MX2012011042A - Subsistema para un sistema generador de electricidad con corriente de agua. - Google Patents

Abstract

Se describen diversos subsistemas de un sistema sumergido o impulsado por corrientes de agua utilizado para generar electricidad derivada de corrientes de agua de movimiento rápido utilizando un sistema generador de tipo inductivo equipado con uno o más hélices anillos de aleta; muchos de los sistemas y subsistemas mostrados y descritos en este documento son adecuados individualmente para ser usados en sistemas que utilizan sistemas convencionales impulsados por generadores y otros medios de creación de electricidad; medios para la transmisión de electricidad generada por tales sistemas, sistemas de anclaje y amarre, y métodos para mejorar el sistema de transporte, instalación y mantenimiento también se describen.

Description

SUBSISTEMAS PARA UN SISTEMA GENERADOR DE ELECTRICIDAD CON CORRIENTE DE AGUA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere en general a sistemas generadores de electricidad con energía renovable, y en particular, aunque en una modalidad no limitativa, a los subsistemas de un sistema sumergido o impulsado por agua para generar electricidad derivada de corrientes de agua de movimiento rápido utilizando un sistema generador de tipo inductivo equipado con una o más hélices de anillo de aleta.

Además de las modalidades ilustrativas presentadas en esta descripción, muchos de los sistemas y subsistemas descritos y reclamados aquí son adecuados individualmente para sistemas que utilizan sistemas convencionales de accionamiento del generador y otros medios de creación de electricidad.

Medios para la transmisión de electricidad generada por tales sistemas a las redes de electricidad vecinas, a sistemas de amarre, y el método y los medios para la instalación y el mantenimiento de componentes de dichos sistemas se describen también.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Con el creciente costo de los combustibles fósiles y del aumento de la demanda energética en las economías del mundo y de las industrias, diferentes y más eficientes métodos de desarrollo de fuentes de energía se buscan constantemente. De particular interés son las fuentes renovables de energía alternativas, tales como los dispositivos de energía solar con baterías, granjas de molinos de viento, generación de energía de las mareas, generadores de olas, y los sistemas de energía derivada a partir de hidrógeno secuestrado.

Sin embargo, tales fuentes de energía no son todavía capaces de suministrar electricidad continua a un área muy amplia a escala comercial. Además, algunas tecnologías propuestas, tales como los sistemas impulsados por hidrógeno que implican el refinamiento de agua de mar, en realidad consumen más electricidad en el proceso de conversión que la producida al final en el sistema.

Otros, como el hidrógeno derivado de metano, producen cantidades iguales o mayores de las emisiones de combustibles fósiles que las tecnologías convencionales a base de petróleo que se desean sustituir, e incluso otras, como baterías, sistemas basados en energía solar y molinos de viento, que requieren tal constante exposición a la luz del sol o al viento que su eficacia comercial está inherentemente limitada.

Un sistema de energía alternativa propuesta consiste en el aprovechamiento de la energía hidráulica derivada de corrientes de agua de movimiento rápido, por ejemplo, corrientes que tienen velocidades de flujo máximo de 2 m/s, o más.

En la práctica, sin embargo, existen dispositivos submarinos generadores de electricidad que han demostrado ser inadecuados, incluso si están instalados en lugares donde las velocidades actuales son consistentemente muy rápidas. Esto es debido, al menos en parte, tanto a una falta de medios eficaces para generación de electricidad y la falta de sistemas adecuados de transformación de la energía necesarios para compensar incompatibilidades entre los sistemas bajo el agua generadores de electricidad y operadores de tierra o estaciones de retransmisión de electricidad impulsada por corrientes de agua Los diseños actuales de hélice y los mecanismos generadores de electricidad han demostrado ser insuficientes, no proporcionan ni la generación de energía adecuada ni estabilidad suficiente contra corrientes máximas o de velocidad.

Para capturar una cantidad significativa de energía cinética de las corrientes que fluyen en el océano, el área afectada debe ser de gran extensión. Como resultado, los diseños que existen de hélices marinas emplean estructuras prohibitivamente grandes, pesadas y costosas hechas a partir de tecnologías de metales pesados actualmente conocidos y de compuestos metálicos. Además, estas hélices marinas crean problemas de cavitación originados en las puntas de las palas de la hélice que se mueven a través del agua circundante.

Otro problema importante son los problemas ambientales asociados con la obtención de energía a partir de corrientes de agua sin dañar la vida acuática que la rodea, como los arrecifes, vegetación marina, bancos de peces, etc.

Existe, por tanto, una necesidad importante y no satisfecha todavía de un sistema generador de electricidad a partir de corrientes de agua y subsistemas que lo acompañan que supere los problemas actualmente existentes en la técnica, y que genere y transfiera compatiblemente una cantidad significativa de electricidad a una estación de retransmisión de una manera segura, fiable y respetuosa del medio ambiente. Configuraciones seguras y eficientes a nivel de campo, sistemas de amarre fiables y repetibles, y métodos y medios para la instalación y mantenimiento de estos sistemas también son necesarios.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se proporciona una instalación de consolidación para consolidar la electricidad generada por una pluralidad de sistemas generadores de electricidad a partir de corrientes de agua, en donde cada uno de los sistemas generadores de electricidad incluye al menos una o más cámaras de flotación sumergidas. Una o más de las cámaras de flotación sumergidas incluye además al menos una o más cámaras de flotación de aislamiento de fluidos, y una o más de las cámaras de aislamiento incluye además un fluido flotante dispuesto ahí, una válvula de flotante de admisión de fluido, una válvula flotante de salida de fluido, y un medio flotante de control de la fuente del fluido.

Las unidades generadoras de electricidad también incluyen una o más unidades sumergidas generadoras de electricidad de tipo inductivo dispuestas en comunicación con las cámaras de flotación; una o más hélices dispuestas en comunicación con las unidades generadoras de electricidad; un sistema de amarre, y un medio generador de electricidad de salida.

La instalación de consolidación incluye además medios para recibir la electricidad generada por dichos sistemas generadores de electricidad, la transferencia o la exportación de electricidad a través de los medios de salida, y la repartición de electricidad consolidada a una red eléctrica vecina, ya sea directamente o seguida de la transferencia a un dispositivo intermedio de transformación de electricidad.

La instalación de consolidación puede estar situada en el fondo del océano, en aguas de profundidad media, o flotando en la superficie. En un ejemplo específico, un SPAR flotante o sumergido (una plataforma estable adecuada para calado profundo u otro casco) se utiliza como una instalación de consolidación, alternativamente, una estructura sumergida ofrecerá una mayor libertad para la navegación de buques en el área.

La instalación de consolidación está amarrado de forma óptima de una manera segura, por ejemplo, utilizando una cuerda de polietileno, que se puede formar a partir de una porción enrollada en una sola dirección; dos o más porciones de capas enrolladas en direcciones alternas; combinada o sustituida con cableado de metal; y/o envuelto alrededor de la línea consolidada de salida de electricidad.

Las unidades generadoras de electricidad y las hélices pueden ser instaladas y mantenidas rotándolas hacia una posición horizontal. Mientras todavía en el agua, un cono flotante de nariz central proporciona a las hélices flotación adecuada para alcanzar la superficie y una vez a nivel de la superficie alcanzan estabilidad máxima del viento, en condiciones de clima actuales u otras. De esta manera se logra la instalación y el mantenimiento de las unidades de forma segura y eficiente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las modalidad descritas en el presente documento se entenderán mejor, y numerosos objetos, características y ventajas serán evidentes para los expertos en la técnica haciendo referencia a los dibujos anexos.

La Figura 1 es una vista lateral de un sistema de generación de energía eléctrica con corriente de agua según una modalidad con un ejemplo de la invención.

La Figura 2 es una vista frontal de un sistema de generación de energía eléctrica con corriente de agua según una segunda modalidad con ejemplo de la invención.

La Figura 3 es una vista en planta de un tubo de lastre que tiene una pluralidad de cámaras de aislamiento tipo laberinto según una tercera modalidad de la invención.

La Figura 4A es una vista superior de un sistema de generación de energía eléctrica con corriente de agua según una cuarta modalidad con ejemplo de la invención.

La Figura 4B es una vista superior de la modalidad ejemplo representada en la Figura 4A, que incluye además un sistema asociado de amarre de anclaje.

La Figura 5 es una vista frontal de una modalidad de ejemplo del sistema de hélice adecuado para su uso en conexión con un sistema de generación de energía sumergido o impulsado por corrientes de agua.

La Figura 6 es una vista en perspectiva de la modalidad de ejemplo del sistema de hélice representado en la Figura 5, con una porción detallada del sistema aislado para una perspectiva adicional.

La Figura 7 es una vista aislada de una parte de la modalidad de ejemplo del sistema de hélice representado en las Figuras 5 y 6.

La Figura 8 es una vista lateral de un ejemplo del sistema de generación de electricidad con corriente de agua que comprende además un arreglo de arrastre montado en la hélice.

La Figura 9 es una vista posterior del ejemplo del sistema de generación de electricidad con corriente de agua representado en la Figura 8, en donde un número par de hélices facilitan las fuerzas de desplazamiento rotacional en un arreglo de arrastre montado.

La Figura 10 es una vista esquemática de un ejemplo de granja generadora de electricidad con corriente de agua que comprende una pluralidad de sistemas ligados generadores de electricidad.

La Figura 1 1 es una vista esquemática de un sistema generador de electricidad directa amarrado permanentemente en el que no se utiliza flotación deslizante o Spar.

La Figura 12 es una vista lateral de un del sistema generador de electricidad en un diseño volteado de cuatro unidades.

La Figura 13 es una vista superior de la Figura 12, otra vez que comprende una generación de electricidad en un diseño volteado de cuatro unidades y sistema de hélice.

La Figura 14 es una vista frontal de una generación de electricidad en un diseño volteado de cuatro unidades y sistema de hélice.

La Figura 15 es una generación de electricidad en un diseño volteado de cuatro unidades y sistema de hélice que muestra las unidades del generador y hélices asociadas en una posición volteada adecuada para la instalación y el mantenimiento.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La descripción que sigue incluye una serie de diseños sistemas ejemplares y métodos de uso que incorporan ventajas de la presente materia objeto de la invención. Sin embargo, se entenderá por aquellos con experiencia en la técnica que las modalidades descritas admitirán la práctica sin algunos de los detalles específicos citados en este documento. En otros casos, equipos submarinos bien conocidos generadores de electricidad, protocolos, estructuras y técnicas no se han descrito o mostrado en detalle con el fin de evitar el oscurecimiento de la invención.

La Figura 1 muestra un primer ejemplo de modalidad de un sistema generador de electricidad en con corriente de agua 101 . En su forma más simple, el sistema comprende uno o más tubos de flotación 102, un tubo de lastre 103, y una unidad generadora de electricidad tipo inductivo 104 equipados con una hélice impulsada por un eje 105.

Aunque la Figura 1 muestra un solo tubo de flotación 102, unidad de lastre 103 y componente generador 104, también se contemplan sistemas más grandes que comprenden una pluralidad de cualquiera o de todas estas estructuras. En cualquier caso, expertos en las técnicas pertinentes apreciarán fácilmente que la descripción instantánea de un sistema limitado con elementos singulares es meramente ilustrativa, y no pretende limitar el alcance de la materia con respecto a los miembros plurales de cualquiera de los elementos descritos en este documento.

En una modalidad ejemplar, una unidad generadora de electricidad 104 (por ejemplo, una unidad generadora de electricidad tipo inductiva) produce energía eléctrica que puede ser de salida con o sin transformación, ya sea como una corriente alterna (AC) o una corriente continua (DC) para una estación de retransmisión asociada a otros medios para facilitar la transferencia de electricidad desde alta mar a una red de electricidad vecina o similar.

Generalmente, generadores asincronos de tipo inductivo son mecánicamente y eléctricamente más sencillos que otros tipos de generadores síncronos de energía eléctrica o que generadores de corriente directa (DC). Un motor de inducción se convierte en un generador de electricidad de salida cuando la energía del campo magnético viene del estator o cuando el rotor tiene imanes permanentes que crean un campo magnético lo que confiere deslizamiento negativo. También tienden a ser más resistente y duradero, por lo general sin requerir cepillos ni conmutadores. En la mayoría de los casos, un motor normal de corriente AC asincrono se utiliza como el generador, sin modificaciones internas.

En el funcionamiento normal del motor, la rotación del flujo del estator del motor se establece mediante la frecuencia de potencia (generalmente alrededor de 50 o 60 Hertz ) y es más rápido que la rotación del rotor. Esto causa flujo del estator para inducir corrientes de rotor, que a su vez crea flujo del rotor que tiene una polaridad magnética opuesta al estator. De esta manera, el rotor es arrastrado detrás del flujo del estator en valor igual al deslizamiento.

Una máquina de inducción asincrona de tres fases (por ejemplo, enrollada en caja), funcionará, cuando se hace funcionar más lenta que su velocidad síncrona, como un motor, el mismo dispositivo, sin embargo, cuando se hace funcionar más rápido que su velocidad síncrona, funcionará como un generador de inducción.

En el funcionamiento del generador, un una fuerza motriz de algún tipo (por ejemplo, una turbina, motor, árbol de transmisión de hélice, etc.) acciona el rotor por encima de la velocidad síncrona. Flujo del estator todavía induce corrientes en el rotor, pero puesto que el flujo opuesto del rotor es ahora el corte de las bobinas del estator, la corriente activa se produce en las bobinas del estator, y por lo tanto el motor está operando como un generador capaz de enviar electricidad de vuelta hacia una red eléctrica vecina .

Por lo tanto, los generadores de inducción se pueden utilizar para producir energía eléctrica alterna cada vez que un eje interior se rote más rápido que la frecuencia síncrona. En diversas modalidades de la presente invención, la rotación del eje se lleva a cabo por medio de una hélice asociada 105 dispuesta en una corriente de agua de relativamente rápido movimiento, aunque otros métodos y medios de rotación del eje también podrían ser concebidos y aplicados para un efecto similar.

Puesto que no tienen imanes permanentes en el rotor, una limitación de los generadores de inducción es que no son de auto-excitación; en consecuencia, requieren ya sea una fuente de alimentación externa (como podría ser fácilmente obtenido a partir de la red utilizando una corrida umbilical ya sea a través del agua o debajo de un lecho marino asociado), o "arranque suave" por medio de un arrancador de voltaje reducido a fin de producir un flujo inicial magnético de rotación.

Los arrancadores de voltaje reducido pueden darle ventajas importantes al sistema, tales como determinar rápidamente las frecuencias operacionales adecuadas, y permitir un reinicio sin electricidad en caso que la red de electricidad operadora este desactivada por alguna razón, por ejemplo, como resultado de daños causado por un huracán o otro desastre natural.

La electricidad derivada del sistema, al menos en algunos casos, probablemente se utilizará para complementar un sistema de electricidad de la red vecina, y por lo tanto las frecuencias de funcionamiento de la red dictarán en gran parte las frecuencias de funcionamiento para del sistema generador de electricidad. Por ejemplo, la gran mayoría de los grandes sistemas de redes de electricidad actualmente emplean una frecuencia de funcionamiento nominal de entre 50 y 60 Hertz.

Otra consideración importante para los grandes sistemas generadores de electricidad impulsados por corrientes de agua es el establecimiento de un equilibrio de flotación bien equilibrado que permite la posición dinámica continua, independientemente de la velocidad de la corriente circundante.

Incluso suponiendo que las velocidades de las corrientes circundantes permanecen dentro de un intervalo predeterminado de velocidades de operación aceptables, el equilibrio del sistema podría ponerse en peligro por un huracán especialmente potente o similar, pero la disposición del sistema bien bajo la línea de la fuerza típica de la ola, es decir., aproximadamente 30.48 - 45.72 m de profundidad o menos, reducirá en gran medida dichas perturbaciones. Las diversas fuerzas de compensación de kips gravitacionales, kips de flotación, kips de arrastre y kips de soporte también contribuirán a la estabilidad general de un sistema continuo generador de energía con agua corriente.

El tubo de flotación 102 ilustrado en la Figura 1 comprende una porción de cuerpo cilindrico dispuesto en comunicación mecánica con al menos una unidad con tapa de extremo 104 que aloja los generadores de inducción antes mencionados. Los generadores y las correspondientes carcasas de tapa de extremo contienen un eje de accionamiento y, en algunas modalidades, relacionados engranajes planetarios para hélice 105.

En algunas modalidades, el tubo de flotación 102 comprende una forma cúbica o hexagonal, aunque la práctica efectiva de la invención admitirá otras geometrías también. En una modalidad actualmente preferida, el tubo de flotación 102 es aproximadamente cilindrico, y se presuriza con gas (por ejemplo, aire u otro gas seguro, boyante) de manera que, cuando el sistema está limitado por un amarre de anclaje 106, las fuerzas combinadas constituyen la fuerza principal de elevación del sistema generador de energía con corrientes oceánicas En consecuencia, el sistema puede ser elevado a la superficie para mantenimiento o inspección apagando los generadores, de ese modo reduciendo el arrastre del sistema, lo que permite que el sistema se eleve algo hacia la superficie. Al abrir el tubo(s) de flotación y/o evacuando el fluido desde el/los tubo(s) de lastre, la unidad puede flotar segura y fiablemente en la superficie para que el mantenimiento o inspección se pueda realizar.

Según un método para mover el sistema, el amarre 106 también puede ser liberado, de modo que la estructura flotante pueda ser remolcada o de otro modo accionada hacia tierra o a otro lugar de operación.

El ejemplo de modalidad representado en la Figura 2 es una vista frontal del sistema de generación de electricidad 201 , equipado con una pluralidad de hélices relativamente grandes, de movimiento lento 206 dispuestas en comunicación mecánica con los miembros de eje de las unidades generadoras de inducción 204 y 205. Como se ve en mayor detalle en la Figura 4A, las unidades generadoras están dispuestas dentro de unidades de tapa de extremo alojadas dentro de tubos de flotación 102, asi como a través de la envergadura de una porción de un cuerpo tipo enrejado del sistema dispuesto entre los tubos de flotación.

Volviendo ahora a la Figura 3, se proporciona una vista detallada del interior de los tubos de lastre previamente descritos como item 03 en la Figura 1 , en el que una pluralidad de cámaras de aislamiento tipo laberinto se unen de tal manera que la separación y mezcla de varios gases y líquidos se puede utilizar para permitir un control mucho más fino de las fuerzas de equilibrio y flotación presentes en el sistema que aquellas obtenidas por medio de tubos de flotación solos 102.

Como se ve en la modalidad ilustrada, un sistema de lastre interior 301 formado dentro de un tubo de lastre comprende una fuente de control de aire 302 dispuesta en comunicación fluida con una válvula de retención de sobrepresión y una primera cámara de aislamiento 303.

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

La primera cámara de aislamiento 303 también comprende una línea secundaria de alimentación de aire 305 para distribuir el aire a otros compartimentos llenos de gas de la estructura, así como líneas para mezclas de gas y fluido de la primera cámara de aislamiento 303 a la segunda cámara de aislamiento 304. La segunda cámara de aislamiento 304, a su vez comprende una porción superior que contiene aire y una parte inferior que contiene agua o similar, que están separados por un cilindro de aislamiento. En otras modalidades, el cilindro de aislamiento contiene agua de mar en el que flota una de barrera de fluido con el fin de garantizar un mejor aislamiento entre el aire y el agua de mar.

En modalidades adicionales, ya sea una (o ambas) de las cámaras de aislamiento primera y segunda 303, 304 está equipada con instrumentación (por ejemplo, sensores de presión o sensores de presión diferencial) para determinar si el líquido o el aire está presente en una cavidad particular del sistema. En otras modalidades adicionales, tales sensores se introducen en un sistema de control lógico (no mostrado) usado para ayudar en la detección y el control de mediciones relacionadas con equilibrio y empuje.

El proceso de avance del aire a través del sistema en porciones superiores de los tanques asegurando al mismo tiempo que agua u otros líquidos permanecen en las partes inferiores se continúa hasta que las características deseadas de equilibrio y el control se obtienen. Finalmente, una última cámara de aislamiento 306 se proporciona, la cual, en la modalidad representada, comprende una válvula de salida de aire 309 que se utiliza para dejar salir el aire del sistema y, en algunas circunstancias, el agua adentro del sistema.

Una válvula de seguridad de presión 307 se proporciona en caso de que presiones internas se vuelvan tan grandes que la ventilación de presión se requiera con el fin de mantener la integridad del sistema de control, y una válvula de flujo de agua abierta 308 equipada con un tamiz para prevenir la entrada accidental de animales marinos está colocada en una parte inferior del tanque de aislamiento 306.

Una vez más, los fluidos de barrera y similares se pueden utilizar para reducir la interacción entre el aire y el agua, y cuando el sistema está equipado con un control flotador que flota en la parte superior del agua de mar, los fluidos de barrera se retendrán incluso después de que todo el agua de mar sea expulsada. Además, mayor estabilidad se puede lograr en los tanques usando una serie de deflectores para asegurar que el agua atrapada en los tanques no se mueva rápidamente dentro de las cámaras, lo cual de otro modo tendería a perturbar el equilibrio y control. Además, varios tanques y trabajo en secciones se emplearán para tratar la posible inclinación de la unidad, de modo que el agua y el gas se desvíen apropiadamente para prevenir una inclinación excesiva.

La Figura 4A presenta una vista superior de una modalidad del sistema 401 , que en este caso comprende un primer tubo de flotación 402 y un segundo tubo de flotación 403; una parte del cuerpo como enrejado 404 conectado, dispuesto entre ellos; una pluralidad de generadores de inducción 405, 406 posicionados estratégicamente alrededor de los tubos de flotación y de las partes del cuerpo; una pluralidad de hélices 407 dispuesta en comunicación mecánica con los generadores y una pluralidad de miembros de amarre 408, 409 dispuesta en comunicación mecánica con los tubos de flotación 402, 403.

En el ejemplo de modalidad representado en la figura 4B, los miembros de amarre 408 y 409 se unen para formar una sola correa de anclaje 410 que está fijada de una manera conocida al miembro de anclaje 411.

En diversas modalidades, el amarre de anclaje 410 comprende además medios para restringir y soltar variablemente al sistema. En otras diversas modalidades, el amarre de anclaje 410 termina en un elemento de anclaje 41 1 equipado con un dispositivo de terminación de amarre (no mostrado). El miembro de anclaje 411 comprende cualquier tipo de anclaje conocido (por ejemplo, un ancla de peso muerto, el ancla de succión, etc.) adecuado para mantener una posición fija en corrientes con rápido movimiento, que se encuentran generalmente en lugares con fondos marinos rocosos debido a la erosión causada por las fuertes corrientes.

En aún otras modalidades, esta porción de la estación puede ser asegurada por fijación con amarre de anclaje 410 ya sea a un buque de superficie o otro dispositivo generador de energía con corrientes del océano, o a otra ubicación de amarre central, tal como una boya de posicionamiento dinámico flotante.

Volviendo ahora a las modalidades de ejemplo del sistema de hélice discutido de forma muy general anteriormente, las Figuras 5 a 7 representan varias modalidades específicas, aunque no limitativas, de ejemplo de un sistema de hélices adecuado para su uso con el sistema generador de electricidad con corriente de agua descrito en este documento.

Aquellos con experiencia en las técnicas pertinentes apreciarán también, sin embargo, que mientras que los ejemplos de sistemas de hélice dados a conocer en el presente se describen con referencia a un sistema generador de electricidad con una corriente de agua accionado por un generador de electricidad de tipo inductivo, los ejemplos de sistemas de hélice también se pueden utilizar en relación con otros tipos de sistemas generadores de electricidad impulsados por corrientes de agua o sumergidos para lograr muchas de las mismas ventajas que se describe aquí.

La Figura 5, por ejemplo, es una vista frontal de una modalidad de ejemplo del sistema de hélices adecuado para su uso en conexión con un sistema generador de electricidad impulsado por corrientes de agua.

Como se representa, la hélice 501 comprende una pluralidad de conjuntos de aleta alternantes y que encierran anillos, que en lo sucesivo se referirán como una configuración de "anillo de aleta". Tales hélices anillos de aleta generalmente estarían diseñadas para cada aplicación específica en particular, y se mejorarían la eficiencia mediante la adaptación del diámetro, la circunferencia, la curvatura de la aleta y la excentricidad de disposición, seleccionando el material, efe, en base a las frecuencias de funcionamiento requeridas por la generadores de inducción, la velocidad de las corrientes de agua circundante, consideraciones ambientales (por ejemplo, si las hélices debe tener aberturas o huecos por donde los peces o vida acuática puede pasar), y así sucesivamente.

De manera similar, conjuntos vecinos de hélices se pueden rotar en direcciones opuestas (por ejemplo, ya sea en sentido horario o antihorario, como se describe representativamente en la Figura 2) con el fin de crear remolinos o zonas muertas en frente de las hélices, que pueden repeler o de otra manera proteger la vida marina, mejorar la eficiencia de rotación de la hélice, etc.

Cuando se utiliza en conexión con un sistema generador de electricidad con corriente de agua accionado por un generador de electricidad de tipo inductivo, el único requisito firme de operación para las hélices es que sean capaces de rotar asociadas a los ejes generadores a las velocidades requeridas para obtener las frecuencias de funcionamiento del generador.

Sin embargo, es altamente deseable que el sistema en su conjunto permanezca pasivo con respecto a la interacción con la vida marina local, y resultados de rendimiento óptimo se consiguen cuando el sistema genera la salida de electricidad requerida manteniendo al mismo tiempo un entorno operativo neutral del medio ambiente.

Comenzando en el centro del dispositivo, se ve que la hélice 501 , está dispuesta alrededor de una porción de cubo o eje 502 que ambos retienen la hélice 501 en forma segura (por ejemplo, por medio de fijación mecánica, tales como sujetadores resistentes al óxido encapsulados, soldadura de un cuerpo de hélice o múltiples piezas de un cuerpo de hélice a un eje en un conjunto unitario único, ere.) e imparte un torque de rotación proporcional al momento angular de la hélice en rotación sobre el eje para su entrega al generador de electricidad.

En algunas modalidades, la parte de cubo o el eje 502 comprende además un medio de flotación para mejorar la conexión mecánica de la hélice de anillo de aleta con el eje, y para evitar saliente de la hélice que de otra manera tiende a deformar o estresar el eje. Al igual que los medios de fijación, los ejes de accionamiento adecuados para esta tarea existen actualmente en la técnica de registro, y puede comprender, por ejemplo, una serie de engranajes y/o embragues, sistemas de frenado, etc., como sería necesario para comunicar eficazmente el torque rotacional de la hélice con el eje del generador.

En una modalidad específica, un sujetador de retención tal como un montaje de perno y arandela o similar, es retirado del extremo de un eje de accionamiento, la estructura de anillo de aleta de la hélice se desliza sobre el eje expuesto, a continuación, el sujetador se sustituye, colocando mecánicamente la estructura de anillo de aleta al eje. De forma óptima, el sujetador entonces sería cubierto por una cubierta a presión boyante en agua o similar como de manera representativa se describe en la Figura 6, elemento 601.

En otras modalidades, un cubo central comprende la comunicación mecánica de punto de conexión con un gran eje, que puede ser instalado o retirado y reemplazado como una única estructura de manera que la hélice puede ser fácilmente mantenida y reparada mientras está en el agua.

En otras modalidades, el sistema comprende además un medio de flotación con el fin de resistir la carga saliente del eje y el montaje de hélice. Por ejemplo, la espuma líquida u otros fluidos químicos ligeros, o incluso aire comprimido, se puede cargar en un cono de nariz que se ajusta sobre el extremo de un cubo de la hélice, de modo que la hélice puede girar libremente alrededor de un eje de accionamiento detrás del cono de nariz boyante, levantando así el peso del montaje de modo que cargas pesadas sobresalientes se evitan.

De manera similar, las hélices (especialmente las hélices delanteras en un sistema sumergido, que absorbe la mayor parte de la fuerza de la corriente de agua) puede ser montado con arrastre para superar la resistencia atribuible a la presión del fluido acumulado contra la estructura de anillo de aleta.

Independientemente de la forma en que la hélice está fijada al eje y si está montada para arrastre y/o soportada por un miembro de flotación, la modalidad ejemplar del diseño de anillo de aleta representado en el presente documento es generalmente similar a través de una multitud de otras modalidades, relacionados adecuadas para la práctica dentro del sistema.

Por ejemplo, en la modalidad representada en la Figura 5, el montaje de fijación de cubo 502 está rodeado concéntricamente por un primer miembro de anillo 503, más allá del cual, es decir, (es decir, más lejos del conjunto de cubo) es un segundo miembro de anillo 506. Dispuesto entre el primer miembro de anillo 503 y el segundo miembro de anillo 506 está una pluralidad de miembros de aleta 504, cada uno de los cuales está separados por un espacio 505.

El espacio vacío entre los miembros de aleta 504 variarán según la aplicación, pero como una cuestión general los espacios entre las aletas aumentarán de tamaño desde el anillo más interior (en el cual los espacios son generalmente los más pequeños ) a los anillos más exteriores (donde el espacio hueco es el más grande).

Otras configuraciones admiten espacios de tamaños similares, ó incluso espacios más grandes sobre anillos interiores que sobre anillos exteriores, pero una ventaja de una superficie de anillo interior principalmente sólido, en donde la mayor parte de la totalidad de la superficie posible del anillo es utilizado por aletas en lugar de espacios, es que la estructura tenderá a forzar la presión de fluido lejos del centro de la estructura hacia los anillos más exteriores y más allá del perímetro del dispositivo.

Este método ayuda a la hélice a rotar más fácilmente, y más que suficientemente atiende las preocupaciones ambientales forzando la pequeña vida marina y la similar hacia afuera del sistema, de modo que puedan evitar ya sea por completo la estructura de hélice, o bien pasar a través de uno de los espacios más grandes de lento movimiento en los anillos exteriores.

Dado que la resistencia en contra de la estructura se reduce y un mayor torque rotacional se transmite a los ejes de accionamiento con menos fricción y pérdida, la hélice también se puede rotar muy lentamente (en una modalidad ejemplo generando resultados satisfactorios de campo, la hélice rota a una velocidad de sólo 8 RPM), asegurando aún más que la vida marina sea capaz de evitar la estructura y mejorando la neutralidad del medio ambiente y la seguridad. Las velocidades de rotación lentas también hacen que el sistema sea más robusto, duradero y menos propenso a sufrir daños si entra en contacto por escombros o un objeto sumergido flotando cerca.

Se ha logrado que los sucesivos anillos concéntricos de aletas 507 y espacios 508 dispuestos dentro de adicionales anillos 509 aproximadamente circulares sean entonces añadidos a la estructura, creando asi anillos concéntricos adicionales a las aletas y espacios 510-512 hasta la circunferencia deseada En una modalidad actualmente preferida, los espacios huecos 514 del anillo más exterior son los espacios más grandes en el sistema, y separa las aletas 513 del sistema en la mayor medida.

Un miembro de anillo final 515 encierra la periferia exterior del sistema de hélice, de nuevo proporcionando protección medioambiental adicional, como la vida marina inadvertidamente golpea el anillo exterior 515 se encontrará con sólo un golpe oblicuo contra una estructura de movimiento lento, mientras que las presiones de agua y fluidos son alejados desde el dispositivo tanto como sea posible.

Como se observa en la región de cajas 603 de la Figura 6 (que generalmente representa la modalidad de ejemplo de la Figura 5, aunque con la porción de unión del cubo cubierto con una tapa a prueba de agua 601 , o similar), el paso de las aletas 602 medido con respecto al plano del montaje de anillo de aleta puede ser alterado.

Por ejemplo, las aletas pueden ser dispuestas con una mayor excentricidad como su posición dentro del montaje avanza desde el primer anillo que rodea el cubo central hacia los anillos más exteriores. Disponer las aletas 602 en un sitio plano dentro de los anillos interiores y más excéntricamente (es decir, en un plano más perpendicular al plano del montaje) en los anillos exteriores tenderá a aplanar y suavizar el flujo de agua alrededor de la hélice, con lo que se consiguen mejores características de flujo de fluidos (que minimiza la vibración del sistema), creando menos resistencia contra la estructura de la hélice, y proporcionando una mayor fuerza centrifuga al flujo del fluido circundante para asegurar que la vida marina evita el centro del sistema de la hélice.

Por otra parte, las hélices que tienen arreglos de aleta dispuestos de manera que las aletas más cercanas al cubo tienen la mayor excentricidad medida en relación al plano de la hélice en su conjunto, y luego aplanando las aletas hacia el exterior del sistema de hélice (como es típico con una hélice de barco o submarino, por ejemplo) también puede producir los mejores resultados en términos de reducción de la vibración, armónicos y de rendimiento global del sistema.

En la modalidad de ejemplo 701 representada en la Figura 7 (que es representativa de la región en recuadro 603 en la Figura 6), una serie de aletas curvadas 702, 704, 706, 708 están dispuestas entre los espacios 703, 705, 707, 709 de tamaño creciente (notar que el cubo de fijación central desde el cual los anillos concéntricos más pequeños se originan estaría situado más allá de la parte superior de la Figura, por ejemplo, por encima de la aleta 702 y el espacio 703).

En la modalidad representada, las aletas 702, 704, 706, 708 también están dispuestas con mayor excentricidad a medida que se instalan más y más lejos del cubo, de modo que el ángulo de disposición de la aleta 708 medido con relación al plano de montaje sería mayor que la de las aletas 702, 704, 706 dispuestas más cerca del cubo central de fijación.

En la modalidad de ejemplo representada en la Figura 8, un sistema generador de electricidad con corriente de agua amarrado, sumergido se proporciona en el cual el arreglo completo de hélices es montado en arrastre, de modo que la potencia de interferencia a partir de un arreglo de montaje frontal se evita, y se logra mayor estabilidad del sistema y eficiencia energética. Como se ve, esta configuración particular admite a una o más hélices dispuestas tanto en una posición superior de montaje de arrastre como en una posición de montaje de arrastre inferior, aunque también es posible la disposición de los múltiples arreglos de hélice, ya sea en un número mayor o menor de niveles.

En la Figura 9, que es esencialmente una vista posterior de la modalidad alternativa representada en la Figura 8, se ve que una modalidad específica, aunque no limitativa comprende un arreglo de hélice que tiene en total diez hélices, con seis hélices dispuestas en una posición de arrastre de montaje inferior y cuatro hélices dispuestas en una posición de arrastre de montaje superior, estando además con el arreglo en posición superior distribuido con dos hélices en cada lado del sistema generador de electricidad.

Esta forma de modalidad particular, ha resultado en la admisión de características superiores de generación de electricidad, estabilizando la estructura operadora del sistema reduciendo al mínimo la vibración, y permitiendo que los pares igualados de hélices funcionen en direcciones de rotación opuestas.

Aunque tales configuraciones son óptimas para ciertas modalidades de un sistema generador de electricidad, un número virtualmente ilimitado de otros arreglos y configuraciones de disposición puede ser empleadas cuando se considere eficaz en un entorno operativo determinado.

Como una cuestión práctica, la composición de la estructura de hélice de anillo de aleta probablemente sería común, por ejemplo, todas hechas de un metal durable, recubierto o resistente al óxido, de peso ligero.. Sin embargo, diferentes composiciones de materiales entre aletas y anillos también es posible, y otros materiales tales como materiales compuestos metálicos, compuestos duros de carbono, cerámica, efe, son ciertamente posibles sin apartarse del alcance de la presente descripción.

Como se representa en la Figura 10, cuando hay una necesidad de un número de estructuras para generar electricidad en una zona, el sistema de electricidad se puede consolidar para su eficiencia, con conexiones de electricidad y de control vinculado a una ubicación central, tal como una subestación de control, establecida cerca de las unidades instaladas. Esta consolidación de unidades puede ocurrir ya sea en el fondo del océano, o en (o cerca de) una estructura flotante en media agua.

La subestación de control puede ser instalada en una estructura de superficie flotante como un SPAR, o puede ser una subestación de control sumergida, posiblemente usando un sistema de boya, que pueden flotar a la superficie para el mantenimiento, o incluso corregida en el fondo del océano.

En aguas profundas, una instalación de conexión común en suelo marino requiere más cables de electricidad y sistemas de control adicionales que aumentan el coste y la complejidad del sistema, y sería más difícil de mantener que una instalación construida más cerca de las corrientes en la superficie del océano.

Una estructura flotante en medio del agua construida usando elementos similares a los flotadores de deslizamiento asociados con las unidades generadoras proporcionaría una ubicación común de colección de electricidad mientras no deja que ninguna estructura permanente penetre la superficie del agua. Esta configuración también requeriría correr menos líneas de electricidad y control en el fondo del océano, y dejaría un amplio calado para barcos en el área.

El tercer tipo de ubicación común de colección comprende una estructura que está amarrado al fondo del océano y flota sobre la superficie del océano cerca de las unidades generadoras. Este enfoque podría comprender muchos tipos de estructuras diferentes, pero un SPAR (como se mostró en la Figura 10) tendría algunas de las mejores características para el diseño y la estabilidad durante los fenómenos meteorológicos y huracanes debido a su reducción de viento y perfil de ola.

Una estación de consolidación de electricidad permite la transformación a una tensión de transmisión más alta, logrando así la capacidad de transferencia de electricidad superior y escalable a una red de transmisión de electricidad conectada en tierra. El permitir transmisiones más altas de voltajes también ofrece instalaciones ubicadas más lejos de la tierra con buenos resultados de transmisión de electricidad. La máxima transformación de electricidad se puede realizar ya sea en la estación de consolidación o en uno o más transformadores de electricidad instalados sobre una alfombra de lodo del suelo marino.

Dependiendo de otras variables, también puede haber necesidad de un dispositivo síncrono con base en tierra (tal como un motor síncrono grande o un controlador grande electrónico de velocidad variable) utilizado para estabilizar la red de electricidad cuando generación de corriente del océano en alta mar es significativamente mayor que la red de generación en tierra.

Para longitudes significativas en alta mar, es posible tener una conexión DC de transmisión de electricidad de alto voltaje que corra desde la estructura de consolidación todo el camino de regreso a la playa. La energía AC necesaria para las unidades generadoras individuales puede ser generada a partir del voltaje DC a una AC trifásica con el fin de alimentar los generadores de inducción. En la playa (o cerca de la playa, o incluso después), la DC está conectada a la red eléctrica o red inteligente como una interconexión de típica DC.

Como se representa en la Figura 1 1 , en lugares más profundos del océano, un SPAR no tiene necesidad de ser apoyado por flotadores de deslizamiento, y por lo tanto podría servir como una instalación de consolidación útil para conectar y desconectar de forma escalable una pluralidad de unidades individuales de generación de electricidad. Como se muestra, un SPAR sumergido aproximadamente 60.96 - 152.40 m puede ser amarrado permanentemente al fondo del mar utilizando un medio de amarre sólido, seguro, tal como una cuerda gruesa polietileno. Si la cuerda de políetileno se enrolla primero en una dirección y luego se cubre con una segunda cuerda enrollada en dirección opuesta, la linea enrollada combinada alternativamente será muy fuerte, y resistirá la torsión y anudado.

Reconociendo que el peso de los cables de acero afecta a aspectos de diseño con respecto a la flotación de la instalación de para consolidación, también es posible integrar una línea de amarre de cable trenzado de acero con un cable de electricidad encerrado en el centro. El cable de amarre de polietíleno podría no ser apropiada para esta aplicación debido a su tendencia a estirarse.

Un cable de electricidad separado se corre desde el SPAR hasta una caja de transmisión o transformador instalado en al fondo del mar, y luego corrido por debajo del suelo marino hacia su destino final.

Aún otro enfoque es correr el cable de electricidad a través de un vacio interior de una cuerda de poliuretano u otra linea de amarre, de modo que sólo hay una única línea que se extiende desde el SPAR, y el cable de electricidad es protegido de daños por la línea de amarre.

Volviendo ahora a un sistema más potente generador de electricidad de inducción de tipo de una sola estación, (por ejemplo, una modalidad que utiliza hélices de 12.19 m y más grandes), la Figura 12 es una vista lateral de un sistema generador de electricidad diseñado en vueltas de cuatro unidades en el que una pluralidad de generadores de inducción montados de frente se disponen sobre un marco establecido por los flotadores de deslizamiento con miembros de conexión.

Al menos cuatro hélices de 12.19 m o más grandes (dependiendo de la corriente), junto con las unidades generadoras asociados, están dispuestas en comunicación mecánica con un eje rotatorio o similar y se pueden rotar, ya sea mecánicamente o mediante un sistema de control lógico dispuesto en comunicación con un sistema neumático o hidráulico, con el fin de volverse turbinas axiales horizontales superior e inferior; luego, utilizando el sistema de lastre, la estructura se puede hacer flotar a la superficie para el acceso seguro y eficiente a las unidades generadoras para mantenimiento y reparación.

La Figura 13 es una vista superior de la misma estructura, que muestra la forma de ampliar las capacidades del sistema a un diseño de 6 u 8 hélices, o incluso más grande.

La Figura 14 representa una vista frontal de generador de electricidad de diseño volteado de cuatro unidades y sistema de hélices, que muestra las hélices en un plano vertical mientras están en servicio y unidas a una línea de amarre de tipo Y para estabilidad. En algunas modalidades, conforme más hélices se añaden al sistema, una barra de extensión u otro aparato similar se utiliza para impartir estabilidad adicional.

En la Figura 15, el generador de electricidad de diseño volteado de cuatro unidades y sistema de hélices está representado en reposo, mostrado ahora como volteado en una configuración útil para el transporte, instalación y mantenimiento. En una modalidad, las unidades generadadoras están unidas a la estructura del sistema de tal manera que puede girar aproximadamente noventa grados o más alrededor de un eje dispuesto en comunicación con el marco. Esta rotación se puede lograrse ya sea manualmente, o usando un sistema de control lógico para rotar las unidades sobre el eje mediante medios de rotación asociados tales como medios de rotación de neumáticos o hidráulicos.

En otra modalidad, los balastos son manipulados dentro de los flotadores de deslizamiento de forma que las unidades generadoras y las hélices rotan hacia arriba, como sería necesario para el remolque controlado cuando la estructura está siendo entregada al campo, o cuando el mantenimiento de las hélices, generadores, engranajes, etc., es necesario. Así, cuando las unidades generadoras y hélices están en su mayoría o totalmente por encima del nivel de la superficie, las hélices no causan inestabilidad a toda la estructura debido a la resistencia del viento, etc.

Mientras todavía otros aspectos de la invención, que en la práctica actual comprenden generalmente dispositivos asociados con la producción de energía bajo el agua en general (por ejemplo, fuentes auxiliares de suministro de electricidad, control de fibra óptica y sistemas de comunicación, vehículos operados por un operador remoto utilizados para el servicio de la estación de electricidad, etc.), son ciertamente contemplados como periféricos para su uso en el despliegue, posicionamiento, control y operación del sistema, no se considera necesario describir todos los artículos de este tipo en gran detalle ya que esos otros sistemas y subsistemas, naturalmente, se les ocurrirán a aquellos con experiencia en las técnicas pertinente.

Aunque la presente invención ha sido representada y descrita en detalle anteriormente con respecto a varias modalidades ejemplares, los expertos en la técnica apreciarán también que pequeños cambios en la descripción, y otras varias modificaciones, omisiones y adiciones también se pueden hacer sin apartarse ya sea del espíritu o alcance de la misma.

Claims (12)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. Una instalación de consolidación para consolidar electricidad generada por una pluralidad de sistemas generadores de electricidad con corriente de agua, cada uno de dichos sistemas generadores de electricidad comprenden una o más cámaras de flotación sumergidas; una o más unidades sumergidas generadoras de electricidad de tipo inductivo dispuestas en comunicación con dichas cámaras de flotación; una o más hélices dispuestas en comunicación con dichas unidades generadoras de electricidad de tipo inductivo; un sistema de amarre, y un medio de salida de electricidad generada, dicha instalación de consolidación comprende además: medios para recibir la electricidad generada por dichos sistemas generadores de electricidad y que se transfiere a dicha instalación de consolidación por dichos medios de salida de electricidad generada.

2. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha instalación está instalada en una superficie de suelo de un cuerpo de agua.

3. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha instalación está sumergida dentro de un cuerpo de agua entre la superficie del suelo del cuerpo de agua y la superficie del agua.

4. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha instalación comprende adicionalmente: una o más cámaras de flotación sumergidas, en donde una o más de dichas cámaras de flotación sumergidas comprende además una o más cámaras flotantes de aislamiento de fluidos, y en donde uno o más de dichas cámaras de aislamiento comprende además un fluido flotante dispuesto en su interior, una válvula de admisión de fluido flotante, una válvula de salida de fluido flotante, y un medio de control de la fuente de fluido boyante.

5. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha instalación flota sobre una superficie de agua cerca de los sistemas generadores de electricidad con corriente de agua.

6. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada además porque dicha instalación es un SPAR.

7. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada además porque dicha instalación es amarrada a una superficie del suelo del cuerpo de agua.

8. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada además porque dicha instalación es amarrada con una cuerda de poliuretano que comprende dos capas, con una primera capa enrollada en dirección de las manecillas del reloj y una segunda capa en dirección contraria a las manecillas del reloj.

9. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque comprende adicionalmente medios para transferir electricidad consolidada obtenida a partir de dicha pluralidad de sistemas generadores de electricidad con corriente de agua hacia una red eléctrica.

10. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque comprende adicionalmente medios para transferir electricidad consolidada obtenida de dicha pluralidad de sistemas generadores de electricidad con corriente de agua a uno ó más dispositivos de transformación de electricidad.

1 1. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada además porque dichos uno ó más dispositivos de transformación de electricidad transforma la electricidad transferida a un voltaje de transmisión más alto.

12. La instalación de consolidación de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada además porque dichos uno ó más dispositivos de transformación de electricidad transforma la electricidad transferida a un voltaje de transmisión más bajo.