ES3013313T3 - Apparatus and method for extracting energy from a fluid - Google Patents

Abstract

Se describe un aparato y un método para extraer energía de un fluido de trabajo oscilante, como las olas del océano. El aparato (10) comprende un conducto de flujo interno (40) para el fluido de trabajo, una turbina (44) y un dispositivo de control de flujo (38). Tanto la turbina (44) como el dispositivo de control de flujo (38) están en comunicación fluida directa con el conducto de flujo (40). Durante su uso, el dispositivo de control de flujo (38) puede moverse selectivamente entre una primera configuración, en la que el dispositivo de control de flujo (38) está abierto para permitir la salida del fluido de trabajo, como aire, del conducto de flujo (40), y una segunda configuración, en la que el dispositivo de control de flujo (38) restringe el flujo del fluido de trabajo. En este caso, el fluido de trabajo debe entrar en el conducto de flujo (40) a través de la turbina (44), que puede aprovecharse para generar electricidad. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato y método para extraer energía desde un fluido

Campo técnico

Esta invención se refiere en general a la generación de energía y más particularmente, pero no exclusivamente, a la generación de energía utilizando sistemas de extracción de energía de las olas del océano. La invención se refiere al diseño del aparato así como a métodos para optimizar la captura de energía desde dicho aparato.

Antecedentes de la invención

Se han propuesto en la técnica numerosos tipos de sistemas de generación de potencia undimotriz. Dichos sistemas se basan en el principio de utilizar el movimiento de las olas para provocar un movimiento giratorio de una turbina que impulsa un generador para producir electricidad. Los sistemas conocidos de generación de potencia undimotriz emplean uno o más ductos de flujo de fluido para contener columnas de agua oscilantes (OWC) conectadas a una turbina. En dichos sistemas con frecuencia se presentan condiciones de flujo de aire inverso ocasionadas por el desplazamiento del aire en un ducto, como resultado del movimiento oscilatorio de las olas en la OWC causado por flujos de olas entrantes y salientes. Estas turbinas a menudo tienen la desventaja de que son complejas en su configuración y costosas de fabricar, y no pueden soportar las duras condiciones ambientales (agua salada, mares altos o agitados que traen fuerzas grandes o impredecibles) durante largos períodos de tiempo. Muchos de estos sistemas anteriores operan con baja eficiencia debido a pérdidas al convertir el movimiento de la OWC en energía mecánica rotacional en las turbinas bidireccionales.

Existe la necesidad de un diseño de sistema mejorado que pueda capturar energía desde la OWC de manera eficiente, y que pueda reducir los costes de realizar dicha tarea.

El documento JPS60215907A divulga una máquina y un aparato que se protegen contra la energía excesiva de las olas al proporcionar un ducto de turbina y un ducto de circunvalación por encima de una cámara de retardo y también al proporcionar una válvula de protección para cerrar el otro ducto al abrir uno cualquiera de ambos ductos. Se forma una cámara de comunicación de aire encima de una cámara de retardo proporcionada delante de un cajón, y se proporciona un ducto de turbina conectado a la cámara. En el ducto se instalan una turbina y un generador de potencia y, un ducto de circunvalación que conduce el aire libre está conectado al ducto en forma ramificada. Cuando se abre uno cualquiera de los ductos, el otro ducto se cierra mediante una válvula de protección proporcionada. De esta manera, se puede realizar de manera efectiva la generación de potencia y se puede proteger la turbina y el generador de potencia del exceso de energía de las olas.

El documento US2014/183122A1 divulga un módulo de rompeolas de cajón que tiene un lado de ola ascendente y un lado de ola descendente y que incorpora una columna de agua oscilante, el rompeolas de cajón comprende una base instalada en el lecho marino y una tapa adaptada para ser posicionada sobre la parte superior de dicha base, la base define una entrada de agua en el lado de ola ascendente y además define una cámara de oscilación de agua, y la tapa define una sección de rompeolas en el lado de ola ascendente, una cámara de turbina, uno o más ductos de aire conectados con dicha cámara de turbina y una cámara adicional sustancialmente sellada. El documento también enseña un rompeolas que comprende una pluralidad de dichos módulos y una tapa adecuada para uso en dichos módulos.

El documento US6935808B1 divulga aparatos rompeolas estáticos y flotantes que utilizan un panel de balanceo (o playa) para disipar la energía de las olas. Al mismo tiempo, dicho movimiento de balanceo se puede utilizar en ciertas realizaciones para generar potencia eléctrica. En general, los aparatos rompeolas utilizan un elemento flotante, tal como una cámara hueca de fondo abierto y/o un tanque de lastre para resistir la fuerza de la ola.

El documento CA2819701A1 se refiere a una turbina para extraer energía desde un fluido de trabajo oscilante. La turbina incluye una carcasa que define un pasaje de flujo para el fluido de trabajo. En la carcasa está dispuesta una unidad de conversión de energía. El medio de control de flujo se puede mover selectivamente para ocluir una porción predeterminada del pasaje de flujo de tal manera que el fluido de trabajo se dirija para actuar sobre una sección determinada de la unidad de conversión de energía.

El documento US 4741 157 A muestra un ejemplo adicional de un sistema que utiliza OWC.

Resumen

Los aspectos de la presente invención se mencionan en las reivindicaciones adjuntas.

En una primera disposición descrita, se divulgan disposiciones descritas en un aparato para extraer energía desde un fluido de trabajo oscilante, el aparato comprende un pasaje de flujo para el fluido de trabajo, una turbina y un control de flujo.

dispositivo, cada uno de la turbina y el dispositivo de control de flujo está en comunicación fluida directa con el pasaje de flujo, en el que en uso el dispositivo de control de flujo se puede mover selectivamente entre una primera configuración en la que el dispositivo de control de flujo está abierto para permitir que un flujo del fluido de trabajo salga del pasaje de flujo a través del mismo, y una segunda configuración en la que el dispositivo de control de flujo restringe un flujo del fluido de trabajo a través del mismo, de tal manera que el fluido de trabajo ingresa al pasaje de flujo a través de la turbina.

En ciertas disposiciones descritas, el dispositivo de control de flujo cambia la configuración de acceso al pasaje de flujo en respuesta a cambios en la presión y/o dirección del flujo del fluido de trabajo oscilante.

En ciertas disposiciones descritas, el dispositivo de control de flujo se puede cerrar completamente para facilitar el flujo de fluido de trabajo únicamente a través de la turbina en la segunda configuración.

En ciertas disposiciones descritas, el dispositivo de control de flujo está equipado con un mecanismo de control para controlar su movimiento entre la primera y segunda configuraciones. En una forma de esto, el dispositivo de control de flujo tiene un elemento que puede ser movido por el mecanismo de control para abrirse y cerrarse al flujo del fluido de trabajo. En formas particulares de esto, el elemento se puede mover de manera articulada, deslizable o giratoria, y tiene una conformación que cubre un pasaje de abertura de sección transversal del dispositivo de control de flujo.

En ciertas disposiciones descritas, el dispositivo de control de flujo es una válvula de mariposa o una válvula de retención.

En ciertas disposiciones descritas, la turbina incluye un rotor que comprende un cubo central y una pluralidad de álabes dispuestos alrededor y que se extiende desde la periferia del cubo, el rotor está dispuesto dentro de una carcasa conectada al pasaje de flujo, con lo que la conformación de los álabes y su orientación en relación con el cubo facilita la rotación unidireccional del rotor de la turbina en respuesta a un flujo axial unidireccional de fluido de trabajo a través de la carcasa. En una forma de esto, se configura un generador eléctrico para que gire mediante la turbina para generar energía eléctrica. En una disposición particular descrita, un árbol de transmisión está acoplado al cubo en su extremo proximal y al generador eléctrico en su extremo distal.

En ciertas disposiciones descritas, el fluido de trabajo es aire, y el flujo del aire se genera por oscilaciones de una columna de agua oscilante que está en comunicación fluida con el pasaje de flujo, y que está ubicada en un ducto.

En ciertas disposiciones descritas, el ducto comprende: (a) una primera porción dispuesta en uso para estar sustancialmente sumergida por debajo del nivel medio de la superficie (MSL) de un cuerpo de agua en el que está ubicada, la primera porción tiene una abertura dispuesta para recibir una ola entrante desde el cuerpo de agua, y (b) una segunda porción que depende de la primera porción y que está dispuesta en uso para extenderse por encima del MSL, la segunda porción para recibir agua desde la ola entrante después de que fluye a través de la primera porción, en la que el pasaje de flujo está definido por una región de la segunda porción que se extiende por encima de un nivel máximo de agua recibida desde la ola entrante después de que fluye a través de la primera porción.

En una forma de esto, la primera y segunda porciones del ducto están unidas a través de un segmento de control de dirección de flujo intermedio entre la primera y segunda porciones, el segmento de control de dirección de flujo está definido por una porción inclinada plana dispuesta en la unión de y que se extiende entre la primera y segunda porciones.

En una disposición particular descrita, la primera y segunda porciones del ducto son generalmente conductos alargados, la primera porción tiene un área de sección transversal mayor que el área de sección transversal de la segunda porción. En una forma de esto, el área de la sección transversal en la abertura de la primera porción es de un área de sección transversal mayor que el resto de la primera porción, y el conducto se reduce en forma cónica en el área de la sección transversal cuando se mueve en una dirección desde una región de boca de entrada exterior en la abertura hacia la segunda porción, de tal manera que acelera el flujo de olas entrantes desde el cuerpo de agua hacia el ducto. En una disposición particular descrita, la región de boca de entrada exterior de la primera porción está dispuesta en uso para extenderse por encima del MSL de un cuerpo de agua en el que está ubicada, de tal manera que acelera un mayor flujo de olas entrantes desde el cuerpo de agua hacia el ducto.

En ciertas disposiciones descritas, el ducto se puede operar para descansar sobre el fondo del cuerpo de agua en el que está dispuesto.

En una segunda disposición descrita, se divulgan disposiciones descritas de un sistema de extracción de energía de las olas, el sistema incluye:

(a) al menos un ducto para recibir una columna de agua oscilante, el ducto comprende: (i) una primera porción dispuesta en uso para estar sustancialmente sumergida por debajo del nivel medio de la superficie (MSL) de un cuerpo de agua en el que está ubicada, la primera porción tiene una abertura dispuesta para recibir una ola entrante desde el cuerpo de agua, y (ii) una segunda porción que depende de la primera porción y que está dispuesta en uso para extenderse por encima del MSL, la segunda porción para recibir agua desde la ola entrante después de que fluye a través de la primera porción, de tal manera que en uso se establece una columna de agua oscilante dentro del ducto como resultado del movimiento repetido de agua dentro y fuera del ducto, el flujo de agua fuera del ducto también es a través de la abertura, pero en una dirección opuesta a la dirección de la ola entrante;

(b) una turbina de aire giratoria que está en comunicación fluida directa con un pasaje de flujo ubicado dentro de la segunda porción del ducto; y

(c) al menos un dispositivo de control de flujo que también está en comunicación fluida directa con dicho pasaje de flujo, el dispositivo de control de flujo está dispuesto en uso para moverse entre una primera configuración en la que el dispositivo está abierto, lo que permite que un flujo de aire desplazado salga del pasaje de flujo cuando la columna de agua oscilante es recibida en la segunda porción del ducto, y luego a una segunda configuración en la que el dispositivo restringe el flujo de aire hacia la segunda porción, con lo cual, a medida que la columna de agua oscilante fluye fuera del ducto en dicha dirección opuesta, un flujo de aire es arrastrado de regreso hacia el pasaje de flujo a través de la turbina de aire giratoria.

En ciertas disposiciones descritas, el dispositivo de control de flujo cambia la configuración de acceso a la segunda porción en respuesta a cambios en la presión y/o dirección del flujo del fluido de trabajo oscilante.

En ciertas disposiciones descritas, el sistema incluye además un generador eléctrico configurado para rotación por la turbina para generar energía eléctrica. En una forma de esto, la turbina incluye un rotor que comprende un cubo central y una pluralidad de álabes dispuestos alrededor y extendiéndose desde la periferia del cubo, el rotor dispuesto dentro de un pasaje de flujo conectado a la segunda porción, con lo que la conformación de los álabes y su orientación en relación con el cubo facilita la rotación unidireccional del rotor de la turbina en respuesta al flujo de aire axial a través del pasaje de flujo hacia la segunda porción. En una forma particular de esto, un árbol de transmisión está acoplado al cubo en su extremo proximal y al generador eléctrico en su extremo distal.

En ciertas disposiciones descritas, la frecuencia de la columna de agua oscilante en uso se puede variar al cambiar el área de la sección transversal del(los) dispositivo(s) de control de flujo como una proporción del área de superficie de la segunda porción que se extiende por encima del MSL, mediante el movimiento selectivo de uno o más del(los) dispositivo(s) de control de flujo entre la primera y segunda configuraciones. En una forma de esto, el área de la sección transversal del(los) dispositivo(s) de control de flujo como proporción del área de superficie de la segunda porción que se extiende por encima del MSL, se dispone para que sea menor al 15 por ciento. En una forma particular de esto, dicha proporción se dispone para que sea menor que el 10 por ciento.

En ciertas disposiciones descritas, el sistema de la segunda disposición descrita incluye el aparato como se define en la primera disposición descrita.

En una tercera disposición descrita, se divulgan disposiciones descritas de un método para controlar la frecuencia de movimiento del agua en una columna de agua oscilante para que corresponda sustancialmente con la frecuencia de una ola entrante y saliente de un cuerpo de agua que está en comunicación fluida con la columna, el método comprende las etapas de:

(a) disponer un ducto para recibir la columna de agua oscilante, el ducto comprende: (i) una primera porción dispuesta en uso para estar sustancialmente sumergida por debajo del nivel medio de la superficie (MSL) del cuerpo de agua en el que se ubica, la primera porción tiene una abertura dispuesta para recibir la ola entrante desde el cuerpo de agua, y (ii) una segunda porción que depende de la primera porción y que está dispuesta en uso para extenderse por encima del MSL, la segunda porción recibe agua desde la ola entrante después de que fluye a través de la primera porción, de tal manera que la columna de agua oscilante se establece en uso dentro del ducto como resultado del movimiento repetido de agua dentro y fuera del ducto, el flujo de agua fuera del ducto también es a través de la abertura, pero en una dirección opuesta a la dirección de la ola entrante; y

(b) cambiar la configuración de al menos un dispositivo de control de flujo que está en comunicación fluida directa con un pasaje de flujo en un interior de la segunda porción del ducto que se extiende por encima del MSL, dicho(s) dispositivo(s) dispuesto(s) en uso para moverse entre una primera configuración en la que el dispositivo está abierto, permitiendo que un flujo de aire desplazado salga del pasaje de flujo en la segunda porción cuando la columna de agua oscilante está siendo recibida en el ducto, y una segunda configuración en la que el dispositivo restringe el aire que fluye a través del mismo hacia el pasaje de flujo en la segunda porción; de tal manera que la frecuencia de la columna de agua oscilante que fluye dentro y fuera del ducto corresponde sustancialmente a la frecuencia de la ola entrante y saliente del cuerpo de agua.

En ciertas disposiciones descritas, el método comprende además la etapa de ajustar continuamente la configuración de al menos un dispositivo(s) de control de flujo en respuesta a cambios en la frecuencia de la ola entrante y saliente, por medio de un mecanismo de control. En una forma de esto, en uso, el mecanismo de control mueve selectivamente uno o más del(los) dispositivo(s) de control de flujo entre la primera y segunda configuraciones.

En ciertas disposiciones descritas, el ducto, el dispositivo de control de flujo y el mecanismo de control de la tercera disposición descrita son como se definen en la primera disposición descrita.

En una cuarta disposición descrita, se divulgan disposiciones descritas de un ducto para recibir una columna de agua oscilante, el ducto comprende: (a) una primera porción dispuesta en uso para estar sustancialmente sumergida por debajo del nivel medio de la superficie (MSL) del cuerpo de agua en el que se ubica, la primera porción comprende un conducto que tiene una abertura dispuesta para recibir la ola entrante desde el cuerpo de agua, y (b) una segunda porción que comprende un conducto adicional que depende de la primera porción y que está dispuesta en uso para extenderse por encima del MSL, la segunda porción para recibir agua desde la ola entrante después de que fluye a través de la primera porción, en la que una boca de entrada en la abertura de la primera porción está dispuesta en uso para extenderse parcialmente por encima del MSL de un cuerpo de agua en el que se ubica, de tal manera que acelera un mayor flujo de olas entrantes desde el cuerpo de agua hacia el ducto.

En ciertas disposiciones descritas, la primera porción tiene un área de sección transversal mayor en la abertura que el resto de la primera porción, el conducto se reduce en doma cónica en el área de sección transversal cuando se mueve en una dirección desde la boca de entrada en la abertura hacia la segunda porción, de tal manera que acelera el flujo de olas entrantes desde el cuerpo de agua hacia el ducto. En una forma de esto, la región más superior y más externa en uso de la boca de entrada de la primera porción está dispuesta en uso para extenderse parcialmente por encima del MSL del cuerpo de agua. En una forma particular, una superficie más superior de la primera porción se inclina hacia abajo cuando se mueve en una dirección desde la boca de entrada en la abertura hacia la segunda porción.

En ciertas disposiciones descritas, el ducto de la cuarta disposición descrita de otro modo es como se define en la primera disposición descrita.

En una quinta disposición descrita, se divulgan las disposiciones descritas de un aparato para extraer energía desde un fluido de trabajo oscilante, el aparato incluye: una carcasa que define un pasaje de flujo para el fluido de trabajo; una unidad de conversión de energía dispuesta en la carcasa, en comunicación fluida con el fluido de trabajo en el pasaje de flujo en uso; y un medio de control de flujo que está en comunicación fluida con el pasaje de flujo, en uso para cambiar selectivamente la configuración del pasaje de flujo entre una configuración activa en la que el fluido de trabajo actúa sobre la unidad de conversión de energía, y una configuración de derivación en la que el fluido de trabajo pasa por alto la unidad de conversión de energía.

De acuerdo con la presente invención, en uso el medio de control de flujo y la unidad de conversión de energía están configurados para operar secuencialmente de tal manera que un flujo de fluido de trabajo sale del pasaje de flujo a través del medio de control de flujo, y un flujo de fluido de trabajo ingresa al pasaje de flujo a través de la unidad de conversión de energía.

En ciertas disposiciones descritas, la carcasa está dispuesta para contener una columna de agua oscilante ubicada adyacente al mar, y la dirección del fluido de trabajo que actúa sobre la unidad de conversión de energía está asociada con la caída de una ola que pasa.

En ciertas disposiciones descritas, la unidad de conversión de energía incluye un rotor de turbina.

En ciertas disposiciones descritas, el aparato de la quinta disposición descrita de otro modo es como se define en la primera disposición descrita.

En una sexta disposición descrita, se divulgan disposiciones descritas de un método para extraer energía desde un fluido de trabajo oscilante, el método incluye las etapas de:

(i) posicionar una carcasa al menos parcialmente en un cuerpo de agua que tiene olas, la carcasa define un pasaje de flujo para recibir el fluido de trabajo oscilante;

(ii) disponer una unidad de conversión de energía para que esté en comunicación fluida con el fluido de trabajo oscilante; y

(iii) proporcionar medios de control de flujo para cambiar selectivamente la configuración del pasaje de flujo entre una configuración activa de tal manera que el fluido de trabajo actúe sobre

la unidad de conversión de energía cuando fluye en una primera dirección predeterminada, y una configuración de derivación en la que el fluido de trabajo pasa por alto la unidad de conversión de energía cuando fluye en una segunda dirección.

En ciertas disposiciones descritas, el método de la sexta disposición descrita es, de otro modo, como se define en la tercera disposición descrita.

En una séptima disposición descrita, se divulgan disposiciones descritas de un método para ubicar un dispositivo de captura de energía de columna de olas oscilantes en una ubicación en alta mar en un cuerpo de agua, el método incluye las etapas de:

(i) ubicar el dispositivo sobre una plataforma flotante sumergible de forma operable, el dispositivo en sí mismo está equipado con ayudas de flotación;

(ii) hacer que dicha plataforma y el dispositivo floten sobre el cuerpo de agua;

(iii) mover dicha plataforma y dispositivo a una ubicación predeterminada en el cuerpo de agua;

(iv) hacer que la plataforma quede sumergida y, por lo tanto, se separe del dispositivo, dejando de esta manera al dispositivo flotando en el cuerpo de agua por medio de sus ayudas de flotación; y luego

(v) retirar las ayudas de flotación de tal manera que el dispositivo se pueda sumergir parcialmente y descansar sobre el fondo del cuerpo de agua en la ubicación predeterminada para uso operativo previsto.

En ciertas disposiciones descritas, el dispositivo de captura de energía de otra manera es como se define en la primera o quinta disposiciones descritas.

En este Resumen y en toda la especificación, la abreviatura MSL se utiliza para “nivel medio de la superficie” o “nivel medio del mar”, y se define como el punto medio entre una marea baja media y una marea alta media en un cuerpo de agua en una ubicación particular. Por lo tanto, MSL significa un nivel promedio de la superficie de un cuerpo de agua particular y, por lo tanto, también representa un punto de referencia de profundidad vertical desde el cual se pueden medir las variaciones en las crestas o valles de las olas.

Los aspectos, características y ventajas de esta invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada cuando se toma junto con los dibujos adjuntos, que son parte de esta divulgación y que ilustran, a modo de ejemplo, principios de cualesquier invenciones divulgadas.

Descripción de las figuras

Los dibujos acompañantes facilitan la comprensión de las distintas realizaciones que se describirán:

La Figura 1 es una vista esquemática, en perspectiva frontal, de un aparato para extraer energía desde un fluido oscilante, tal como una ola de un cuerpo de agua, de acuerdo con una primera realización de la presente invención;

La Figura 2 es una vista esquemática en perspectiva posterior del aparato de acuerdo con la Figura 1;

La Figura 3A es una vista en elevación lateral, en sección transversal parcial, esquemática del aparato de acuerdo con la Figura 1, cuando se observa a lo largo de un plano seccional A-A que es ortogonal al MSL, y en el momento del inicio de una ola que se mueve hacia el aparato;

La Figura 3B es una vista en elevación lateral, en sección transversal parcial, esquemática del aparato de acuerdo con la Figura 1, cuando se observa a lo largo de un plano seccional A-A que es ortogonal al MSL, y en el momento en que una ola se mueve a través del aparato y el gas se desplaza y fluye fuera del(los) dispositivo(s) de control de fluido;

La Figura 3C es una vista en elevación lateral, en sección transversal parcial, esquemática del aparato de acuerdo con la Figura 1, cuando se observa a lo largo de un plano de sección A-A que es ortogonal al MSL, y en el momento en que una ola se mueve hacia atrás desde el aparato hacia el cuerpo de agua, el(los) dispositivo(s) de control de fluido está(n) cerrado(s) y el gas se aspira en un flujo a través de una turbina unidireccional, para hacer girar la turbina y generar energía eléctrica;

La Figura 4 es una vista esquemática, en perspectiva frontal, de un aparato para extraer energía desde un fluido oscilante, tal como una ola desde un cuerpo de agua, de acuerdo con una realización adicional de la presente invención;

La Figura 5 es una vista esquemática en perspectiva posterior del aparato de acuerdo con la Figura 4, que representa la región de entrada más inferior al interior de la columna de olas oscilantes y el borde perforador de olas;

La Figura 6 es una vista en elevación lateral, en sección transversal parcial, esquemática de un aparato para extraer energía desde un fluido oscilante, tal como una ola de un cuerpo de agua, de acuerdo con una realización adicional de la presente invención; el dibujo representa el momento en que una ola se mueve a través del aparato y el gas se desplaza y fluye fuera del(los) dispositivo(s) de control de fluido (foto insertada, válvulas abiertas);

La Figura 7 es una vista en elevación lateral, en sección transversal parcial, esquemática del aparato de acuerdo con la Figura 6; el dibujo representa el momento en que una ola se mueve hacia atrás desde el aparato hacia el cuerpo de agua, el(los) dispositivo(s) de control de fluido se cierra(n) y el gas se aspira en un flujo a través de una turbina unidireccional, para hacer girar la turbina y generar energía eléctrica;

La Figura 8 es una vista esquemática, en perspectiva frontal, de un aparato para extraer energía desde un fluido oscilante, tal como una ola de un cuerpo de agua, de acuerdo con una realización adicional de la presente invención; dicho aparato de recolección de energía de las olas se muestra posicionado en un muelle flotante que es sumergible. En un estado no sumergido, el muelle se puede mover al remolcarlo detrás de un buque de transporte para ubicar el aparato en el agua. El dispositivo de columna de olas oscilante está equipado con ayudas de flotación;

La Figura 9 es una vista esquemática, en perspectiva frontal del aparato para extraer energía de acuerdo con la Figura 8, dicho aparato está posicionado sobre dicho muelle flotante sumergible que se representa en posición no sumergida, y ahora se muestra al aparato y al muelle se muestran remolcados detrás de un buque naviero en forma de remolcador, en dirección hacia el destino predeterminado del aparato en el cuerpo de agua;

La Figura 10 es una vista esquemática, en perspectiva frontal, del aparato para extraer energía de acuerdo con la Figura 8, dicho aparato ahora se muestra separado del muelle flotante sumergible. Se representa el muelle que se ha bajado al agua para que el aparato (que flota por miedo de sus ayudas de flotación en forma de paneles de boyas) luego se pueda arrastrar hacia delante y separar del muelle;

La Figura 11 es una vista esquemática, en perspectiva frontal, del aparato para extraer energía de acuerdo con la Figura 8, dicho aparato ahora se muestra separado del muelle flotante sumergible, y el muelle ahora ha sido elevado nuevamente al agua y se hace flotar. El remolcador arrastra la unidad de recolección de energía de las olas hacia adelante y lejos del muelle.

La Figura 12 es una vista esquemática, en perspectiva frontal, del aparato para extraer energía de acuerdo con la Figura 8, dicho aparato ahora mostrado parcialmente sumergido mediante la remoción de algunos de los elementos del panel de boyas (ayudas de flotación) de sus paredes laterales externas. Esto se debe a que el aparato ahora se ha movido a su ubicación de uso final predeterminada en el cuerpo de agua. La unidad se asienta en su posición sobre el fondo marino de la costa.

La Figura 13 es una vista esquemática, en perspectiva frontal, del aparato para extraer energía de acuerdo con la Figura 8, dicho aparato ahora mostrado parcialmente sumergido en su posición final en el agua, que descansa sobre el fondo marino, donde capturará olas y generará energía. Se han eliminado todos los elementos del panel de boyas (ayudas de flotación) de sus lados. Se muestra el muelle flotante y los paneles de boyas mientras el remolcador los retira para uso repetido.

La Figura 14 es una vista esquemática, en perspectiva, superior frontal de un aparato para extraer energía desde un fluido oscilante, tal como una ola de un cuerpo de agua, de acuerdo con una realización adicional de la presente invención; el aparato se muestra posicionado en un cuerpo de agua circundante;

La Figura 15 es una vista esquemática, en perspectiva frontal, de un aparato de la Figura 14; el aparato se muestra posicionado en un cuerpo de agua circundante; esto muestra más detalles de la turbina encima del aparato;

La Figura 16 es un gráfico que muestra una curva de eficiencia prevista para el prototipo de turbina de aire unidireccional a gran escala que se está desarrollando, en base al aparato de la presente invención;

La Figura 17 es una representación gráfica del balance de energía encontrado para un dispositivo de columna de agua oscilante ventilada, que es el tipo de aparato de la presente invención;

La Figura 18 - A partir de los datos experimentales, un gráfico de series de tiempo de la presión de la cámara de aire a escala del modelo (gráfico superior); y en el gráfico inferior: el nivel de agua de la sonda de ola incidente adyacente (línea discontinua) y la elevación media de la superficie (línea continua);

La Figura 19 - A partir de los datos experimentales, los resultados de potencia neumática para el dispositivo de captura de energía de las olas de prueba derivados de olas regulares (237 puntos de datos); y

La Figura 20 - A partir de los datos experimentales, la eficiencia neumática del dispositivo de captura de energía de las olas de prueba derivado de olas regulares (237 puntos de datos).

Descripción detallada

Esta invención se refiere a las características de un aparato para extraer energía de un fluido de trabajo oscilante, por ejemplo, las olas del océano que entran y salen repetidamente del aparato en uso. La invención también se refiere a las características del aparato que maximizan la captura de las olas entrantes. La invención también se refiere a un método de operación y control del aparato para maximizar la cantidad de energía generada. El aparato tiene un diseño que permite una mayor generación de energía por unidad de flujo de fluido que las técnicas conocidas en este campo.

Con referencia a los dibujos, el aparato mostrado en las Figuras 1 y 2 comprende un ducto 10 que tiene dos porciones de brazo 12, 14, cada brazo comprende un conducto alargado que es generalmente rectangular en sección transversal y está dispuesto ortogonalmente entre sí y conectado en una configuración generalmente en conformación de L, cuando el ducto 10 se ve desde un lado. (En realizaciones adicionales, a las partes similares se les asignan números de parte similares para facilitar la referencia en esta descripción).

El primer conducto 12 del ducto 10 está dispuesto en uso para estar sustancialmente sumergido por debajo del nivel medio de la superficie (MSL) de un cuerpo de agua 16 en el que se ubica, por ejemplo para descansar sobre la base de arena y roca 18 en una costa oceánica, y orientado con su eje alargado orientado generalmente horizontalmente para estar alineado con la base de arena y roca 18.

El primer conducto 12 tiene una boca de abertura de conformación rectangular 20 que está dispuesta para recibir una ola entrante que fluye desde el cuerpo de agua, la boca 20 está orientada hacia afuera dentro del cuerpo de agua que es la fuente de las olas, por ejemplo un océano o un lago. Como se muestra en la Figura 1, el área de la sección transversal de la boca 20 es mayor en área que en cualquier punto del resto del primer conducto 12, porque el primer conducto 12 se reduce en forma cónica en área de sección transversal cuando se mueve en una dirección desde la boca de abertura 20 hacia adentro en el interior del ducto 10 y hacia el segundo conducto 14. El efecto de una reducción cónica general de este primer conducto de pared sólida 12 es acelerar el flujo de las olas entrantes desde el cuerpo de agua 16 hacia el ducto 10, por razones que se harán evidentes cuando se cree un flujo oscilante en uso.

En la realización mostrada, una parte de la pared superior 22 del primer conducto 12 está inclinada hacia abajo y forma un ángulo hacia el piso base plano 24, que descansa sobre la base de arena y roca 18, en uso. Las paredes laterales verticales 26 se extienden entre el piso de base plano 24 y la pared superior 22 del primer conducto. En la realización mostrada, la región de entrada cónica del primer conducto 12 se extiende por aproximadamente un tercio de la longitud del conducto 12, pero esta puede ser una proporción diferente en otras realizaciones. Por ejemplo, el primer conducto puede comprender una pared superior inclinada en toda su longitud, junto con un piso de base plano 24 y con paredes laterales verticales 26 que se extienden entre ellos. En otra realización, el primer conducto puede tener una pared superior y un piso base que están ambos inclinados hacia adentro uno hacia el otro a lo largo de parte de la longitud del conducto, cuando se mueven en una dirección desde la boca de abertura hacia adentro del ducto. En todavía otra realización, las paredes laterales del primer conducto también pueden estar en ángulo para reducirse de forma cónica hacia adentro, para formar un conducto con un ancho que se estrecha de tal manera que tenga un área de sección transversal que se reduzca cuando se mueva en una dirección desde la boca de abertura hacia adentro del ducto.

En la realización mostrada en los dibujos, la región más externa y superior 28 de la boca 20 del primer conducto 12 está dispuesta en uso para extenderse por encima del MSL del cuerpo de agua 16 en el que está ubicado, para formar un borde perforador de olas 30 de la boca 20. Esta característica puede ayudar a capturar y canalizar un mayor flujo de olas entrantes desde el cuerpo de agua 16 hacia el ducto 10, particularmente si el movimiento del cuerpo de agua es agitado o entrecortado.

El segundo conducto 14 del ducto 10 está dispuesto en uso para extenderse sustancialmente por encima del MSL del cuerpo de agua 16 en el que está ubicado, orientado con su eje alargado siendo generalmente perpendicular al del primer conducto 12. El segundo conducto 14 es alargado y se extiende desde el primer conducto 12, y está dispuesto para recibir agua desde la ola entrante después de que haya fluido a través del primer conducto 12. Después de que una ola entrante fluye a través del primer conducto 12 y dentro del segundo conducto 14 del ducto 10, entonces es libre de fluir de regreso fuera del segundo conducto 14, a través del primer conducto 12, y regresar al cuerpo de agua 16, estableciendo de esta manera un flujo de agua oscilante en el ducto 10 que se puede disponer para que coincida con el flujo entrante y saliente de las olas en la costa del cuerpo de agua 16. El segundo conducto 14 se extiende hasta una altura por encima de un nivel máximo de agua 32 recibida desde la ola entrante después de que fluye a través del primer conducto 12. Un volumen de gas (normalmente aire) que se ubica por encima de ese nivel máximo de agua 32, se puede desplazar hacia fuera y luego arrastrar hacia dentro de la región más superior del segundo conducto 14 como se describirá en breve.

Para facilitar el flujo de agua oscilante, las dimensiones del interior del ducto 10 en la superficie de transición donde se unen los conductos 12, 14, son las mismas. El primer 12 y segundo 14 conductos también tienen un segmento de control de dirección de flujo en forma de una porción inclinada plana 34 dispuesta en la unión de los dos conductos 12, 14, que facilita que el flujo de agua entrante pueda girar desde una orientación de flujo axial horizontal hasta una orientación de flujo axial vertical dentro del ducto 10, y posteriormente de un flujo axial vertical a una orientación de flujo axial horizontal cuando el agua oscila en la dirección inversa y fluye hacia afuera desde el ducto 10 hacia el cuerpo de agua 16. Si el área de la sección transversal del primer conducto 12 se vuelve más estrecha a medida que el fluido avanza dentro del ducto 10, la velocidad del fluido aumentará, lo que a su vez puede impulsar la columna de fluido formada dentro del ducto 10 a oscilar más rápidamente.

En la región más superior 36 del segundo conducto 14, y por encima del nivel máximo de agua 32 como se recibe de la ola entrante, hay un volumen desplazable de aire que puede salir de la región más superior 36 a través de una serie de dispositivos de control de flujo en forma de válvulas de mariposa o de retención unidireccionales 38, que se pueden abrir automáticamente o estar dispuestas para oscilar o moverse para abrirse. La región más superior 36 dentro del segundo conducto 14 (y por encima del nivel máximo de agua 32) define un pasaje de flujo 40, que también está en comunicación fluida con una turbina unidireccional 44. En las realizaciones mostradas en el presente documento, las válvulas 38 y la turbina 44 están en comunicación fluida directa con el pasaje de flujo 40, lo que significa que el movimiento de aire dentro y fuera del pasaje de flujo 40 no pasa a través de una válvula antes de llegar a una turbina, o viceversa. En otras palabras, estas válvulas y turbina no están dispuestas en serie entre sí, sino que están dispuestas en una configuración operativa paralela entre sí, están posicionadas en aberturas discretas y espaciadas en las paredes de la cámara de paso de flujo 40, dentro del segundo conducto 14. Dicha disposición permite cambiar selectivamente la configuración del pasaje de flujo 40, de tal manera que el fluido de trabajo (como el aire) pueda actuar unidireccionalmente sobre una turbina, o en su lugar operar en una configuración de derivación (es decir, que pasa por alto la turbina) para fluir unidireccionalmente a través de las válvulas de descarga. En un extremo más superior del pasaje de flujo 40, estas válvulas y la turbina están por encima del alcance del nivel del agua del mar, lago u otro cuerpo de agua, como se describirá.

Con referencia ahora a la Figura 3A, se muestra el momento del inicio de una ola que se mueve hacia el ducto 10, con el borde perforador de olas 30 y el área de la sección transversal cada vez más estrecha del primer conducto 12 que sirve para guiar la ola entrante dentro del ducto 10. En la Figura 3B, la ola se mueve a través del ducto 10 en la dirección de las flechas 42, y parte del aire en el pasaje de flujo 40 en la región más superior 36 es desplazado por el agua que sube verticalmente en el ducto 10, y fluye fuera de las válvulas de mariposa o de retención unidireccional 38 y se descarga a la atmósfera. Las válvulas 38 están dispuestas para tener un movimiento ligeramente inclinado, de tal manera que el flujo de aire que sale del pasaje de flujo 40 sea suficiente para abrirlas y ofrecer un trayecto de menor resistencia fuera del ducto 10, en lugar de que una cantidad significativa de aire salga del pasaje de flujo a través de una turbina unidireccional 44.

En la Figura 3C, la ola luego se mueve hacia afuera del ducto 10 a través de la boca 20 y hacia el cuerpo de agua 16 en la dirección de las flechas 46, que es en una dirección opuesta a la dirección 42 de la ola entrante como se representa en la Figura 3B. Como resultado del flujo en la dirección de salida 46, el aire atmosférico es aspirado hacia el pasaje de flujo 40 en la región más superior 36 por una succión creada por el agua que sale. Como las válvulas de mariposa o de retención unidireccional 38 están ahora completamente cerradas, el aire sólo puede entrar a través de la turbina unidireccional 44, y este flujo de aire hace que la turbina 44 gire para generar energía eléctrica.

En algunas otras realizaciones, cuando el aire atmosférico es aspirado hacia el pasaje de flujo 40 en la región más superior 36 por una succión creada por el agua que sale, las válvulas pueden ser de un tipo, o estar dispuestas en una posición de cierre parcial, que restringe el flujo de aire a través de ellas, en lugar de estar completamente cerradas a dicho flujo de aire. Sin embargo, la mayor parte del aire que ingresa al pasaje de flujo 40 se realiza a través de la turbina unidireccional 44. De este modo, el flujo de aire que entra y sale del pasaje de flujo 40 responde a, y es generado por, las oscilaciones de una columna de agua oscilante en el ducto 10, que se establece mediante la frecuencia de flujo de ola repetida en la ubicación particular.

En todavía otras disposiciones divulgadas en el presente documento, las situaciones de flujo mostradas en las figuras 3B y 3C pueden invertirse, de tal manera que cuando la ola se mueve dentro del ducto 10, el aire en el pasaje de flujo 40 en la región más superior 38 es desplazado por el agua ascendente en el ducto 10 para fluir fuera de la turbina unidireccional 44 para ser descargado a la atmósfera. En dicha disposición, cuando la ola se mueve fuera del ducto 10 a través de la desembocadura 20 y se dirige hacia el cuerpo de agua 16, el aire atmosférico es entonces aspirado de nuevo hacia el pasaje de flujo 40 a través de las válvulas 38, que están dispuestas para abrirse más fácilmente en una dirección en el pasaje de flujo 40 que el flujo de aire que se puede lograr hacia el pasaje de flujo 40 a través de una turbina unidireccional 44. Sin embargo, el trabajo del inventor ha establecido que la eficiencia de dicha disposición es significativamente menor que la que se puede lograr en las situaciones de flujo mostradas en las Figuras 3B y 3C. Es durante la carrera descendente de succión de aire en el pasaje de flujo 40 (es decir, la caída o extracción de una ola desde la cámara de agua oscilante) que se proporciona la característica de generación de potencia máxima, y la energía producida por la rotación de la turbina 44 en esta configuración es significativamente mayor que la que se puede lograr utilizando (i) turbinas bidireccionales, o (ii) utilizando la presión de una carrera ascendente de presión de aire dentro del ducto y hacia una turbina, tal como desde una ola oceánica entrante (esta última es la más débil en términos de energía).

Con referencia a la realización mostrada en las figuras 4 y 5, se muestra un ducto 10 de apariencia algo diferente. En todos los aspectos es funcionalmente similar a la realización descrita anteriormente. Cada porción de brazo 12, 14, comprende un conducto alargado que es generalmente rectangular en sección transversal y estas porciones están dispuestas ortogonalmente entre sí y conectadas en una configuración generalmente en conformación de L.

El primer conducto 12 del ducto 10 está dispuesto en uso para estar sustancialmente sumergido por debajo del nivel superficial medio (MSL) de un cuerpo de agua, y orientado con su eje alargado orientado generalmente horizontalmente para estar alineado con la base de arena y roca 18. En la región más superior 36 del segundo conducto 14 se ubican una serie de dispositivos de control de flujo en forma de válvulas de mariposa o de retención unidireccionales 38, que se pueden abrir automáticamente o estar dispuestas para balacearse o moverse para abrirse. La región más superior 36 dentro del segundo conducto 14 (y por encima del nivel máximo de agua 32) define un pasaje de flujo 40, que también está en comunicación fluida con una turbina unidireccional 44.

Las características de diseño geométrico adoptadas por el inventor incluyen la introducción del borde frontal inclinado y el arco puntiagudo 33, mostrados en la Figura 5, para reducir las cargas de las olas en la cara frontal del ducto 10.

Con referencia a la realización mostrada en las Figuras 14 y 15, se muestra un ducto 10 de apariencia algo diferente. En todos los aspectos es funcionalmente similar a la realización descrita anteriormente. Los números de piezas similares se utilizan para ilustrar la funcionalidad.

En todavía otras realizaciones, las válvulas 38 están equipadas con un mecanismo de control para controlar sus configuraciones abiertas y cerradas. Por ejemplo, la válvula puede tener una compuerta que se puede abrir y cerrar al flujo de gas mediante un movimiento de bisagra, o mediante un movimiento deslizante o mediante un movimiento giratorio para cubrir al menos una parte del pasaje de la sección transversal de la válvula. En todavía otras realizaciones, las válvulas utilizadas se pueden configuraren cualquier otra orientación apropiada para responder a los cambios en la presión y/o dirección del flujo del aire oscilante que entra y sale del pasaje de flujo 40.

Es importante destacar que, debido a que el acceso al gas desplazable en el pasaje de flujo 40 en la región más superior 36 del segundo conducto 14 puede ser a través de una o más válvulas 38 (u otras formas de dispositivos de control de flujo) así como a través de la turbina unidireccional 44, es posible configurar el sistema para operar cada forma de acceso a la cámara de flujo por separado y secuencialmente con respecto a la otra. De esta manera, esto significa que el diseño de la turbina 44 puede ser considerablemente más simple que los diseños de columnas de agua oscilantes de la técnica anterior para la generación de potencia, muchos de los cuales se han centrado en el desarrollo de nuevos diseños de turbinas que puedan hacer frente a un flujo de aire bidireccional utilizando una turbina que gira unidireccionalmente sobre un árbol. En dichos equipos de la técnica anterior, el gas en el pasaje de flujo en la región más superior del segundo conducto es desplazado por el agua que sube verticalmente en el ducto, y fluye fuera de una turbina unidireccional y se descarga a la atmósfera, pero cuando el gas es succionado nuevamente hacia el pasaje de flujo, necesita fluir a través de la misma turbina unidireccional pero en la dirección opuesta, lo que requiere un diseño de turbina de flujo ajustable de gran complejidad.

En el presente sistema, la turbina 44 tiene un diseño básico conocido e incluye un rotor 48 que comprende un cubo central 50 ubicado en un extremo de un árbol giratorio y una pluralidad de álabes 52 dispuestos alrededor y que se extienden desde la periferia del cubo 50, el rotor 48 está dispuesto dentro de una carcasa 54 en conexión fluida con el pasaje de flujo 40. La forma de los álabes de la turbina 52 y su orientación en relación con el cubo 50 facilita la rotación unidireccional del rotor de la turbina 48 en respuesta a un flujo axial unidireccional de gas a través de la carcasa de la turbina 54.

Como es típico en turbinas de este tipo, un generador eléctrico está configurado para rotación por la turbina para generar energía eléctrica, y está conectado al extremo de un árbol de transmisión de la turbina 44, y en el otro extremo del árbol de transmisión a la ubicación del cubo 50.

El sistema descrito tiene otras ventajas de operación significativas sobre la técnica anterior conocida debido a la capacidad de ajustar la orientación de las válvulas 38 para responder a los cambios en la presión y/o dirección del flujo del aire oscilante. Por ejemplo, es posible “ajustar” la frecuencia de la columna de agua oscilante en el ducto 10 para que coincida con la frecuencia de movimiento de una ola entrante y saliente del océano al abrir o cerrar una serie de válvulas 38 ubicadas en el segundo conducto 14 en la porción que se extiende por encima del MSL. Al hacer esto, se puede ajustar la resistencia de la presión del aire en el pasaje de flujo 40 en la región más superior 36 del segundo conducto 14 que mira contra el agua ascendente en el ducto 10. Si la frecuencia de la columna de agua oscilante que fluye dentro y fuera del ducto 10 corresponde sustancialmente a la frecuencia de las olas entrantes y salientes del cuerpo de agua 16, entonces la operación del aparato de extracción de energía será más suave y más eficiente, en lugar de tener que operar en una situación en la que los flujos oscilantes en el ducto 10 están constantemente fuera de secuencia con las olas y, por lo tanto, sujetos a una turbulencia adicional y una aspiración ineficiente de aire hacia la turbina 44.

Dicho “ajuste” de la frecuencia del flujo de agua oscilante en el ducto se puede realizar de forma continua, dependiendo de las condiciones predominantes de las olas del océano, por ejemplo, al automatizar el ajuste de las aberturas de las válvulas mediante un mecanismo de control que responde a los cambios medidos en la presión de las olas entrantes y salientes. En dicha disposición, el mecanismo de control puede abrir o cerrar selectivamente (o abrir o cerrar parcialmente) una o más de las válvulas 38. Este ajuste puede cambiar el área de la sección transversal disponible de las aberturas hacia y desde el pasaje de flujo 40 en la región más superior 36 del segundo conducto 14 del ducto 10, como una proporción del área de superficie total de ese segundo conducto 14 que se ubica por encima del MSL, dicha proporción ahora definida por el inventor como una “relación de ventilación óptima”. En un ejemplo, la relación de ventilación óptima es menor que el 15 %, pero una relación de ventilación óptima menor que el 10 % también puede ser adecuada. Dependiendo de la altura media de las olas y del periodo de las mismas (el estado del mar puede ser muy tranquilo o muy agitado), puede ser necesaria una relación de ventilación óptima menor o mayor, por ejemplo tan baja como 1 %, para optimizar el tiempo que el flujo de agua oscilante pasa en el ducto 10.

En todavía un ejemplo adicional de “ajuste” de la frecuencia del flujo de agua oscilante en el ducto, si las condiciones predominantes de las olas del océano son peligrosas o salvajes, por ejemplo durante una tormenta, el mecanismo de control de abertura de la válvula se puede utilizar para cerrar y bloquear un número suficiente de válvulas 38 de tal manera que se establezca una presión de aire dentro del pasaje de flujo 40. Este “desajuste” puede actuar como una medida de seguridad al evitar que las olas más fuertes del océano lleguen hasta el ducto y, al hacerlo, posiblemente proteja las válvulas y la turbina de daños causados por tormentas.

Como se muestra en la Figura 2, la región más superior 36 del segundo conducto 14 del ducto tiene cuatro válvulas de mariposa 38 mostradas en la pared lateral vertical superior trasera 56 del ducto 10, y tres válvulas de mariposa 38 mostradas en la pared horizontal superior 58 de la región más superior 36 del segundo conducto 14. En otras realizaciones, se puede instalar más o menos de este número de válvulas 38 en el momento de la construcción inicial del ducto, dependiendo de la ubicación y la severidad esperada de las olas del océano que se encontrarán, siendo de esta manera una característica de diseño que cambia la posible relación de ventilación máxima del ducto en particular. En otras realizaciones, también se puede variar el tipo de válvula, y también es posible instalar combinaciones de diferentes tipos de válvulas en un ducto (válvulas de mariposa, de retención unidireccionales, y así sucesivamente).

Una vez que las etapas repetidas de abrir la(s) válvula(s) 38 a medida que la ola ingresa al ducto 10, seguido por el cierre de la(s) válvula(s) 38 y el aire que es aspirado hacia el segundo conducto 14 a través de la turbina 44 a medida que la ola sale del ducto 10, han alcanzado un patrón estable, la turbina 44 y el generador generarán energía eléctrica que puede ser transportada desde el ducto 10 (si está ubicado en alta mar) a la tierra (en la costa) por medio de un cable de cobre de alto voltaje aislado.

Como indicación general y no limitativa del tamaño, un ducto típico tiene una primera longitud de alrededor de 8-10 metros y un segundo conducto que se extiende de 15-18 metros por encima de la superficie de la base del cuerpo de agua o de la costa del océano en el que se ubica. La estructura del ducto normalmente está hecha de hormigón reforzado, para tener el peso y la resistencia necesarios para soportar la presión de ser golpeado repetidamente por las olas del mar, en un ambiente salado corrosivo.

El inventor ha descubierto a partir de resultados experimentales utilizando el nuevo aparato de extracción de energía que hay un aumento significativo en la captura de energía de una turbina unidireccional 44 que está configurada para operar con un flujo de aire unidireccional, en lugar de una turbina unidireccional que está configurada para operar con un flujo de aire bidireccional. Durante un período de operación equivalente, a medida que el aire se aspira a través de la turbina 44 y entra en el pasaje de flujo 40 cuando la ola sale del ducto 10 hacia el cuerpo de agua 16, la energía generada es un 16 % mejor que la que podría lograrse utilizando diseños de turbinas bidireccionales conocidos con un flujo que opere en esa misma dirección. Se considera que este resultado mejorado se debe a una combinación de la carga de presión hidrostática descendente de la columna de agua oscilante ubicada en el segundo conducto 14, además de la extracción por succión del cuerpo de agua 16, a medida que extrae agua del ducto 10. Por lo tanto, debido a que el presente sistema se puede configurar para aislar las etapas tanto de expulsión como de succión de aire en relación con el pasaje de flujo 40 utilizando diferentes dispositivos, es posible capturar energía únicamente del flujo de gas que opera en respuesta a la salida de la ola del ducto, que también es el flujo con la energía potencial más alta.

El inventor también ha descubierto a partir de resultados experimentales utilizando el nuevo aparato de extracción de energía que hay un aumento significativo en la captura de energía cuando se agrega la característica del borde perforador de olas 30 a la boca de abertura 20 del primer conducto 12. El suministro acelerado del flujo de las olas entrantes en el ducto 10 da como resultado una mejora adicional del 20%en la energía que se puede generar en comparación con los aparatos de ductos oscilantes conocidos sin dicha característica. Se considera que esta característica lleva más fluido al ducto 10, lo que a su vez provoca posteriormente que se aspire más aire hacia el pasaje de flujo 40 en el segundo conducto 14 a través de la turbina 44 a medida que la ola sale del ducto 10. El borde perforador de olas 30 de la presente invención está dispuesto de tal manera que casi siempre sea visible por encima del MSL de las olas en una ubicación particular.

Posicionar de forma segura un aparato pesado y robusto, tal como un ducto de fluido oscilante, dentro del agua, en el límite de una masa de agua, presenta numerosas dificultades. Por lo tanto, el inventor ha ideado una manera de posicionar el aparato utilizando un muelle flotante sumergible 35 (tal como un muelle seco). Se debe hacer referencia a la secuencia de las Figuras 8 a 13.

En un estado no sumergido, el muelle 35 se puede mover al remolcarlo detrás de un buque de transporte 37 para la ubicación en el agua del aparato 10. El dispositivo de columna de olas oscilante 10 está equipado con ayudas de flotación 41 para uso cuando sea necesario para su posicionamiento en el estadio final. Una vez que el ducto de fluido oscilante ensamblado está listo para su instalación, se posiciona sobre dicho muelle flotante sumergible (o se construye sobre una plataforma del mismo durante la fase de construcción). El muelle flotante no sumergido y el ducto se pueden remolcar detrás de un buque de transporte, por ejemplo un remolcador, utilizando cables largos 39, para ser movidos en una dirección hacia el destino predeterminado del aparato en el cuerpo de agua, tal como una región de límite del océano/límite del oleaje.

Una vez cerca de la ubicación final, el muelle flotante se puede sumergir y el ducto permanece a flote en el agua gracias a sus propios mecanismos de flotación. Estas ayudas de flotación pueden adoptar muchas formas, como paneles de boyas huecos, globos de gas inflables y similares. Una vez que el ducto flotante y el muelle flotante sumergido se separan uno del otro, el conducto flotante se puede remolcar por sí solo una corta distancia hasta su posición operativa final deseada, y luego se pueden quitar las ayudas de flotación o desinflarlos, etc. La unidad luego se asentará por gravedad en su posición en el fondo marino de la costa y permanecerá parcialmente sumergida en su posición final en el agua, donde capturará las olas y generará energía.

El uso del muelle sumergible proporciona grandes ventajas como la estabilidad en el manejo de un aparato de tal tamaño cuando se traslada a través del océano abierto para llegar a una costa remota para instalación final. El muelle flotante minimiza el riesgo de vuelco o hundimiento del aparato de ductos en condiciones climáticas adversas.

Sección experimental

Se presentan resultados de desempeño experimental para la presente realización de una Columna de Agua Oscilante (OWC) como Convertidor de Energía de las Olas (WEC). El principio de operación de este dispositivo utiliza válvulas de aire que se abren durante momentos de presión positiva, ventilando de esta manera la cámara de aire, y se cierran cuando la presión de la cámara de aire es negativa, aspirando de esta manera aire a través de una Toma de Fuerza (PTO) de turbina de aire unidireccional. Se presentan resultados tanto para mares regulares como irregulares.

La geometría del borde superior y de la pared frontal del prototipo son características de diseño que parecen afectar positivamente las características operativas del dispositivo. Los resultados experimentales indican que este prototipo unidireccional exhibirá una muy buena capacidad de recolección de energía en un amplio rango de frecuencias de ola.

La OWC es una gran cámara hueca de hormigón, parcialmente sumergida y asentada sobre el lecho marino y ventilada hacia el océano a través de una abertura submarina. La cámara también incluye una pequeña abertura a la atmósfera por encima de la línea de flotación, en la que se aloja una turbina de aire.

A medida que las crestas y los valles de las olas pasan por una OWC convencional, el agua entra y sale de la cámara a través de su abertura sumergida. Esta agua sube y baja dentro de la cámara, provocando que la presión del aire atrapado arriba oscile entre presión positiva y negativa. En algunas realizaciones pasadas, estas fluctuaciones de presión obligaban al aire a pasar a través de una turbina bidireccional en la parte superior de la cámara, en un intento de generar electricidad de manera estable mientras lo hacía.

La diferencia conceptual fundamental entre la OWC de la presente invención y las OWC convencionales es que la turbina solo está expuesta al flujo de aire desde una dirección. Las válvulas de flujo de aire pasivas permiten que el aire escape de la cámara pero no regrese. Esto da como resultado un diseño de turbina más simple, lo que significa que la turbina se puede optimizar para un flujo de aire unidireccional. También, la turbina presenta bajas pérdidas por fricción.

Aunque el aire se dirige a través de la turbina de aire solo durante la mitad del ciclo de las olas, casi toda la energía de todo el ciclo de las olas (restando las pérdidas turbulentas y friccionales convencionales) está disponible para su extracción. Este proceso se explica con más detalle mediante un Balance Energético, como se representa en la Figura 17.

A. Toma de fuerza de turbina de aire unidireccional

El inventor desarrolló un diseño de turbina de tipo estator más rotor convencional para extraer potencia del flujo de aire inducido por la presión neumática de la OWC. La turbina de un solo estadio opera con un flujo de aire unidireccional en un amplio rango de condiciones de caída de presión. La eficiencia prevista de la turbina frente a la presión diferencial del aire de la turbina (Ap) se presenta en la Figura 16 que fue generada con el análisis del rendimiento de la turbina de línea mediaAoleus.La eficiencia promedio ponderada de la turbina en el rango de operación típica, hasta -30 kPa (medida como el producto del torque multiplicado por la velocidad angular, dividido por la caída de presión multiplicado por el caudal volumétrico), es del 77 %, basada en una velocidad de rotación de turbina constante de 650 RPM.

B. Geometría de WSE OWC

Las características de diseño geométrico adoptadas por el inventor incluyen la introducción del borde frontal inclinado y el arco puntiagudo, que se muestra más claramente en la Figura 5. Estas mejoras geométricas se incluyeron con el objetivo de mejorar el rendimiento hidráulico y reducir las cargas de las olas en la cara frontal de la OWC.

C. Prototipo de King Island

La King Island está situada en las aguas occidentales del estrecho de Bass, aproximadamente equidistante entre Tasmania y el continente australiano. La isla, con una población de aproximadamente 1.700 habitantes, está abastecida por su propio sistema de red, compuesto por turbinas eólicas, algo de energía solar, almacenamiento de baterías y complementado con generación de potencia diésel.

El proyecto de la planta piloto en la King Island está ubicado a una profundidad media del nivel del mar de 10 metros, aproximadamente a 700 m de la costa. El nuevo diseño del dispositivo OWC para este proyecto tendrá 20 metros de ancho con una capacidad nominal de generación eléctrica máxima de 1 MW. El clima de olas para esta ubicación es mayor a 45 kW/m, lo que lo califica como uno de los mejores del mundo en cuanto a recurso energético de las olas. Se han completado los estudios batimétricos y el perfil del subsuelo del sitio propuesto, que está ubicado cerca de una conexión a la red adecuada.

Configuración experimental

Los experimentos se realizaron en la Cuenca de Prueba Modelo (MTB) del Australian Maritime College, que tiene 35 m de largo, 12 m de ancho y una capacidad de 1 m de profundidad, pero se llena hasta una profundidad de 333 mm, equivalente a 10 m de profundidad en el prototipo a escala real. La MTB está equipada con 16 paletas de generador de olas tipo pistón en un extremo y una playa pasiva en el otro. El modelo estaba situado en el centro de la MTB a 12 m del generador de olas.

El modelo a escala 1:30 fue fabricado con madera contrachapada con lados de acrílico transparente para permitir la observación visual del nivel de agua de la cámara interna. Los cuerpos de válvulas de retención pasivas impresas en 3D están colocados en la parte posterior y lateral del modelo, y una lámina de acetato está ligeramente articulada al límite superior del cuerpo, lo que permite que la válvula se abra con una presión de aire positiva mínima en la cámara. La Toma de Fuerza (PTO) se simuló utilizando una placa de orificio que exhibe una relación de presión/flujo no lineal similar a la de la turbina de un solo estadio.

La presión diferencial de la cámara de aire se monitorizó con tres transductores de presión separados (sensor Honeywell TSC de 1 psi acondicionado por un amplificador de instrumentos Ocean Controls KTA284), uno en cada lado del techo de la cámara y uno en el costado de la caja transparente superior. Se descubrió que cada sensor de presión producía valores casi idénticos (véase Figura 18, por ejemplo). La elevación de la superficie del agua de la cámara se monitorizó mediante seis sondas de olas resistivas. Las sondas de olas se conectaron al sistema de adquisición de datos a través de una caja de acondicionamiento de señales de sonda de olas HR Wallingford.

Los datos se adquirieron a una tasa de 200 Hz utilizando una tarjeta PCI de National Instruments de 16 bits (NI PCI-6254) conectada a una caja de terminales BNC. El registro de datos se activó mediante el movimiento de la paleta de olas y se registró durante 30 segundos para olas regulares y 600 segundos (equivalente a 30 minutos de escala completa) para olas irregulares.

Metodología

A. Estados del mar

En este análisis se investigaron tanto olas regulares como irregulares. Las olas irregulares equivalentes a escala real (JONSWAP) se resumen en la Tabla I. Las condiciones de olas irregulares probadas se seleccionaron en base a las que se esperaba que ocurrieran en el sitio de prueba de King Island. Se eligieron olas regulares probadas para cubrir las alturas y frecuencias de las olas irregulares. Se realizaron pruebas de calibración de olas sin el modelo WEC en la cuenca.

Tabla 1 - Olas irregulares a escala real probadas en MTB

B. Potencia neumática

La potencia neumática se calcula como

P = ApQ(1)

donde Ap es la presión diferencial de la cámara de aire yQes el caudal volumétrico de aire.

Debido a la escala del modelo seleccionada (1:30) la compresibilidad del aire se considera insignificante. El caudal de entrada de aire se calcula a partir de la presión diferencial de la cámara de aire utilizando:

dóndeCd= 0.6 es el coeficiente de descarga del orificio,Ao= 0.00111 m2 es el área de la sección transversal del orificio de restricción y pa=1.4 kgm-3 es la densidad del aire. Una calibración in situ determinó que el coeficiente eraCd= 0.691 para la entrada de aire, lo que significa queCd= 0.6 es un valor razonable y conservador para la estimación del flujo. Dado que la cámara estaba equipada con válvulas de aire, la salida de aire no contribuye a la producción de potencia y, además, no es posible predecir de manera confiable la salida de aire utilizando el diferencial de presión de aire ya queAose convierte en una variable.

C. Potencia de las olas incidentes

La potencia de las olas regulares se calcula con la teoría lineal utilizando cálculos de profundidad de agua intermedia de acuerdo con

PR = ECg(por longitud de cresta de ola) (3)

- _p g h 2

ñ

dóndeEes la densidad de energía (energía por área de superficie unitaria),Cges la celeridad del grupo de olas resuelta para la profundidad del agua intermediapw= 1000 kgm-3 es la densidad del agua,g= 9.81 ms-2 es la aceleración gravitacional,hes la altura de la ola medida desde la cresta hasta el valle. La potencia de las olas irregulares promedio es

P¡=Pw3 hm°Te(por longitud de cresta de ola) (4)

dondehm¡¡ = 4con siendo el primer momento espectral (igual a una desviación estándar del registro de ola), yTees el periodo de energía (m.i/mo) (derivado del análisis espectral).

D. Eficiencia neumática

La eficiencia neumática se define como la relación entre la potencia neumática extraída dividida por la potencia de ola equivalente en todo el ancho del dispositivo.

V p w .p ola (5)

dóndeWes el ancho del dispositivo que mira hacia el frente de la ola.

E. Escalamiento de resultados

Los resultados se escalaron a escala completa utilizando la escala de Similitud de Froude simplificada de acuerdo con la Tabla II (A = 30), se ignoran las diferencias en la densidad del agua.

Tabla II Escala de Froude

Unidad Factor

LongitudA

PresiónA

FuerzaA7'2

Tiempo A1/2

F. Balance energético

Un balance energético es una representación visual del flujo de energía desde las fuentes, hacia los depósitos temporales y, finalmente, hacia los sumideros. La Fig. 17 muestra un balance de energía para un OWC con una ruta adicional para válvulas de aire. Las líneas continuas y las flechas muestran la posible dirección del flujo de energía en el sistema. Las líneas discontinuas muestran conexiones de flujo de energía menos significativas. Para lograr una eficiencia de conversión neumática del 100 %, toda la energía debe fluir desde la ola entrante (fuente) hasta la Toma de Fuerza (sumidero).

En términos prácticos, no se puede extraer toda la energía de las olas de agua; parte de ella termina convirtiéndose en formas no útiles (pérdidas viscosas como efectos de contorno o pérdidas por turbulencia como desprendimiento de vórtices) o reflejándose o difractándose alrededor del WEC. La ruta principal del flujo de energía para cualquier tipo de OWC WEC es desde la ola entrante, hacia el movimiento de la columna de agua y luego hacia la toma de fuerza (turbina de aire) impulsada por la diferencia de presión de aire entre la cámara de aire y la atmósfera. En el caso de una OWC con una turbina de aire bidireccional, no hay válvulas de aire, por lo que la diferencia de presión impulsa la turbina durante todo el ciclo.

En el concepto en el que están presentes válvulas de aire, el nivel del agua aumenta durante la primera mitad del ciclo de conversión, lo que provoca una presión positiva en la cámara de aire. Posteriormente, el aire fluye a través de las válvulas de aire y también se almacena energía en forma de energía potencial a medida que la columna de agua se eleva. Como se define en la Ecuación (1), la potencia neumática es el producto de la presión diferencial del aire (Ap) y el caudal de aire (Q). La energía perdida a través de las válvulas de aire (y potencialmente la PTO dependiendo de la geometría de la turbina) durante esta mitad del ciclo es la integral de la potencia neumática para esa duración.

Dado que el objetivo principal es minimizar las pérdidas de conversión, se debe minimizar la potencia consumida por las válvulas. Después de la consideración física de la Ecuación (1), esto solo se puede lograr minimizando la diferencia de presión, ya que el flujo de aire no debe tener obstáculos para permitir el máximo almacenamiento de energía a medida que se eleva la columna de agua. En la práctica, esto se logra al maximizar el área de la válvula de aire y utilizar válvulas con baja contrapresión.

Para la segunda mitad del ciclo el nivel del agua comienza a descender provocando una presión negativa en la cámara de aire. Las válvulas de aire se cierran, lo que da como resultado que toda la energía de las olas entrantes más la energía almacenada en el movimiento de la columna de agua estén disponibles en la PTO, que en el caso del concepto WSE es una turbina de aire unidireccional a medida.

La Figura 18 es un gráfico de datos experimentales que muestra la relación entre la presión de la cámara de aire, el movimiento de la columna de agua de la cámara (almacenamiento) y el perfil de la superficie del agua que pasa adyacente a la columna de agua (olas incidentes). Es evidente que la presión de la cámara de aire es solo ligeramente positiva mientras el nivel del agua de la cámara (pérdida mínima de energía a través de las válvulas de aire) está aumentando y es significativamente negativa mientras el nivel del agua de la cámara está cayendo.

Resultados

En la siguiente sección se presentan los resultados del rendimiento de potencia del dispositivo en mares de proa cuando se expone a olas regulares e irregulares. Se presentan resultados extrapolados a escala real y resultados de eficiencia.

Resultados de la ola regular

La Figura 19 muestra resultados de potencia neumática de olas regulares extrapolados a escala completa. Los resultados se compilaron a partir de 237 ejecuciones independientes del generador de olas. Debido a la desviación de las alturas de ola generadas respecto de las deseadas, se aplica una corrección lineal (1(hD-hA)/hDdóndehDes la altura deseada yhA(la altura real de cresta a valle) a la que se aplicó potencia neumática. Para las alturas de ola más grandes (2.7 y 3.0 m), la salida de potencia parece algo errática, y se encontró que estaba afectada por una pérdida de presión de la cámara cuando el nivel del agua en la cámara bajó lo suficiente para una conexión atmosférica separada entre la cámara y la atmósfera más allá del borde frontal.

Para diferentes períodos de olas, se puede ver que hubo casi un nivel de producción de potencia neumática entre períodos de 8 y 12 segundos, seguido por una caída de 13-16 segundos y un aumento moderado y nivelación entre 16-18 segundos.

La Figura 20 muestra la eficiencia neumática del dispositivo que opera en olas regulares. Se observó que la eficiencia máxima se producía justo por debajo de los 8 segundos, con un valor de entre aproximadamente 1 y 1.1 (mejorando para alturas de ola más bajas). Existe un segundo pico inferior a los 12 segundos donde la eficiencia neumática es de aproximadamente 0.8 - 0.9; se sospecha que este segundo pico está asociado con el borde frontal y la geometría del arco puntiagudo. Para períodos de ola superiores a 12 segundos, la eficiencia cae rápidamente hasta estabilizarse después de 14 segundos entre 0.3 y 0.5.

La pérdida de eficiencia en el caso de olas de períodos más largos se consideró algo menos perjudicial, ya que las olas de períodos más largos también suelen contener más energía que las olas de períodos más cortos. Pero volviendo a la Figura 19, todavía hubo una reducción significativa en el rendimiento neumático para períodos de olas entre 13 y 15 segundos, algo que queda pendiente para futuras investigaciones.

Resultados de olas irregulares

Los resultados previstos de la matriz de potencia neumática a escala completa se calcularon a partir de un total de 47 registros de olas diferentes utilizando una función de datos de cuadrícula para realizar una interpolación lineal 2D. De manera similar a lo que se encontró en los resultados de las olas regulares, la producción de potencia neumática fue mejor en las olas de período más bajo, con una producción de potencia media máxima entre los períodos pico de 11 y 13 segundos (T<p>). De manera similar, la eficiencia es muy superior al 0.5 para todos losTphasta 13 segundos inclusive.

Discusión

Se sabe que la compresibilidad del aire produce un rendimiento neumático menor en mares reales en comparación con los resultados de pruebas del modelo extrapolado a escala de Froude. Otros han investigado el tema utilizando un código numérico 3D y han descubierto que la sobreestimación es del orden del 12 % para una OWC PTO convencional. Esta corrección simple se puede aplicar a las estimaciones de rendimiento al reducir los resultados extrapolados de potencia neumática de acuerdo con lo anterior. Sin embargo, también se sabe que la reducción de la eficiencia es una función del volumen comprimible del aire. Dado que el nuevo concepto OWC de esta invención hace que la elevación del agua de la cámara suba más, el volumen de aire de la cámara se reduce consecuentemente. Sin embargo, dado que el concepto implica solo rarefacción y no compresibilidad, es probable que una estimación del 12% del error de escala sea algo extrema. Además, consideramos que el coeficiente de flujo conservador de 0.6 (en lugar del 0.691 calculado) es una estimación suficientemente conservadora en este caso para compensar cualesquier problemas de escala.

La producción mejorada de potencia neumática de esta nueva tecnología (como se ilustra en las secciones anteriores), acoplada con la eficiencia de la turbina (con un promedio de 77.5 %) y una eficiencia de conversión eléctrica supuesta del 95 %, da como resultado una mejora notable en la producción en comparación con las OWC bidireccionales anteriores. Si se considera en conjunto con el clima de olas medido en el sitio de King Island, se predice que el proyecto de la planta piloto exhibirá una salida de potencia promedio de 472 kW (lo que implica un factor de capacidad del 47.2 % para la unidad pico de 1 MW). Suponiendo un funcionamiento de 8,500 horas al año, esto supondrá una producción energética anual de más de 4 GWh.

La eficiencia de ola a cable del sistema se describe coloquialmente como “potencia de salida dividida por potencia de entrada”. La 'potencia de salida' promedio del dispositivo piloto propuesto en la planta de King Island ya se ha estimado (ver arriba) en 472 kW. La 'potencia de entrada' se define como la densidad promedio de energía de las olas incidentes (kW por metro de cresta de ola) multiplicada por el ancho del dispositivo (en metros). Una evaluación detallada del clima de olas en el sitio de King Island indica una densidad promedio de energía de olas incidentes de 52.87 kW/m. Al multiplicar por el ancho del dispositivo de 20 metros se sugiere una potencia de ola promedio incidente sobre el dispositivo WSE ('potencia de entrada') de 1057 kW. Por lo tanto, la eficiencia de ola a cable del dispositivo WSE se estima en 44.6 %.

Este nivel de producción de energía, combinado con los costes esperados del ciclo de vida completo del proyecto, indica un coste nivelado de energía (LCOE) para este primer proyecto comercial único de US$0.13 por kWh. Las economías de escala inmediatas para un proyecto de múltiples unidades de 25 MW o más, que utiliza la misma tecnología, indican un LCOE de menos de U<s>$0.07 por kWh.

Conclusiones

Se han presentado detalles de una tecnología OWC que incorpora innovaciones novedosas. La tecnología aborda el problema de la rectificación del aire de una OWC para uso con una turbina de aire unidireccional eficiente. El sistema de rectificación, combinado con modificaciones geométricas a medida, se probó a escala del modelo en olas regulares e irregulares. Los resultados de rendimiento en mares irregulares arrojaron una eficiencia neumática máxima del 83 %. En olas regulares, se encontró que la eficiencia máxima de conversión neumática superó el 100 %. Esto se debió a la resonancia del dispositivo con las olas entrantes, lo que provocó una modificación del campo de olas local. Este fenómeno hace que el dispositivo absorba más energía de la que incide naturalmente sobre la cara frontal de la OWC.

El resultado neto de esta mejora en la eficiencia de conversión del nuevo concepto de disposición de OWC es una reducción proporcional en el coste de generación de energía. Para un proyecto de energía undimotriz de unidades múltiples en una ubicación con un clima undimotriz similar al de King Island, un análisis financiero riguroso sugiere un LCOE cercano a los US$0.07. Esto es excepcional para una tecnología energética en el inicio de su fase de comercialización. Los estudios de la curva de aprendizaje indican que este LCOE caerá aún más durante la próxima década.

El aparato divulgado en el presente documento tiene muchas ventajas sobre los dispositivos de generación de potencia convencionales, así como sobre las tecnologías OWC anteriores:

- Se puede operar para lograr resonancia con el campo de olas incidentes (adaptando las características de amortiguación de la turbina a la OWC);

- La dimensión de la columna/ducto se puede diseñar con una eficiencia de conversión hidrodinámica óptima de la estructura de OWC (diseño de OWC específico del sitio para el probable campo de olas incidentes);

- También se puede optimizar el rendimiento/eficiencia de la turbina para las características de presión/flujo esperadas;

- El dispositivo se puede aislar mecánicamente en condiciones de tormenta para evitar daños al cerrar las válvulas. Debido a su robusta construcción, no volará durante una tormenta;

- El rendimiento experimental del aparato de Columna de Agua Oscilante (OWC) exhibió una muy buena capacidad de recolección de energía en un amplio rango de frecuencias de olas y dio una mejora notable en la producción en comparación con las OWC bidireccionales anteriores;

- La turbina de aire unidireccional más simple y eficiente que se puede ubicar de forma segura muy por encima de la acción de las olas y protegida de los elementos por un cajón de concreto, para sobrevivir a condiciones extremas. Un dispositivo de ejemplo medirá 20 metros por 20 metros y tendrá 18 metros de alto. De estos, sólo 8 metros sobresalen por encima de la línea de flotación. Las unidades generadoras generalmente estarán ubicadas a cierta distancia de la costa, a diez metros de profundidad.

- Se prevé que se puedan utilizar parques (o conjuntos) de convertidores de energía undimotriz cerca de la costa. Al utilizar estos dispositivos como rompeolas costeros (o malecones), se proporciona tanto potencia como un puerto protegido para la comunidad local y la industria, al tiempo que se logran importantes posibilidades de ahorro y compartición de costes.

- Las únicas partes móviles de toda la tecnología son la turbina y algunas válvulas simples disponibles comercialmente, todas ellas ubicadas muy por encima de la línea de flotación. No hay partes móviles dentro o debajo del agua. Esto significa que solo es necesario realizar mantenimiento en las regiones de fácil acceso que se ubican muy por encima del océano. La operación de muchos otros dispositivos que aprovechan la energía de las olas se realiza bajo el agua, lo que los deja expuestos a los efectos corrosivos y dañinos del agua salada y dificulta su mantenimiento o reparación. La turbina y el generador se mantienen por encima de la línea de flotación, lo que significa que hay menos mantenimiento y cualquier servicio se puede llevar a cabo sin la necesidad de equipo de buceo.

- Debido a que no hay partes móviles bajo el agua, se evitan daños a la vida marina. No se puede liberar aceite ni contaminantes.

- La fiabilidad y previsibilidad de las olas del océano suponen una enorme ventaja sobre la potencia solar y eólica. Por ejemplo, muchos sitios web meteorológicos y de oleaje ya predicen con precisión las condiciones de las olas con hasta una semana de antelación, por lo que esta fuente renovable puede considerarse como potencia de base complementaria.

En la descripción anterior de ciertas realizaciones, se ha recurrido a terminología específica para mayor claridad. Sin embargo, la divulgación no pretende limitarse a los términos específicos seleccionados, y se debe entender que cada término específico incluye otros equivalentes técnicos que operan de manera similar para lograr un propósito técnico similar. Términos como “superior” e “ inferior”, “encima” y “debajo” y similares se utilizan como palabras de conveniencia para proporcionar puntos de referencia y no deben interpretarse como términos limitantes.

En esta especificación, la palabra “que comprende” se debe entender en su sentido “abierto”, es decir, en el sentido de “que incluye”, y por tanto no limitada a su sentido “cerrado”, es decir, el sentido de “que consiste únicamente en”. A las palabras correspondientes “comprender”, “comprendido” y “comprende” se les debe atribuir un significado correspondiente cuando aparecen.

La descripción anterior se proporciona en relación con varias realizaciones que pueden compartir características y rasgos comunes. Se debe entender que una o más características de cualquier realización se pueden combinar con una o más características de las otras realizaciones. Además, cualquier característica individual o combinación de características en cualquiera de las realizaciones pueden constituir realizaciones adicionales.

Además, lo anterior describe sólo algunas realizaciones de las invenciones, y se pueden realizar alteraciones, modificaciones, adiciones y/o cambios a las mismas sin apartarse del alcance de las realizaciones divulgadas, las realizaciones son ilustrativas y no restrictivas. Por ejemplo, la forma en conformación de L particular del ducto 10 que se muestra en los dibujos puede ser diferente, y los dos conductos 12, 14 no son necesariamente ortogonales entre sí. Las válvulas 38 pueden ser diferentes en tamaño, conformación y número total de las mismas. Puede haber más de una turbina 44 en cualquier conducto particular 10, y estas pueden estar alojadas y conectadas a la región más superior 36 del segundo conducto 14 por otros medios (por ejemplo, a través de tuberías). Los materiales de construcción del ducto 10, aunque normalmente están hechos de hormigón, también pueden ser de otros materiales como plástico duro o fibra de carbono, y anclarse a la base 18 en la orilla del océano. Si bien se ha hecho referencia a la generación de olas en el mar o en un océano, la generación de olas también puede ocurrir en lagos, ríos y pozas de marea, todos los cuales son adecuados para utilizar el presente método y aparato. También, las diversas realizaciones descritas anteriormente se pueden implementar junto con otras realizaciones, por ejemplo, aspectos de una realización se pueden combinar con aspectos de otra realización para realizar todavía otras realizaciones. Además, cada característica o componente independiente de cualquier conjunto dado puede constituir una realización adicional.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Aparato para extraer energía desde las olas de agua que entran y salen repetidamente del aparato, utilizando un fluido de trabajo oscilante, el aparato incluye:

- una carcasa (10) que define un pasaje de flujo (40) en su interior para el fluido de trabajo;

- una unidad de conversión de energía (44) dispuesta en la carcasa (10), en comunicación fluida con el fluido de trabajo en el pasaje de flujo (40) en uso, en el que la unidad de conversión de energía (44) es una turbina unidireccional; y

- un medio de control de flujo (38) que está en comunicación fluida con el pasaje de flujo (40), en uso para cambiar selectivamente la configuración del pasaje de flujo (40) entre:

- una configuración activa en la que el fluido de trabajo actúa sobre la unidad de conversión de energía (44), y

- una configuración de derivación en la que, en lugar de que una cantidad significativa de fluido de trabajo salga del pasaje de flujo (40) a través de cualquier turbina unidireccional, dicho fluido de trabajo pasa por alto la unidad de conversión de energía (44) a medida que sale del pasaje de flujo (40);

- en el que el medio de control de flujo (38) comprende válvulas (38) dispuestas para tener un movimiento ligeramente inclinado y en uso, los medios de control de flujo (38) y la unidad de conversión de energía (44) están configurados cada uno para operar para dar acceso al pasaje de flujo (40) por separado, y secuencialmente al otro de tal manera que un flujo de fluido de trabajo sale del pasaje de flujo (40) a través del medio de control de flujo (38), y un flujo de fluido de trabajo entra en el pasaje de flujo (40) a través de la unidad de conversión de energía (44),

en el que la turbina unidireccional (44) incluye un rotor (48) que comprende un cubo central (50) y una pluralidad de álabes (52) dispuestos alrededor y que se extiende desde la periferia del cubo central (50), el rotor (48) dispuesto dentro de una carcasa de rotor (54) conectada al pasaje de flujo (40), en el que la conformación de los álabes (52) y su orientación en relación con el cubo central (50) facilita la rotación unidireccional del rotor de la turbina (48) en respuesta a un flujo axial unidireccional de fluido de trabajo a través de la carcasa del rotor (54) en uso,

en el que la carcasa (10) incluye un ducto que está configurado en uso para ubicarse adyacente a un cuerpo de agua, con su pasaje de flujo (40) que se dispone en uso para responder a las olas entrantes y salientes de dicho cuerpo de agua para establecer una columna de agua oscilante en el mismo, en el que el flujo axial unidireccional del fluido de trabajo que actúa sobre la unidad de conversión de energía (44) está asociado con la succión creada por las olas salientes de la columna de agua oscilante que fluye fuera del ducto de la carcasa (10), y en el que el flujo unidireccional del fluido de trabajo que sale del pasaje de flujo (40) a través del medio de control de flujo (38) está asociado con la presión creada por las olas entrantes recibidas en la columna de agua oscilante en el ducto de la carcasa (10).

2. Aparato como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el medio de control de flujo (38) cambia la configuración de acceso al pasaje de flujo (40) en respuesta a cambios en la presión del fluido de trabajo oscilante.

3. Aparato como se reivindica en la reivindicación 1 o 2, en el que el medio de control de flujo (38) se puede cerrar completamente para facilitar el flujo de fluido de trabajo únicamente a través de la turbina (44) en la configuración activa.

4. Aparato como se reivindica en la reivindicación 2 o 3, en el que el medio de control de flujo (38) tiene un elemento que se puede mover para abrirse y cerrarse al flujo de fluido de trabajo, opcionalmente el elemento se puede mover de forma articulada, deslizable o giratoria, y tiene una conformación que cubre un pasaje de abertura en sección transversal del medio de control de flujo (38).

5. Aparato como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que un generador eléctrico está configurado para rotación por la turbina para generar energía eléctrica, opcionalmente un árbol de transmisión está acoplado al cubo central (50) en su extremo proximal y al generador eléctrico en su extremo distal.

6. Aparato como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que el fluido de trabajo oscilante es aire, y el flujo del aire se genera mediante oscilaciones de la columna de agua oscilante que está en comunicación fluida con el pasaje de flujo (40) ubicado en la carcasa (10).

7. Aparato como se reivindica en la reivindicación 6, en el que la carcasa (10) comprende:

a. una primera porción (12) dispuesta en uso para estar sustancialmente sumergida por debajo del nivel medio de la superficie (MSL) del cuerpo de agua en el que se ubica, la primera porción (12) tiene una abertura (20) dispuesta para recibir una ola entrante desde el cuerpo de agua, y

b. una segunda porción (14) que depende de la primera porción (12) y que está dispuesta en uso para extenderse por encima del MSL, la segunda porción (14) para recibir agua desde la ola entrante después de que fluye a través de la primera porción (12),

en el que el pasaje de flujo (40) está definido por una región de la segunda porción (14) que se extiende por encima de un nivel máximo de agua recibida desde la ola entrante después de que fluye a través de la primera porción (12).

8. Aparato como se reivindica en la reivindicación 7, en el que la primera y la segunda porciones (12, 14) del ducto son generalmente conductos alargados, la primera porción (12) tiene un área de sección transversal mayor que el área de sección transversal de la segunda porción (14).

9. Aparato como se reivindica en la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el que el área de la sección transversal en la abertura (20) de la primera porción (12) es de un área de sección transversal mayor que el resto de la primera porción (12), el conducto se reduce de forma cónica en el área de la sección transversal cuando se mueve en una dirección desde una región de boca de entrada exterior en la abertura (20) hacia la segunda porción (14), de tal manera que se acelera el flujo de olas entrantes desde el cuerpo de agua en el ducto.

10. Aparato como se reivindica en la reivindicación 9, en el que la región de boca de entrada exterior de la primera porción (12) está dispuesta en uso para extenderse por encima del MSL de un cuerpo de agua en el que está ubicada, de tal manera que captura un mayor flujo de olas entrantes desde el cuerpo de agua en el ducto.

11. Un método para extraer energía de las olas de agua que entran y salen repetidamente de un aparato, utilizando un fluido de trabajo oscilante, el método comprende las etapas de:

(i) posicionar una carcasa (10) del aparato al menos parcialmente en un cuerpo de agua que tiene olas, la carcasa (10) define un pasaje de flujo (40) en su interior para recibir el fluido de trabajo oscilante;

(ii) disponer una unidad de conversión de energía (44) del aparato para que esté en comunicación fluida con el fluido de trabajo oscilante, en el que la unidad de conversión de energía (44) es una turbina unidireccional; y

(iii) proporcionar, como parte del aparato, medios de control de flujo (38) para cambiar selectivamente la configuración del pasaje de flujo entre

- una configuración activa de tal manera que el fluido de trabajo actúe sobre la unidad de conversión de energía (44) cuando fluye en una primera dirección predeterminada, y

- una configuración de derivación en la que, en lugar de que una cantidad significativa de fluido de trabajo salga del pasaje de flujo (40) a través de cualquier turbina unidireccional, el fluido de trabajo pasa por alto la unidad de conversión de energía (44) cuando fluye en una segunda dirección,

en el que el medio de control de flujo (38) comprende válvulas (38) dispuestas para tener un movimiento ligeramente inclinado y el método comprende además operar cada uno del medio de control de flujo (38) y la unidad de conversión de energía (44) por separado y secuencialmente entre sí para dar acceso al pasaje de flujo (40), de tal manera que un flujo de fluido de trabajo sale del pasaje de flujo (40) a través del medio de control de flujo (38), y un flujo de fluido de trabajo ingresa al pasaje de flujo (40) a través de la unidad de conversión de energía (44),

en el que la turbina unidireccional (44) incluye un rotor (48) que comprende un cubo central (50) y una pluralidad de álabes (52) dispuestos alrededor y que se extienden desde la periferia del cubo central (50), el rotor (48) dispuesto dentro de una carcasa de rotor (54) conectada al pasaje de flujo (40), en el que la conformación de los álabes (52) y su orientación en relación con el cubo central (50) facilita la rotación unidireccional del rotor de la turbina (48) en respuesta a un flujo axial unidireccional de fluido de trabajo a través de la carcasa del rotor (54) en uso,

en el que la carcasa (10) incluye un ducto que está configurado en uso para ubicarse adyacente a un cuerpo de agua, con su pasaje de flujo (40) que se dispone en uso para responder a las olas entrantes y salientes de dicho cuerpo de agua para establecer una columna de agua oscilante en el mismo, en el que un flujo axial unidireccional del fluido de trabajo que actúa sobre la unidad de conversión de energía (44) está asociado con la succión creada por las olas salientes desde la columna de agua oscilante que fluye fuera del ducto de la carcasa (10), y en el que el flujo unidireccional del fluido de trabajo que sale del pasaje de flujo (40) a través del medio de control de flujo (38) está asociado con la presión creada por las olas entrantes recibidas en la columna de agua oscilante en el ducto de la carcasa (10).