ES2582490T3 - Procedimientos y medios de instalación y mantenimiento de un sistema de generación de energía por corriente de agua - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de instalación y mantenimiento de un sistema (101, 201, 401, 801) de generación de energía por corriente de agua sumergido, comprendiendo dicho procedimiento: a. disponer una o más unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generación de energía de tipo inducción sumergidas equipadas con hélices (105, 206,407, 501) capaces de girar alrededor de ejes de accionamiento en respuesta a las corrientes de agua en comunicación con una o más cámaras de flotación sumergidas; y b. hacer flotar dicho sistema (101, 201, 401, 801) de generación de energía por corriente de agua a la superficie abriendo las cámaras de flotación presurizadas con gas y evacuando el fluido del tubo o tubos de lastre, caracterizado porque el procedimiento comprende además: c. hacer girar dichas unidades de generación de energía para que las hélices (105, 206, 407, 501) se dispongan aproximadamente paralelas a la superficie del agua; y d. manipular los lastres dentro de los esquís de flotación de modo que las unidades de generación y dichas hélices (105, 206 407, 501) giren hacia arriba.

Description

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DESCRIPCION

Procedimientos y medios de instalacion y mantenimiento de un sistema de generacion de ene^a por corriente de agua

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere en general a sistemas de generacion de energfa renovable, y en particular, aunque es una realizacion no limitativa, a los subsistemas de un sistema de immersion o acuatico para la generacion de energfa derivada de las corrientes de agua de movimiento rapido utilizando un sistema de 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 la presente memoria son individualmente adecuados para sistemas que utilizan sistemas de accionamiento de generador convencionales y otros medios de creacion de potencia.

Los medios para la transmision de potencia generada por tales sistemas a las redes vecinas de potencia, sistemas de amarre, y el procedimiento y medios para instalar y mantener los componentes de tales sistemas se divulgan tambien.

Antecedentes de la invencion

Con el aumento del coste de los combustibles fosiles y el aumento de la demanda energetica en las econoirnas e industrias mundiales, procedimientos diferentes y mas eficaces de desarrollar fuentes de energfa se estan buscando constantemente. De particular interes son las fuentes de energfa alternativas renovables, tales como dispositivos de potencia solar con batenas, parques eolicos, generacion de energfa de las mareas, generadores de ondas, y los sistemas que derivan potencia a partir de hidrogeno secuestrado.

Sin embargo, tales fuentes de energfa no son todavfa capaces de suministrar potencia continua a un area extendida a escala comercial. Por otra parte, algunas tecnologfas propuestas, como los sistemas impulsados por hidrogeno que implican el refinamiento de agua de mar, en realidad consumen mas potencia en el procedimiento de conversion que lo que se emite al final del sistema.

Otros, tal como el hidrogeno derivado de metano, producen cantidades iguales o mayores de emisiones de combustibles fosiles que las tecnologfas basadas en aceite convencionales que las que pretenden sustituir, y aun otros, tales como los sistemas de batenas, solares y basados en aerogeneradores, requieren dicha exposicion constante a la luz solar o vientos importantes de modo que su eficacia comercial se ve inherentemente limitada.

Un sistema de sistema de energfa alternativa propuesto consiste en el aprovechamiento de la potencia hidraulica derivada de corrientes de agua de movimiento rapido, por ejemplo, corrientes que tienen velocidades de flujo maximas de 2 m/s o mas.

En la practica, sin embargo, los dispositivos de generacion de energfa bajo el agua existentes han demostrado ser inadecuados, incluso cuando se instalan en los sitios donde las velocidades de corrientes son consistentemente muy rapidas. Esto se debe, al menos en parte, tanto a la falta de medios eficaces para la generacion de la potencia como a la falta de sistemas de transformacion de potencia apropiados necesarios para compensar las incompatibilidades entre los sistemas de generacion de energfa bajo el agua y estaciones de retransmision de potencia acuaticas o terrestres auxiliares.

Los disenos existentes de helices y los mecanismos de generacion de energfa acuaticos tambien han demostrado ser insuficientes, fallando en proporcionar ya sea una generacion de energfa adecuada o estabilidad suficiente contra corrientes maximas o de velocidades.

Para capturar una cantidad significativa de energfa cinetica de las corrientes oceanicas que fluyen, el area afectada debe ser expansiva. Como resultado, los disenos de helices marinas existentes emplean estructuras prohibitivamente grandes, pesadas y caras fabricadas de tecnologfas de metales compuestos y metales pesados actualmente conocidas. Ademas, estas helices marinas crean problemas de cavitacion procedentes de las puntas de las palas de la helice que se mueven a traves del agua circundante.

Otro problema importante son los problemas ambientales asociados con la obtencion de energfa a partir de corrientes de agua sin danar la vida acuatica circundante, como arrecifes marinos, follaje, bancos de peces, etc.

Existe, por lo tanto, una necesidad importante y todavfa no satisfecha de un sistema generacion de energfa por corriente de agua y subsistemas adjuntos que superen los problemas actualmente existentes en la tecnica, y que generan y transfieren compatiblemente una cantidad significativa de potencia desde una estacion de retransmision de una manera segura, fiable y respetuosa con el medio ambiente. Tambien se requieren configuraciones seguras y eficaces a nivel de campo, sistemas de amarre fiables y repetibles, y procedimientos y medios para la instalacion y mantenimiento de tales sistemas.

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El documento GB 2 256 011 A se refiere a un sistema de turbina de corriente de agua flotante. El sistema de turbina de corriente de agua flotante comprende una gondola. La gondola comprende un generador electrico, que esta articulada a un rotor. Ademas, la gondola comprende una camara boyante. De este modo, la gondola y el rotor pueden flotar a la superficie para su mantenimiento o reparaciones soplando aire en la camara boyante.

El documento WO 2011/056249 A2 divulga un procedimiento de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.

Sumario de la invencion

Las necesidades mencionadas anteriormente se resuelven por un procedimiento de instalacion y mantenimiento de un sistema de generacion de energfa por corriente de agua sumergido de acuerdo con la reivindicacion 1.

Se proporciona un centro de consolidacion para la consolidacion de la potencia generada por una pluralidad de sistemas de generacion de energfa por corriente de agua, en el 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 boyantes, y una o mas de las camaras de aislamiento incluye ademas un fluido boyante dispuesto en su interior, una valvula de admision de fluido boyante, una valvula de salida de fluido boyante, y un medio de control de la fuente de fluido boyante.

Las unidades de generacion de energfa incluyen tambien 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 potencia; un sistema de amarre; y un medio de salida de la potencia generada.

El centro de consolidacion incluye, ademas, medios para recibir la potencia generada por dichos sistemas de generacion de energfa, transferir o exportar de potencia a traves del medio de salida, y suministrar la potencia consolidada a una red electrica vecina, ya sea directamente o despues de su transferencia a un dispositivo de transformacion de potencia intermedio.

El centro de consolidacion se puede situar en el fondo del oceano, a una profundidad intermedia, o flotando en la superficie. En un ejemplo espedfico, un SPAR (una plataforma estable de gran calado adecuado u otro casco) flotante o sumergido se utiliza como un centro de consolidacion; como alternativa, una estructura sumergida ofrecera una mayor libertad para la navegacion de buques en el area.

El centro de consolidacion se amarra optimamente de forma segura, por ejemplo, utilizando una cuerda de polietileno, que se puede formar a partir de una porcion enrollada en una sola direccion; dos o mas capas porciones enrolladas en direcciones alternas; combinarse o sustituirse con cables de metal; y/o envolverse alrededor de la lmea de salida de potencia consolidada.

Las vainas de generacion de energfa y las helices se pueden instalar y prestarseles mantenimiento, haciendolas girar en una posicion horizontal. Aunque todavfa en el agua, un cono nariz central boyante ofrece a las helices la flotacion adecuada para llegar a la superficie y la estabilidad maxima contra el viento, corriente y otras condiciones meteorologicas una vez que se encuentra al nivel de la superficie. De esta manera, la instalacion y el mantenimiento de las unidades se consiguen de forma segura y eficaz.

Breve descripcion de los dibujos

Las realizaciones divulgadas en la presente memoria se entenderan mejor, y numerosos objetos, caractensticas y ventajas seran 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 electrica por corriente 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 electrica por corriente 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 la tercera realizacion de la invencion.

La Figura 4A es una vista superior de un sistema de generacion de energfa electrica por corriente 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 por cabos asociado.

La Figura 5 es una vista frontal de una realizacion ejemplar del sistema de helice adecuado para su uso en conexion con un sistema de generacion de energfa sumergido o acuatico.

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La Figura 6 es una vista en perspectiva de la realizacion del sistema de helice ejemplar representada en la Figura 5, con una porcion detallada del sistema aislada para una perspectiva adicional.

La Figura 7 es una vista aislada de una porcion de la realizacion del sistema de la helice ejemplar ilustrada en las Figuras 5 y 6.

La Figura 8 es una vista lateral de un sistema de generacion de energfa por corriente de agua ejemplar, que comprende, ademas, una matriz de helices montada por arrastre.

La Figura 9 es una vista posterior del sistema de generacion de energfa por corriente de agua ejemplar representado en la Figura 8, en el que un numero par de helices facilitan la compensacion de fuerzas de giro en una matriz montada por arrastre.

La Figura 10 es una vista esquematica de un parque de generacion de energfa por corriente de agua ejemplar que comprende una pluralidad de sistemas de generacion de energfa articulado.

La Figura 11 es una vista esquematica de un sistema de generacion de energfa directa amarrado permanentemente en el que no se utiliza ningun esqrn de flotacion o SPAR.

La Figura 12 es una vista lateral de un sistema de generacion de energfa de diseno con volteo de cuatro unidades.

La Figura 13 es una vista superior de la Figura 12, que comprende de nuevo un sistema de helice y de generacion de energfa de diseno con volteo de cuatro unidades.

La Figura 14 es una vista frontal de un sistema de helice y de generacion de energfa de diseno con volteo de cuatro unidades.

La Figura 15 es un sistema de helice y de generacion de energfa de diseno con volteo de cuatro unidades, que muestra las vainas del generador y helices asociados en una posicion volteada adecuada para su instalacion y mantenimiento.

Descripcion detallada de diversas realizaciones ejemplares

La siguiente descripcion incluye una serie de disenos de sistemas ejemplares y procedimientos de uso que representa las ventajas de la materia objeto actualmente inventiva. Sin embargo, se entendera por los expertos ordinarios en la materia que las realizaciones divulgadas admitiran su implementacion sin algunos de los detalles espedficos citados en la presente memoria. En otros casos, equipos, protocolos, estructuras y tecnicas de generacion de energfa y submarinas bien conocidos no se han descrito o mostrado en detalle para evitar la ofuscacion de la invencion.

La Figura 1 representa una primera realizacion ejemplar de un sistema 101 de generacion de energfa por corriente de agua. En su forma mas simple, el sistema comprende uno o mas de un tubo 102 de flotacion, un tubo 103 de lastre, y una unidad 104 de generacion de energfa de tipo induccion equipada con una helice 105 impulsada por eje.

Si bien la Figura 1 representa solamente un unico tubo 102 de flotacion, la unidad 103 de lastre y el componente 104 generador, se contemplan tambien sistemas mas grandes que comprenden una pluralidad de cualquiera o todas de dichas estructuras. En cualquier caso, los expertos en la materia pertinente apreciaran facilmente que la presente descripcion de un sistema limitado con elementos singulares es meramente ilustrativa, y no pretende limitar el alcance de la materia objeto con respecto a los miembros plurales de cualquiera de los elementos divulgados en la presente memoria.

En un realizacion ejemplar, una unidad 104 de generacion de energfa (por ejemplo, una unidad de generacion de energfa de tipo induccion) produce potencia electrica que puede emitirse con o sin transformacion, ya sea como una corriente alterna (CA) o una corriente continua (CC) a una estacion de retransmision asociada u otros medios para facilitar la transferencia de potencia en alta mar a una red electrica vecina o similares.

En general, los generadores asmcronos de tipo induccion son mecanica y electricamente mas simples que otros tipos de generadores de potencia electrica o generadores smcronos de corriente continua (CC). Un motor de induccion se convierte en un generador de potencia de salida de cuando la potencia para el campo magnetico viene del estator o cuando el rotor tiene imanes permanentes que crean un campo magnetico impartiendo de este modo un deslizamiento negativo. Tambien tienden a ser mas resistentes y duraderos, por lo general no requieren ni cepillos ni conmutadores. En la mayona de los casos, un motor asmcrono regular de CA se utiliza como el generador, sin ningun tipo de modificaciones internas.

Durante la operacion normal del motor, el giro de flujo del estator del motor se establece mediante la frecuencia de potencia (normalmente de aproximadamente 50 o 60 Hertz) y es mas rapido que el giro del rotor. Esto hace que el flujo del estator induzca corrientes de rotor, lo que a su vez crea el flujo del rotor con una polaridad magnetica opuesta al estator. De esta manera, el rotor se ve arrastrado conjuntamente detras del flujo del estator en valor igual

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al deslizamiento.

Una maquina de induccion asmcrona trifasica (por ejemplo, jaula enrollada) funcionara, cuando se opera mas lento que su velocidad smcrona, como un motor; el mismo dispositivo, sin embargo, cuando se opera mas rapido que su velocidad smcrona, funcionara como un generador de induccion.

Durante la operacion del generador, un impulsor principal de algun tipo (por ejemplo, una turbina, motor, eje de transmision de helice, etc.) acciona el rotor por encima de la velocidad smcrona. El flujo del estator induce todavfa corrientes en el rotor, pero puesto que el flujo del rotor opuesto esta cortando ahora las bobinas del estator, la corriente activa se produce en las bobinas del estator, y por lo tanto el motor esta operando como un generador capaz de enviar potencia hacia una red electrica vecina.

Por lo tanto, los generadores de induccion se pueden utilizar para producir potencia electrica alterna cada vez que un eje interior se hace girar mas rapido que la frecuencia smcrona. En diversas realizaciones de la presente invencion, el giro del eje se realiza por medio de un propulsor 105 asociado dispuesto en una corriente de agua de movimiento relativamente rapido, aunque otros procedimientos y medios de giro del eje podnan concebirse y aplicarse tambien para un efecto similar.

Puesto que no hay imanes permanentes en el rotor, una limitacion de los generadores de induccion es que no son auto-excitantes; en consecuencia, requieren o bien una fuente de alimentacion externa (como podna obtenerse facilmente a partir de la red utilizando un conducto umbilical ya sea a traves del agua o debajo de un fondo marino asociado), o "arrancarse suavemente" por medio de un motor de arranque de tension reducida a fin de producir un giro inicial del flujo magnetico.

Los motores de arranque de tension reducida pueden prestar ventajas importantes para el sistema, tales como determinar rapidamente las frecuencias de operacion apropiadas, y permitir un reinicio sin alimentacion en el caso de que la red electrica auxiliar se desactive por alguna razon, por ejemplo, como resultado de danos causados por un huracan u otro desastre natural.

Es probable que la potencia derivada del sistema, al menos en algunos casos, se utilizara probablemente para complementar un sistema de red electrica vecino, y por tanto las frecuencias de operacion de la red dictaran en gran parte la frecuencia de operacion para el sistema de generacion de energfa, Por ejemplo, la gran mayona de los grandes sistemas de red electrica emplean actualmente una frecuencia de operacion nominal de entre 50 y 60 Hertz.

Otra consideracion importante para los grandes sistemas de generacion de energfa acuaticos es el establecimiento de un equilibrio de flotacion bien compensado que permite la posicion dinamica continua independientemente de las velocidades de corrientes circundantes.

Aun suponiendo que las velocidades de corrientes circundantes permanecen dentro de un intervalo predeterminado de velocidades de operacion aceptables, el equilibrio del sistema podna todavfa estar en peligro por un huracan especialmente fuerte o similar, pero la disposicion del sistema muy por debajo de la lmea de fuerza de ola normal, es decir, aproximadamente 100-150 pies (30,48- 45,72 m) de profundidad o menos, reducira en gran medida este tipo de perturbaciones. Las diversas fuerzas de compensacion de Kips gravitacionales, Kips de flotacion, Kips de arrastre y Kips de retencion contribuiran tambien a la estabilidad global de un sistema de generacion de energfa por corriente de agua continuo.

El tubo 102 de flotacion que se ilustra en la Figura 1 comprende una porcion de cuerpo cilmdrica dispuesta en comunicacion mecanica con al menos una unidad 104 de tapa de extremo que aloja los generadores de induccion antes mencionados. Los generadores y alojamientos de tapa de extremo asociados contienen un eje de accionamiento y, en algunas realizaciones, engranajes planetarios relacionados con la helice 105.

En algunas realizaciones, el tubo 102 de flotacion comprende una forma cubica o hexagonal, aunque la practica eficaz de la invencion admitira tambien otras geometnas. En una realizacion actualmente preferida, el tubo 102 de flotacion es aproximadamente cilmdrico, y se presuriza con gas (por ejemplo, aire u otro gas boyante seguro) de manera que, cuando el sistema se restringe por el cabo anclado 106, las fuerzas combinadas constituiran la fuerza de elevacion primaria para el sistema de generacion de energfa por corriente oceanica.

Por consiguiente, el sistema se puede elevar a la superficie para su mantenimiento o inspeccion apagando los generadores, lo que reduce el arrastre en el sistema, lo que permite que el sistema se eleve un poco hacia la superficie. Al abrir el tubo o tubos de flotacion y/o evacuar el fluido desde el tubo o tubos de lastre, la unidad puede flotar de manera segura y fiable a la superficie de modo que se puede realizar un mantenimiento o inspeccion.

De acuerdo con un procedimiento de mover el sistema, el cabo 106 puede tambien liberarse, de modo que la estructura flotante se puede remolcar o alimentarse de otra manera hacia la tierra u otro lugar de operacion.

La realizacion ejemplar representada en la Figura 2 es una vista frontal del sistema 201 de generacion de energfa, equipado con una pluralidad de helices 206 relativamente grandes, de movimiento lento dispuestas en comunicacion mecanica con los miembros de eje de las unidades 204 y 206 generadoras de induccion. Como se observa en

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mayor detalle en la Figura 4A, las unidades generadoras se disponen dentro de las unidades de tapa de extremo alojadas dentro de los tubos 102 de flotacion, as^ como a traves de la extension de una porcion de cuerpo de tipo celosfa del sistema dispuesto entre los tubos de flotacion.

Haciendo referencia a continuacion a la Figura 3, una vista detallada del interior de los tubos de lastre previamente representados como el elemento 103 en la Figura 1 se proporciona, en la que una pluralidad de camaras de aislamiento de tipo laberinto se unen de tal manera que la separacion y mezcla de diversos gases y lfquidos se pueden utilizar para permitir un control mas preciso de las fuerzas tanto de equilibrio como de flotacion presentes en el sistema que el que se puede obtener por medio de los tubos 102 de flotacion solamente.

Como se observa en la realizacion ilustrada, un sistema 301 de lastre interior formado dentro de un tubo de lastre comprende una fuente 302 de control de aire dispuesta en comunicacion fluida con una valvula de retencion de sobrepresion y una primera camara 303 de aislamiento.

La primera camara 303 de aislamiento contiene tanto un gas seco (por ejemplo, aire que tiene una presion igual a la presion del agua exterior circundante) presente en una porcion superior de la camara, y un fluido (por ejemplo, agua de mar introducida desde fuera de la camara de aislamiento) presente en una porcion inferior de la camara.

La primera camara 303 de aislamiento comprende tambien una lmea de alimentacion de aire secundario 305 para la distribucion de aire a otros compartimentos cargados con gas de la estructura, asf como lmeas para las mezclas de gas y lfquido de la primera camara 303 de aislamiento a la segunda camara 304 de aislamiento. La segunda camara 304 de aislamiento comprende, a su vez, una porcion superior que contiene aire y una porcion inferior que contiene agua o similares, que estan 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, una (o ambas) de la primera y segunda camaras 303, 304 de aislamiento estan equipadas con instrumentacion (por ejemplo, sensores de presion o sensores de presion diferencial) para determinar si hay fluido o aire presente en una cavidad particular del sistema. En otras realizaciones adicionales, tales sensores se introducen en un sistema de control logico (no mostrado) que se utiliza para ayudar en la deteccion y el control del equilibrio y las mediciones relacionadas con empuje.

El procedimiento de hacer avanzar el aire a traves del sistema en las porciones superiores de los tanques mientras se garantiza que el agua u otros lfquidos permanecen en las porciones inferiores continua hasta que se obtienen caractensticas de equilibrio y de control deseadas. En ultima instancia, se proporciona una camara 306 de aislamiento final que, en la realizacion representada, comprende una valvula 309 de salida de aire utilizada para dejar que el aire salga del sistema y, en algunas circunstancias, introducir agua en el sistema.

Una valvula 307 de seguridad de presion se proporciona en el evento de que las presiones internas lleguen a ser tan grandes de modo que se requiera la ventilacion 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 porcion inferior del tanque 306 de aislamiento.

Una vez mas, los fluidos de barrera y similares se pueden utilizar para reducir la interaccion entre el aire y el agua, y cuando el sistema esta equipado con un control de flotador que flota en la parte superior del agua de mar, se retendra el fluido de barrera incluso despues de expulsar toda el agua de mar. Ademas, una mayor estabilidad se puede lograr en los tanques utilizando una serie de deflectores para asegurar el agua atrapada en los tanques no se mueva rapidamente dentro de las camaras, lo que de otro modo tiende a perturbar el equilibrio y control. Por otra parte, se emplean multiples tanques y seccionamiento para hacer frente a una posible inclinacion de la unidad, para que el agua y el gas se desvfen adecuadamente para evitar una inclinacion excesiva.

La Figura 4A presenta una vista superior de una realizacion del sistema 401, que en este caso comprende un primer tubo 402 de flotacion y un segundo tubo 403 de flotacion; una porcion 401 de cuerpo de tipo celosfa, de conexion dispuesto entre los mismos; una pluralidad de generadores 405, 406 de induccion estrategicamente situados alrededor de los tubos de flotacion y las porciones de cuerpo; una pluralidad de helices 407 dispuestas en comunicacion mecanica con los generadores; y una pluralidad de miembros 408, 409 de cabo dispuestos en comunicacion mecanica con los tubos 402, 403 de flotacion.

En la realizacion ejemplar representado en la Figura 4B, los miembros 408 y 409 de cabo se unen para formar un solo cabo 410 de anclaje que se fija de una manera conocida al miembro 411 de anclaje.

En diversas realizaciones, el cabo 410 de anclaje comprende ademas medios para restringir y liberar el sistema de forma variable. En diversas otras realizaciones, el cabo 410 de anclaje termina en un miembro 411 de anclaje, equipado con un dispositivo de terminacion de cabo (no mostrado). El miembro 411 de anclaje comprende cualquier tipo de anclaje conocido (por ejemplo, un ancla de peso muerto, ancla de succion, etc.) adecuado para mantener una posicion fija en las corrientes de movimiento rapido, que se encuentran por lo general en lugares con fondos marinos rocosos debido a la erosion del suelo causada por las corrientes de movimiento rapido.

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En todav^a otras realizaciones, esta porcion de la estacion se puede asegurar mediante la fijacion del cabo 410 de anclaje ya sea a un buque en la superficie o a otro dispositivo de generacion de ene^a por corriente oceanica, o a otro lugar de amarre central tal como una boya de posicionamiento dinamico flotante.

Haciendo referencia a continuacion a las realizaciones del sistema de helice ejemplar descritas solamente de forma muy general anteriormente, las Figuras 5-7 ilustran diversas realizaciones ejemplares espedficas aunque no limitantes de un sistema de helice adecuado para su uso con el sistema de generacion de energfa por corriente de agua divulgado en la presente memoria.

Los expertos normales en las tecnicas pertinentes apreciaran tambien, sin embargo, que si bien los sistemas de helice ejemplar divulgados en la presente memoria se describen con referencia a un sistema de generacion de energfa por corriente de agua accionado por un generador de potencia de tipo de induccion, los sistemas de helice ejemplares se pueden utilizar tambien en conexion con otrostipos de sistemas de generacion de energfa acuaticos o sumergidos para lograr muchas de las mismas ventajas que se ensenan en la presente memoria.

La Figura 5 es, por ejemplo, una vista frontal de una realizacion ejemplar del sistema de helice adecuado para su uso en conexion con un sistema de generacion de energfa sumergido o acuatico.

Como se muestra, la helice 501 comprende una pluralidad de conjuntos de aletas alternas y anillos incluidos, que en lo sucesivo son referidos como una configuracion de "aleta y anillo". Tales helices de aleta y anillo se disenan normalmente bajo especificacion para cada aplicacion particular, y la mejora de la eficacia se realizara mediante la adaptacion del diametro, la circunferencia, la curvatura de la aleta y disposicion excentricidad, la seleccion de materiales, etc., basandose en las frecuencias de operacion requeridas por los generadores de induccion, la velocidad de las corrientes de agua circundantes, las consideraciones medioambientales (por ejemplo, si las helices deben tener aberturas o huecos a traves de los que pueden pasar peces u otra vida acuatica), y asf sucesivamente.

De manera similar, los conjuntos vecinos de helices pueden girar en direcciones opuestas (por ejemplo, hacia la derecha o hacia la izquierda, como se muestra de forma representativa en la Figura 2) para crear remolinos o zonas muertas delante de las helices, que puedan repeler o proteger de otro modo la vida marina, mejorar la eficacia de giro de la helice, etc.

Cuando se utiliza en conexion con un sistema de generacion de energfa por corriente de agua accionado por un generador de potencia de tipo de induccion, el unico requisito de operacion firme para las helices es que sean capaces de hacer girar los ejes de generadores asociados a las velocidades requeridas para obtener las frecuencias de operacion del generador.

Sin embargo, es muy deseable que el sistema en su conjunto siga siendo pasivo con respecto a la interaccion con la vida marina local, y los resultados optimos de rendimiento se consiguen cuando el sistema genera la salida de potencia requerida mientras que todavfa mantiene un entorno operativo ambientalmente neutro.

Partiendo del centro del dispositivo, se observa que la helice 501 se dispone alrededor de una porcion 502 de cubo o eje que tanto sostiene la helice 501 de forma segura (por ejemplo, por medio de fijacion mecanica, tales como elementos de fijacion resistentes al oxido encapsulados, soldadura de un cuerpo de helice o de multiples piezas de un cuerpo de helice a un eje en un solo conjunto unitario, etc.) e imparte un par de giro proporcional al momento angular de la helice giratoria en el eje para su suministro al generador de potencia.

En ciertas realizaciones, la porcion 502 de cubo o eje comprende ademas un medio de flotacion para mejorar la conexion mecanica de la helice de aleta y anillo al eje, y para evitar la proyeccion de la helice que de otra manera tendera a deformar o a estresar el eje. Al igual que los medios de fijacion, los ejes impulsores apropiados para esta tarea existen actualmente en la tecnica de registro, y pueden comprender, por ejemplo, una serie de engranajes y/o embragues, sistemas de frenado, etc., como sena necesario para comunicar de manera efectiva el par de giro de la helice al eje del generador.

En una realizacion espedfica, un elemento de fijacion de retencion tal como un conjunto de perno y arandela o similar se retira del extremo de un eje de accionamiento, la estructura de helice de aleta y anillo se desliza sobre el eje expuesto, y luego se reemplaza el elemento de fijacion, con lo que se fija mecanicamente la estructura de aleta y anillo al eje. De manera optima, el elemento de fijacion quedana despues cubierto por una cubierta estanca al agua boyante o similar, como se muestra de forma representativa en la Figura 6, punto 601.

En otras realizaciones, un cubo central comprende la comunicacion mecanica del punto de conexion con un gran eje, que se puede instalar o retirar y reemplazar como una unica estructura de manera que se le puede prestar servicio y mantenimiento facilmente a la helice mientras que esta en el agua.

En otras realizaciones, el sistema comprende ademas un medio de para resistir la carga sobresaliente del conjunto de eje y helice. Por ejemplo, la espuma lfquida u otros productos qrnmicos de fluidos ligeros, o incluso aire comprimido, se pueden cargar en un cono nariz que se ajusta sobre el extremo de un cubo de la helice, de modo que la helice es libre de girar alrededor de un eje de accionamiento detras del cono nariz boyante, elevando asf el peso del conjunto de modo que se evitan las cargas sobresalientes pesadas.

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De manera similar, las helices (especialmente las helices frontales en un sistema sumergido, que absorben la mayor parte de la fuerza de la corriente de agua) se pueden montar por arrastre para superar la resistencia atribuible a la presion del fluido acumulado contra la estructura de aleta y anillo.

Independientemente de como la helice se fija en el eje y si se monta por arrastre y/o soporta por un miembro de flotacion, la realizacion ejemplar del diseno de aleta y anillo representada en la presente memoria es generalmente similar a lo largo de una multitud de otras realizaciones relacionadas adecuada para su implementacion dentro del sistema.

Por ejemplo, en la realizacion representada en la Figura 5, el conjunto 502 de fijacion del cubo se circunda concentricamente por un primer miembro 503 de anillo, mas alla del que (es decir, mas lejos del conjunto de cubo) se encuentra un segundo miembro 506 de anillo. Dispuesto entre el primer miembro 503 de anillo y el segundo miembro 506 de anillo hay una pluralidad de miembros 504 de aleta, cada uno de los que se separa por una brecha 505.

El espacio de brecha entre los miembros 504 de aleta variara de acuerdo con la aplicacion, pero como cuestion general las brechas entre las aletas aumentaran en tamano desde el anillo mas interior (en el que las brechas son normalmente las mas pequenas) hasta los anillos mas exteriores (donde el espacio de brecha es el mas grande).

Otras configuraciones admiten brechas de tamanos similares, o brechas incluso mas grandes en los anillos interiores que en los anillos exteriores, pero una ventaja de una superficie de anillo interior mayormente solida, en la que la mayor parte de la totalidad de la posible area superficial del anillo se utiliza por aletas en lugar de brechas, es que la estructura tendera a alejar de forma forzosa la presion del fluido del centro de la estructura hacia los anillos mas exteriores y mas alla del penmetro del dispositivo.

Este enfoque ayuda a que la helice gire mas facilmente, y que tenga en cuenta mas suficientemente las preocupaciones medioambientales empujando a la pequena vida marina y similares hacia el exterior del sistema, de modo que puedan o bien evitar la estructura de la helice por completo, o bien pasar a traves de una de las brechas mas grandes de movimiento lento en los anillos exteriores.

Puesto que la resistencia contra la estructura se reduce y se transmite un mayor par de giro a los ejes de accionamiento con menos arrastre y perdida, la helice puede tambien girar muy lentamente (en una realizacion ejemplar que genera resultados de campo satisfactorios, la helice gira a una velocidad de solamente 8 RPM), asegurando, ademas, que la vida marina sera capaz de evitar la estructura y mejorar la neutralidad y la seguridad medioambiental. Las velocidades de giro lentas tambien hacen que el sistema sea mas robusto, duradero y menos propenso a sufrir danos si entra en contacto con escombros o un objeto sumergido que este flotando cerca.

Los anillos concentricos sucesivos de las aletas 507 y brechas 508 dispuestos dentro de los anillos 509 aproximadamente circulares adicionales se anaden a la estructura, creando de este modo anillos concentricos adicionales de aletas y brechas 510-512 hasta que se haya alcanzado la circunferencia deseada. En una realizacion actualmente preferida, los espacios 514 de brechas del anillo mas externo son los espacios de brechas mas grandes en el sistema, y separan las aletas 513 del sistema en la mayor medida.

Un miembro 515 de anillo final encierra la periferia exterior del sistema de helice, proporcionando nuevamente proteccion medioambiental adicional, puesto que la vida marina que impacta inadvertidamente contra el anillo 515 exterior encontrara solamente un golpe indirecto contra una estructura de movimiento lento, mientras que las presiones de agua y fluidos son fuerzan fuera del dispositivo en la medida de lo posible.

Como se observa en la region 603 encerrada en una caja de la Figura 6 (que generalmente representa la realizacion ejemplar de la Figura 5, aunque con la porcion de fijacion del cubo cubierta con una tapa 601 a prueba de agua o similares), el paso de las aletas 602 medido en relacion con el plano del conjunto de aletas y anillos se puede alterar.

Por ejemplo, las aletas se pueden disponer con mayor excentricidad a medid que su posicion dentro del conjunto se hace avanzar desde el primer anillo que circunda el cubo central hacia los anillos mas exteriores. La disposicion de las aletas 602 con un paso mas plano dentro de los anillos interiores y mas excentricamente (es decir, en un plano mas perpendicular al plano de montaje) en los anillos exteriores tendera a aplanar y alisar el flujo de agua alrededor de la helice, consiguiendo de esta manera caractensticas de flujo de fluido superiores (lo que minimiza la vibracion del sistema), crear menos resistencia contra la estructura de la helice, y proporcionar una mayor fuerza centnfuga del fluido circundante para asegurar que la vida marina evite el centro del sistema de helice.

Por otra parte, las helices que tienen matrices de aleta dispuestas de tal manera que las aletas mas cercanas al cubo tienen la mayor excentricidad medida en relacion con el plano de la helice en su conjunto y, a continuacion, se aplanan a medida que las aletas se disponen hacia el exterior del sistema de helice (como es tfpico en la helice de un barco o un submarino, por ejemplo) pueden producir tambien los mejores resultados en terminos de reduccion de la vibracion, armonicos y el rendimiento general del sistema.

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En el realizacion ejemplar 701 representada en la Figura 7 (que es representativa de la region 603 encerrada en una caja en la Figura 6), una serie de aletas 702, 704, 706, 708 curvas se disponen entre las brechas 703,705,707,709 de tamano creciente (tenga en cuenta que el cubo de fijacion central desde el que se originan los anillos concentricos mas pequenos estana situado mas alla de la parte superior de la Figura, por ejemplo, por encima de la aleta 702 y de la brecha 703).

En la realizacion representada, las aletas 702, 704, 706, 708 se disponen tambien con mayor excentricidad puesto que las mismas se instalan adicionalmente y mas lejos del cubo, de modo que el angulo de disposicion de la aleta 708 medido en relacion con el plano de montaje sena mayor que el de las aletas 702, 704, 706 dispuestas mas cerca del cubo de fijacion central.

En la realizacion ejemplar representado en la Figura 8, se proporciona un sistema de generacion de energfa por corriente de agua sumergido, atado con cabos en el que toda la matriz de helices se monta por arrastre, de modo que se evita la interferencia de potencia desde una matriz montada frontal, y se consigue una mayor estabilidad del sistema y una eficiencia energetica. Como se observa, esta configuracion particular admite a una o mas helices dispuestas tanto en una posicion de montaje por arrastre superior como en una posicion de montaje por arrastre inferior, a pesar de que la disposicion de multiples matrices de helices ya sea en un numero mayor o menor 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 observa una realizacion especifica aunque no limitante comprende una matriz de helices que tiene diez helices en total, con seis helices estando dispuestas en una posicion de montaje por arrastre inferior, y cuatro helices estando dispuestas en una posicion de montaje por arrastre superior, con la matriz de posicion superior distribuyendose ademas con dos helices a cada lado del sistema de generacion de energfa.

Esta realizacion particular, se ha encontrado que admite caractensticas de generacion de energfa superiores, mientras que estabiliza la estructura del sistema auxiliar minimizando la vibracion, y permitiendo pares igualados de helices para operar en direcciones de giro opuestas.

Si bien este tipo de configuraciones son optimas para ciertas realizaciones de un sistema de generacion de energfa, un numero virtualmente ilimitado de otras matrices y configuraciones de disposicion se puede emplear en su lugar cuando se considere efectivo en un entorno operativo determinado.

En la practica, la composicion de toda la estructura de helice de aleta y anillo sera probablemente comun, por ejemplo, toda fabricada de un metal ligero durable, revestido o resistente a la corrosion. Sin embargo, diferentes composiciones de material entre las aletas y los anillos tambien es posible, y otros materiales tales como materiales compuestos metalicos, materiales compuestos de carbono ngidos, materiales ceramicos, etc., son ciertamente posibles sin apartarse del alcance de la presente divulgacion.

Como se muestra en la Figura 10, cuando existe la necesidad de una serie de estructuras de generacion de energfa en un area, el sistema de potencia se puede consolidar para la eficacia, con conexiones de alimentacion y control estando vinculadas de vuelta a una ubicacion central, tal como una subestacion de control, establecida cerca de las unidades instaladas. Esta consolidacion de las unidades puede ocurrir ya sea en el suelo marino, o en (o cerca de) una estructura flotante a profundidad media.

La subestacion de control se puede instalar en una estructura superficial flotante tal como un SPAR, o puede ser una subestacion de control sumergida, posiblemente utilizando un sistema de boyas, que puede flotar a la superficie para su mantenimiento, o incluso fijarse en el fondo del oceano.

En aguas profundas, una instalacion de conexion comun en el fondo del oceano requerina mas cables de potencia y sistemas de control adicionales lo que aumentana el coste y la complejidad del sistema, y sena mas diffcil de mantener que una instalacion construida mas cerca de las corrientes en la superficie del oceano.

Una estructura flotante a profundidad media construida usando elementos similares a los esqrn de flotacion asociados con las unidades de generacion proporcionana una ubicacion de recogida de potencia comun mientras que no deja ninguna que estructura permanente penetre en la superficie del agua. Esta configuracion tambien requerina un menor numero de lmeas de potencia y control largas hasta el fondo del oceano, y dejanan suficiente calado para las embarcaciones en el area.

El tercer tipo de ubicacion de recogida comun comprende una estructura que se amarra al fondo del oceano y flota sobre la superficie del oceano cerca de las unidades de generacion. Este enfoque podna comprender muchos tipos de estructuras diferentes, pero un SPAR (como se muestra en la Figura 10) tendna algunas de las mejores caractensticas para su diseno y estabilidad durante los fenomenos meteorologicos y huracanes debido a su perfil de viento y ola reducido.

Una estacion consolidada de potencia permite la transformacion a una tension de transmision mas alta, consiguiendo de esta manera una capacidad de transferencia de potencia superior y escalable para una red de transmision de potencia conectada a tierra. Permitir tensiones de transmision mas altas proporciona tambien

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instalaciones situadas mas lejos de la tierra con buenos resultados de transmision de potencia. La transformacion de potencia maxima se puede realizar ya sea en la estacion de consolidacion o en uno o mas transformadores de potencia instalados sobre una alfombra de lodo en el fondo del oceano.

Dependiendo de otras variables, puede ser tambien una necesidad un dispositivo smcrono en tierra (tal como un motor smcrono de gran tamano o un controlador electronico de velocidad variable de gran tamano) utilizado para estabilizar la red electrica cuando la generacion por corriente oceanica en alta mar es significativamente mayor que la red de generacion en tierra.

Para longitudes significativas en el mar, es posible tener una conexion de transmision de potencia de alta tension CC que va desde la estructura de consolidacion en toda la trayectoria de vuelta a la playa. La alimentacion de CA necesaria para las unidades de generacion individuales se puede generar a partir de la tension CC a CA trifasica para alimentar los generadores de induccion. En la playa (o cerca de la playa, o incluso despues), la CC se conecta a la red electrica o red inteligente como una interconexion de potencia de cC convencional.

Como se muestra en la Figura 11, en lugares mas profundos del oceano, un SPAR no tiene por que soportarse por esqrns de flotacion, y por lo tanto puede servir como un centro de consolidacion util para conectar y desconectar de forma escalable una pluralidad de unidades de generacion de energfa individuales. Como se muestra, un SPAR sumergido aproximadamente a 200-500 pies (60,96- 152,4 m) se puede amarrar permanentemente al fondo del mar utilizando un medio de amarre fuerte y seguro, tal como una cuerda gruesa de polipropileno. Si la cuerda de polipropileno se enrolla primero en una direccion y luego se cubre con una segunda cuerda enrollada en la direccion opuesta, la lmea combinada, alternativamente enrollada sera muy fuerte, y resistira la torsion y anudado.

Al reconocer que el peso de los cables de acero afecta a los aspectos de diseno con respecto a flotacion del centro de consolidacion, tambien es posible integrar una lmea de amarre de cables de acero trenzados con un cable de potencia incluido 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 potencia independiente viaja desde el SPAR hasta un transformador o caja de transmision instalada en la parte inferior del fondo del mar, y luego viaja bajo el fondo del mar hacia su destino final.

Otro enfoque es tirar el cable de potencia a traves de un vacrn interior de una cuerda de polipropileno u otra lmea de amarre, por lo que solo hay una sola lmea que se extiende desde el SPAR, y el cable de potencia queda protegido contra los danos por la lmea de amarre.

Haciendo referencia a continuacion a un sistema de generacion de energfa de tipo de induccion de una sola estacion, mas potente (por ejemplo, una realizacion que utiliza helices de 40 pies (12,19 m) y mas grandes), la Figura 12 es una vista lateral de un sistema de generacion de energfa de diseno con volteo cuatro unidades en el que una pluralidad de generadores de induccion montados en la parte frontal se disponen en un bastidor establecido por esqrns de flotacion con miembros de conexion.

Al menos cuatro helices de 40 pies (12,19 m) y mas grandes (dependiendo de la corriente), junto con las unidades de generacion asociadas, se disponen en comunicacion mecanica con un eje giratorio o similar y se pueden hacer girar, ya sea mecanica o mediante el uso de un sistema de control logico dispuesto en comunicacion con un sistema de control neumatico o hidraulico, para convertirse esencialmente en turbinas axiales horizontales superior e inferior; a continuacion, utilizando el sistema de lastre, la estructura puede flotar a la superficie para acceder de forma segura y eficaz a las vainas de generacion para su mantenimiento y reparacion.

La Figura 13 es una vista superior de la misma estructura, que muestra como expandir las capacidades del sistema en un diseno 6 u 8 helices, o incluso mas.

La Figura 14 representa una vista frontal del sistema de helice y de generacion de energfa de diseno con volteo de cuatro unidades, que muestra las helices en un plano vertical, mientras que se les presta servicio y conectadas a una lmea de amarre de tipo Y para su estabilidad. En algunas realizaciones, a medida que mas helices se anaden al sistema, una barra de separacion u otro aparato similar se utiliza para impartir estabilidad adicional.

En la Figura 15, el sistema de helice y de generacion de energfa de diseno con volteo de cuatro unidades se muestra en reposo, mostrandose ahora como se voltea en una configuracion util para su transporte, instalacion y mantenimiento. En una realizacion, las vainas de generador se fijan a la estructura del sistema de tal manera que pueden girar aproximadamente noventa grados o mas alrededor de un eje dispuesto en comunicacion con el bastidor. Este giro se puede realizar de forma manual, o utilizando un sistema de control logico para hacer girar las vainas sobre el eje con un medio de giro asociado tal como un medio de giro de neumatico o un medio de giro hidraulico.

En otra realizacion, los lastres se manipulan dentro de los esqrns de flotacion por lo que las vainas de generacion y las helices se voltean hacia arriba, como sena necesario para el remolque controlado cuando la estructura se esta llevando al campo, o cuando el mantenimiento de las helices, generadores, engranajes, etc., es necesario. Por lo tanto, cuando las vainas de generacion y las helices estan en su mayona o totalmente por encima del nivel de la

superficie, las helices no causan inestabilidad a toda la estructura debido a la resistencia del viento, etc.

Si bien otros aspectos adicionales de la invencion, que en la practica actual comprenden normalmente dispositivos asociados con la produccion de energfa bajo el agua por lo general (por ejemplo, fuentes de alimentacion auxiliares, sistemas de control de fibra optica y de comunicacion, vehfculos operados a distancia auxiliares para prestar servicio 5 a la estacion de potencia, etc.), estan sin duda contemplados como perifericos para su uso en el despliegue, posicionamiento, control y operacion del sistema, no se considera necesario describirtodos estos elementos en gran detalle ni tampoco otros sistemas y subsistemas que seran naturalmente evidentes para los expertos normales en la materia pertinente.

Si bien la presente invencion se ha representado y descrito en detalle anteriormente con respecto a diversas 10 realizaciones ejemplares, los expertos en la materia apreciaran tambien que cambios menores en la descripcion, y otras diversas modificaciones, omisiones y adiciones se pueden hacer tambien sin apartarse del alcance de las reivindicaciones.

Claims (7)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un procedimiento de instalacion y mantenimiento de un sistema (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa por corriente de agua sumergido, comprendiendo dicho procedimiento:

   a. disponer una o mas unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generacion de energfa de tipo induccion sumergidas equipadas con helices (105, 206,407, 501) capaces de girar alrededor de ejes de accionamiento en respuesta a las corrientes de agua en comunicacion con una o mas camaras de flotacion sumergidas; y

   b. hacer flotar dicho sistema (101, 201, 401, 801) de generacion de energfa por corriente de agua a la superficie abriendo las camaras de flotacion presurizadas con gas y evacuando el fluido del tubo o tubos de lastre,

   caracterizado porque el procedimiento comprende ademas:

   c. hacer girar dichas unidades de generacion de energfa para que las helices (105, 206, 407, 501) se dispongan aproximadamente paralelas a la superficie del agua; y

   d. manipular los lastres dentro de los esqrns de flotacion de modo que las unidades de generacion y dichas helices (105, 206 407, 501) giren hacia arriba.
2. 2. El procedimiento de instalacion y mantenimiento de un sistema de generacion de energfa por corriente de agua sumergido de la reivindicacion 1, en el que dicho giro de dichas unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generacion de energfa comprende ademas controlar dicho giro mediante un sistema de control logico dispuesto en comunicacion con uno medio de control de giro neumatico.
3. 3. El procedimiento de instalacion y mantenimiento de un sistema de generacion de energfa por corriente de agua sumergido de la reivindicacion 1, en el que dicho giro de dichas unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generacion de energfa comprende ademas controlar dicho giro utilizando un sistema de control logico dispuesto en comunicacion con un medio de control de giro hidraulico.
4. 4. El procedimiento de la reivindicacion 1, que comprende ademas instalar dicho sistema de generacion de energfa por corriente de agua sumergido remolcando el sistema hasta su lugar con una o mas estachas de remolque.
5. 5. El procedimiento de la reivindicacion 1, que comprende ademas elevar dichas helices fuera del agua para su mantenimiento.
6. 6. El procedimiento de la reivindicacion 1, que comprende ademas elevar dichas helices y dichas unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generacion de energfa de tipo induccion fuera del agua para su mantenimiento.
7. 7. El procedimiento de una de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende ademas la etapa de estabilizar con respecto al viento, corriente u otras condiciones climatologicas una vez que se encuentra al nivel de la superficie, por medio de conos nariz centrales boyantes, cuando dichas unidades (104, 204, 205, 405, 406) de generacion de energfa se encuentran todavfa en el agua.