para amarrar dicha pluralidad de sistemas (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa por corrientes de agua; y
    - un medio de salida de la energfa generada;
    comprendiendo dicha instalacion de consolidacion:
    - una subestacion de control para recibir energfa generada por dichos sistemas (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa y transferida a dicha subestacion de control mediante dicho medio de salida de energfa generada, estando dicha subestacion de control instalada en una plataforma Spar;
    - bien estando dicha plataforma Spar flotando sobre la superficie del oceano cerca de los sistemas (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa por corrientes de agua sumergidos, o bien
    - estando dicha plataforma Spar sumergida; y en la que
    - dicha plataforma Spar esta amarrada permanentemente al lecho oceanico.
  2. 2. La instalacion de consolidacion de la reivindicacion 1, en la que
    una o mas de dichas camaras (102, 402, 403) de flotacion sumergidas comprende ademas una o mas camaras (303, 304, 306) de aislamiento de fluido flotantes, y en la que
    una o mas de dichas camaras de aislamiento (303, 304, 306) comprende ademas un fluido flotante dispuesto en su interior, una valvula de admision de fluido flotante, una valvula de salida de fluido flotante y un medio de control de la fuente de fluido flotante.
  3. 3. La instalacion de consolidacion de la reivindicacion 1 o 2, en la que dicha plataforma Spar esta amarrada mediante una cuerda de polipropileno que comprende dos capas, con una primera capa que esta enrollada en una direccion en sentido de las agujas del reloj y una segunda capa que esta enrollada en una direccion en sentido contrario a las agujas del reloj.
  4. 4. La instalacion de consolidacion de la reivindicacion 3, en la que una o mas capas estan combinadas con cableado metalico o sustituidas por cableado metalico.
  5. 5. La instalacion de consolidacion de la reivindicacion 3 o 4, en la que las capas de la cuerda de polipropileno estan enrolladas alrededor de una lmea de salida de energfa.
  6. 6. La instalacion de consolidacion de la reivindicacion 1, que comprende ademas medios para transferir energfa consolidada obtenida a partir de dicha pluralidad de sistemas (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa por corrientes de agua a una red electrica.
  7. 7. La instalacion de consolidacion de la reivindicacion 1, que comprende ademas medios para transferir energfa consolidada obtenida a partir de dicha pluralidad de sistemas (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa por corrientes de agua a uno o mas dispositivos de transformacion de energfa.
  8. 8. La instalacion de consolidacion de la reivindicacion 6, en la que dicho uno o mas dispositivos de transformacion de energfa transforma la energfa transferida en una tension de transmision mas alta.
  9. 9. La instalacion de consolidacion de la reivindicacion 6, en la que dicho uno o mas dispositivos de transformacion de energfa transforma la energfa transferida en una tension de transmision mas baja.
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