MX2008016461A - Aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica. - Google Patents

Abstract

El aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica es un dispositivo que usa la energía de las olas del mar para hacer girar a una turbina de viento. El sistema consiste en un arreglo de cámaras de aire submarinas que están interconectadas y que por la acción de las olas del mar y la ayuda de un par de válvulas de paso por cada cámara de aire, el aire contenido en su interior es hecho circular unidireccionalmente a través de una turbina central. Su diseño sencillo con cero partes móviles en contacto con el agua y su carácter submarino, disminuyen su impacto sobre la vida marina y rutas marítimas. Su naturaleza modular facilita su manejo en general durante manufactura e instalación lo que lo hace atractivo en términos de costo. Algunas aplicaciones son: generación de electricidad, generación de Hidrógeno y Oxígeno, y desalinización del agua del mar.

Description

APARATO PARA TRANSFORMAR LA ENERGÍA DE LAS OLAS DEL MAR EN ENERGÍA MECÁNICA CAMPO DE LA INVENCION La presente invención, revela un aparato que usa la energía potencial de las olas del mar para hacer rotar a una turbina de viento, movimiento que posteriormente puede ser usado para generar electricidad, para bombear agua, para la producción de Hidrógeno y Oxígeno vía electrólisis, para desalinizar agua, o alguna combinación de los anteriores.

OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención, es proveer un aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica, de fácil manufactura y operación, bajo costo, cero impacto visual, buenas características de supervivencia, y mínimo riesgo de dañar a la vida marina; características que le permitirán convertirse en un producto que sea fácilmente comercializable, y que además, sea competitivo frente a otros métodos de transformación de la energía.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los convertidores de energía de las olas del mar son una tecnología relativamente nueva. En las últimas décadas se han estado investigando de manera más intensa, sin embargo, su uso es aún muy limitado debido a que su costo de producción es todavía muy alto comparado con el de otras formas de generación de energía eléctrica. Existen literalmente cientos de invenciones para transformar la energía de las olas. Entre todos éstos diferentes aparatos, merecen mención especial aquellos que se encuentran más desarrollados y más cercanos a comercializarse. Uno de los conceptos más investigados es el llamado "Columna de Agua Oscilante" (CAO), el cual consiste en una cámara de aire localizada en la superficie del océano, parcialmente sumergida, y que tiene típicamente una apertura en la parte inferior que hace contacto con la superficie del océano, y una apertura en la parte superior en donde se coloca una turbina impulsada por aire. El continuo subir y bajar del nivel de la superficie del agua en la parte inferior de la cámara de aire, crea un flujo de aire que entra y sale por la apertura superior de la cámara. Dicho flujo, hace rotar a una turbina especial diseñada para admitir un flujo de aire oscilatorio. El dispositivo puede ser colocado en la costa como es el caso de los proyectos Limpet, en el Reino Unido, y Azores, en Portugal, o puede ser puesto lejos de la costa como en el caso de los proyectos Mighty Whale, en Japón, y Energetech, en Australia. Uno de los principales inconvenientes es que éste tipo de dispositivos generan un flujo de aire, que además de oscilante es muy intermitente, características que perjudican su desempeño. Además, el flujo oscilante requiere de una turbina especial que es mucho más complicada y cara que las convencionales. En el caso de los dispositivos que necesitan estar en la costa, el número de sitios con condiciones favorables es limitado, y una vez hallados, son sitios de difícil acceso a donde no es sencillo llevar la maquinaria pesada necesaria para su construcción. Otro aparato, y quizá el que más desarrollado se encuentra en el presente, es el dispositivo llamado Pelamis. Consiste en varias secciones cilindricas articuladas que son dejadas flotar sobre la superficie del mar. Las olas al pasar, inducen movimiento relativo entre las secciones, y dicho movimiento, bombea un fluido hidráulico a través de motores que generan electricidad. Una de las grandes ventajas del Pelamis es toda la investigación que se ha desarrollado alrededor de él. Además, posee excelentes características para sobrevivir durante las tormentas. No obstante, todavía hay mucho por hacer en cuanto a su eficiencia y costo se refiere. El "Wave Dragón" (Patente Europea 95923202.6-2315, Munich, Alemania) es otra de las máquinas que se encuentran bastante desarrolladas. Éste aparato, primero concentra las olas, incrementando con esto su altura, y después las hace chocar contra una rampa por donde subirán hasta un tanque que se encuentra ligeramente por encima del nivel del mar. Una vez allí, aprovechando su energía potencial, el agua se hace pasar por unas turbinas de regreso al mar. Una de las desventajas de éste tipo de convertidor, es que por su naturaleza, sólo funciona para capacidades muy grandes de alrededor de 3MW, es decir, no se puede escalar fácilmente para cubrir necesidades pequeñas. Otro de los artefactos que llevan varios años en desarrollo es el llamado "Arquimedes Wave Swing" que consiste en dos cilindros concéntricos sumergidos y dispuestos de manera vertical sobre el suelo marino. El cilindro externo contiene una masa de aire atrapada en su interior. Cuando las olas pasan, la presión de los alrededores cambia, cambiando la presión del aire en su interior y fuerza al cilindro externo a oscilar axialmente hacia arriba y hacia abajo. El cilindro interno es fijo y sirve de eje y de soporte. Un generador lineal convierte el movimiento en electricidad. Por ser un aparato submarino, resuelve uno de los principales problemas en la industria de los convertidores de energía de las olas, que es la supervivencia del aparato durante las tormentas en el océano. Esto se debe a que la susceptibilidad a las tormentas decrece exponencialmente con la profundidad a la que se encuentra el dispositivo. Lo anterior, junto con el hecho de que el "Wave Swing" tiene sólo una parte móvil, son 2 grandes ventajas del dispositivo. Sin embargo, por ser un dispositivo tan grande, su instalación en el fondo marino ha demostrado ser muy complicada, y el hecho de tener que llevarlo a la superficie para cualquier mantenimiento es un inconveniente grande. Aún cuando los artefactos ya mencionados son los más desarrollados, ninguno puede competir en precio contra los métodos tradicionales para generar electricidad a base de combustibles fósiles. Además, a excepción de los que usan el concepto CAO, todos ellos tienen partes móviles que pudieran potencialmente dañar la vida marina, hecho que dificulta la obtención de permisos para su instalación. Ambos, son problemas que necesitan ser atendidos. Por otro lado, existen también otros inventos que, aunque no se han materializado por una o por otra causa, es importante mencionarlos ya que están relacionados con la presente invención. Los siguientes inventos elevan la presión de un fluido para crear un flujo que posteriormente hace funcionar a una turbina o a un motor. Para bombear el fluido, usan un arreglo de algún tipo de recipientes o contenedores con al menos una de sus paredes flexible. De esta manera, el recipiente es capaz de aumentar o disminuir su volumen y bombear el fluido. Un ejemplo es el dispositivo revelado por Lesster, y otros, en la U.S. Pat. No. 3,989,951 que describe un aparato que consiste en una serie de celdas neumáticas submarinas dispuestas adyacentemente cuya pared superior es flexible. El dispositivo opera usando los cambios de presión creados por el paso de las olas para inflar y desinflar las celdas neumáticas, las cuales usan el cambio de volumen para bombear aire a través de una turbina. Las celdas usan una cubierta externa de concreto para proteger el material flexible de cualquier daño. Con la ayuda de un par de válvulas de paso por cada celda, el aire se hace fluir dentro del circuito siempre en el mismo sentido. Una de las desventajas de este aparato es la necesidad de una pared extra para proteger la celda ya que esto ocasiona un incremento en los costos del sistema. Además, para evitar un flujo intermitente de aire, es necesario que cada celda bombee aire sin interrupciones y de forma secuencial. Tal efecto sólo puede lograrse teniendo un arreglo de tamaño suficiente, generalmente de más de una y media longitud de onda. Debido a que el arreglo propuesto por Lesster usa celdas adyacentes, no hay otra alternativa que construir un sistema de grandes dimensiones ya que las longitudes de onda en el océano son típicamente del orden de los 100 — 200 m. En contraste, la presente invención ocupa un arreglo espaciado de cámaras de aire que permiten que el aparato exceda el tamaño de una longitud de onda típica, logrando un flujo de aire más uniforme. Otro ejemplo de convertidores con componentes flexibles es el de Meyerand U.S. Pat. No. 4,630,440, el cual revela un artefacto que consiste en un arreglo de contenedores concéntricos que contienen agua en el espacio entre ellos. El contenedor exterior tiene una apertura hacia el exterior en donde se coloca una turbina. El contenedor interior está relleno con gas y tiene una pared flexible que se comprime y se expande conforme la ola pasa. El volumen entre los dos contenedores cambia al cambiar el volumen del gas. Así, el agua es forzada a pasar a través de la turbina hacia dentro y hacia fuera de los contenedores.

Uno de los inconvenientes de esta invención es que requiere una turbina por cada cámara, lo cual incrementa el costo total del arreglo. Además, encontrar un material que pueda cumplir los requerimientos de tener deformaciones tan grandes y al mismo tiempo sea duradero, será complicado y costoso. Semo en su U.S. Pat. No. 3,353,787 describe un aparato sumergido de tubos elongados con la pared superior flexible, la cual se mueve por la acción de las olas. Cuando la pared superior es comprimida, ésta bombea un fluido incomprensible de densidad similar a la del agua hasta un motor localizado en tierra. En esta invención es cuestionable el hecho de elevar el fluido por encima del nivel máximo de las olas hasta el lugar en donde se encuentra el motor. Por otro lado, las paredes submarinas de concreto alrededor del sistema elevarán el costo del mismo y complicarán su construcción. Las invenciones que usan paredes flexibles como es el caso de los tres inventos anteriores, no han sido exitosas debido a que los requerimientos del material son muy difíciles de satisfacer y además, son susceptibles a fallar por fatiga ya que el material es flexionado de manera continua. Afortunadamente, las paredes flexibles no son la única manera de bombear un fluido usando las olas del mar. Un ejemplo conocido de dispositivos que bombean a un fluido, es el de los dispositivos que utilizan el concepto de CAO explicado anteriormente. Otra manera es la de los sistemas que bombean aire usando un mecanismo tipo pistón. Graff en su U.S. Pat. No. 4,001,597 muestra un aparato que consiste en una serie de unidades de bisagras gigantes las cuales son presionadas hacia abajo con el paso de las olas. Dicho movimiento presiona un cilindro que bombea al fluido en su interior. Meano en su U.S. Pat. No. 6,800,954 presenta un aparato que usa un pistón que sube y baja por la acción de las olas del mar, y que con dicho desplazamiento, bombea aire desde la atmósfera hacia una cámara de presión. A diferencia de todos ellos, la presente invención, usa un mecanismo submarino con cero partes móviles, en contacto con el agua, para bombear el aire. Actualmente, los convertidores de energía de las olas del mar no son competitivos en aplicaciones como generación de energía eléctrica debido a que el costo asociado con ellos, está todavía muy por encima del costo asociado a producir una cantidad equivalente de electricidad utilizando un generador impulsado por combustibles fósiles. Para fin de que los convertidores de energía de olas del mar sean competitivos en el mercado, no es suficiente con que sean una fuente de energía renovable, lo que se necesita para que su uso se expanda, es que los costos de ésta tecnología se abaraten. Sólo entonces, será posible disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es una vista trimétrica del aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica, que muestra una posible configuración de cómo luciría un aparato con 6 cámaras de aire. La Figura 2 es una vista trimétrica explotada del aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica. La Figura 3 es un corte transversal de la cámara de aire en la que se ejemplifica el principio que usa la presente invención para bombear el aire hacia fuera de la cámara de aire.

La Figura 4 es un corte transversal de la cámara de aire en la que se ejemplifica el principio que usa la presente invención para bombear el aire hacia el interior de la cámara de aire. La Figura 5 es una vista superior del aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica que está dividida en diferentes zonas según el oleaje en un instante dado y cuyo fin es mostrar el principio que la presente invención usa para tener un flujo más uniforme. La Figura 6 es una vista frontal del aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica que divide a una ola de mar en zonas con el fin de señalar qué parte de la ola, asumiendo que se desplaza en la dirección mostrada por la flecha, es utilizada por las cámaras de aire para crear el flujo de suministro y qué parte es utilizada para crear el flujo de retorno.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica objeto de la presente invención, es un dispositivo que usa la energía de las olas del mar para hacer girar a una turbina de viento (7). Está compuesto de un arreglo de cámaras de aire (1) submarinas, conectadas a una turbina de viento (7). Dichas cámaras de aire (1), se encuentran ancladas al fondo marino por medio de los amarres (2) y están parcialmente llenas de agua y parcialmente de aire. En la parte inferior, cada cámara de aire (1) tiene una apertura que le permite a la presión del fluido en el exterior, en éste caso el agua de mar, actuar en el interior de la cámara de aire (1). Así mismo, dicha apertura permite al agua entrar o salir libremente de la cámara de aire (1) en función de las presiones relativas entre el exterior y el interior de la cámara de aire (1) en un instante dado. Debido a que el espacio en el interior de la cámara de aire (1) es compartido por el agua y el aire, y que estos últimos se encuentran en contacto directo, las variaciones de la presión en el exterior, impactarán a las dos faces en el interior de la cámara de aire (1). Debido a que la presión en el fondo marino depende casi exclusivamente de la altura del agua medida respecto al piso, y ésta varía de acuerdo a la altura de las olas, las cámaras de aire (1) estarán sujetas a presiones diferentes dependiendo de su posición relativa con la ola. Ésta diferencia de presiones entre las diferentes cámaras de aire (1), hace posible el flujo de aire desde una cámara de aire (1) sujeta a una presión mayor, hacia otra cámara de aire (1) a menor presión. Éste es el mecanismo utilizado por la presente invención para crear el flujo de aire que hace rotar a la turbina de viento (7). Así mismo, cada una de las cámaras de aire (1) posee dos conductos, uno que transporta el aire desde el interior de la cámara de aire (1) hacia el múltiple de suministro (5), que es llamado conducto de suministro (3), y otro para llevar el aire desde el múltiple de retorno (9) hacia el interior de las cámaras de aire (1), que es llamado conducto de retorno (10). La cámara de aire (1) mantiene una posición aproximadamente vertical gracias a la acción de la fuerza de flotación del aire (13) en su interior y se mantiene enganchada al suelo por la acción de los amarres (2) que se localizan en la parte inferior de la cámara de aire (1). Conforme la cresta (12) se va aproximando sobre la cámara de aire (1), la altura de la columna de agua sobre la cámara de aire (1) aumenta, aumentando así también la presión de los alrededores, y la presión en el interior mismo de la cámara de aire (1), acción que obliga al aire (13) a desplazarse hacia otros puntos a menor presión. El desplazamiento del aire (13) fuera de la cámara de aire (1) se puede observar en el cambio del nivel de agua desde la posición (14b) hasta la posición (14a). Como la válvula de retorno (11) se cierra si el flujo se dirije hacia afuera de la cámara de aire (1), la única vía disponible para que el aire salga, es el conducto de suministro (3). La válvula de suministro (4) está abierta durante éste proceso ya que permite el flujo en dirección hacia el múltiple de suministro (5). Las válvulas de paso (4 y 11) están dispuestas en sentidos opuestos, de manera que obligan a que el flujo de aire sea unidireccional a lo largo de todos los componentes por donde fluye el aire, que son los conductos de suministro (3), los conductos de retorno (10), el múltiple de suministro (5), el múltiple de retorno (9) y el conducto central (6). Si la altura de las olas es demasiado grande con respecto a la cámara de aire (1), el nivel del agua (14a) tenderá a subir por encima de la apertura de los conductos de suministro (3) y los conductos de retorno (5). La válvula flotadora (8) está diseñada para evitar la intrusión de agua a los conductos cuando la altura de las olas sea demasiado alta. Cuando el valle (15) se aproxima a la cámara de aire (1), ocurre el proceso opuesto al explicado anteriormente que es ilustrado en la Figura 3. Cuando ésta situación se presenta, la presión del interior de la cámara de aire (1) comienza gradualmente a decrecer y permite la entrada del aire que viene desde otras cámaras de aire (1) sujetas a una mayor presión. La entrada del aire (13) al interior de la cámara de aire (1) se puede observar en el cambio del nivel del agua desde la posición (14a) hasta la posición (14b). Ya que la válvula de suministro (4) se encuentra cerrada para flujo en dirección hacia la cámara de aire (1), el aire entrante proviene solamente del conducto de retorno (10). La válvula de retorno (11) se encuentra abierta en este momento.

El múltiple de suministro (5) reúne el flujo proveniente de todos los conductos de suministro (3) que provienen de las cámaras de aire (1) y lo descarga en la entrada del conducto central (6) por el que fluye el aire unidireccionalmente y dentro del cual es colocada la turbina de viento (7). Dicho flujo de aire, es el que impulsa a la turbina de viento (7). Una vez que el aire pasa por la turbina de viento (7), desemboca en la salida del conducto central (6) que está conectada al múltiple de retorno (9) que redistribuye el flujo del aire en los diferentes conductos de retorno (10). Finalmente el aire es regresado a las cámaras de aire (1). Una vez que la energía de las olas del mar es transformada en energía mecánica, ésta puede ser usada en la aplicación que convenga dadas las circunstancias del problema. Ejemplo de estas aplicaciones son: la generación de electricidad, generación de Hidrógeno y Oxígeno mediante electrólisis, bombeo de agua y desalinización del agua de mar. Es deseable que el flujo de aire que impulsa a la turbina (7) sea lo más uniforme posible, pues la intermitencia afecta directamente de manera negativa la eficiencia de la misma. Sin embargo, el flujo producido por una sóla cámara de aire (1) es intermitente por naturaleza, ya que el perfil sinusoidal de la ola, ocasiona un bombeo igualmente sinusoidal. Las Figuras 5 y 6 dividen a la ola en 3 zonas diferentes de acuerdo a la acción que provocan sobre la cámara de aire (1) asumiendo que la ola se desplaza en la dirección mostrada por la flecha en la Figura 6. Las cámaras de aire (1) que en un instante dado estén dentro de la zona A, están suministrando aire a la turbina, las que estén dentro de la zona B, están retornando aire a las cámaras de aire (1) y las que están en la zona T, se encuentran sin bombear aire.

La presente invención es de naturaleza modular por dos motivos principales: 1) para minimizar los costos, ya que el manufacturar y manejar un aparato por módulos es más barato y sencillo que manejar una sóla entidad de dimensiones colosales, y 2) para minimizar la intermitencia del flujo que llega a la turbina (7). Dicho fenómeno se logra al superponer una variedad de flujos sinusoidales con diferente fase de onda. De ésta manera, el flujo neto derivado del efecto colectivo del arreglo, es menos intermitente. La Figura 5 muestra que para un mismo arreglo, las cámaras de aire (1) se encuentran en fases de onda diferente. Parámetros como el espaciamiento, el número de cámaras de aire (1), y la disposición de las mismas, jugarán un papel importante para minimizar la intermitencia. Es importante considerar que esta invención también es funcional no sólo con aire, sino con cualquier otro fluido menos denso que el agua de mar. Así mismo, como el sistema de conductos incluyendo al conducto central (6), en cuyo interior se encuentra la turbina (7), es un sistema cerrado que está lleno por un fluido menos denso que el agua, el conducto central (6) puede ser ubicado ya sea o sumergido y anclado al suelo oceánico, o flotando sobre la superficie del mar, o bien, en tierra firme. La sencillez de su diseño sin partes móviles en contacto con el agua, su carácter submarino, y su naturaleza modular, hacen posible que la presente invención sea un aparato de fácil manufactura y operación, bajo costo, cero impacto visual, buenas características de supervivencia y mínimo riesgo de dañar a la vida marina, permitiendo la posibilidad de tener un producto que pueda competir integralmente contra otras tecnologías.

Claims (1)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito de manera suficiente y clara la invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:

1. Aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica que comprende: a. un arreglo de al menos diez cámaras de aire submarinas que contienen aire y agua en su interior en proporciones cambiantes de acuerdo con las presiones impuestas por el oleaje en el aparato, cada cámara de aire tiene una apertura en la parte inferior que le permite a la presión del fluido del exterior actuar en el interior de la cámara de aire; b. cada cámara de aire cuenta con amarres que permiten mantener anclada a la cámara de aire al suelo oceánico; c. conductos de suministro de aire que transportan el aire desde el interior de las cámaras de aire, hasta el múltiple de suministro; d. válvula de suministro por cada conducto de suministro que permite fluir al aire sólo en dirección hacia la entrada de la turbina; e. múltiple de suministro que reúne el flujo que viene de dichos conductos de suministro, en un flujo común que alimenta a la turbina; f. conducto central por el que fluye el aire unidireccionalmente y dentro del cuál es colocada la turbina de viento; g. turbina de viento que gira cuando un flujo de aire está presente; h. múltiple de retomo que redistribuye el aire que viene de la turbina de viento hacia los conductos de retorno; i. conductos de retorno que llevan el aire desde el múltiple de retorno hacia el interior de las cámaras de aire; j. válvula de retorno por cada conducto de retorno que permite el flujo del aire sólo en dirección hacia la cámara de aire Aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado porque las válvulas de paso hacen que el flujo dentro de los conductos de suministro, conductos de retorno y conducto central, sea unidireccional. Aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica de acuerdo a la reivindicación 1 , caracterizado porque la turbina puede ser impulsada con cualquier fluido menos denso que el agua, no sólo con aire. Aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado porque los conductos de suministro y de retorno en el interior de la cámara de aire, tienen una válvula flotadora que se cierra cuando el nivel del agua dentro de la cámara de aire es muy alto. Aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado porque la turbina es puesta sobre tierra firme. Aparato para transformar la energía de las olas del mar en energía mecánica de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado porque la turbina está sumergida.