WO2008040822A1 - Installation and method for harnessing wave energy using gyroscope - Google Patents

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WO2008040822A1 PCT/ES2006/000549 ES2006000549W WO2008040822A1 WO 2008040822 A1 WO2008040822 A1 WO 2008040822A1 ES 2006000549 W ES2006000549 W ES 2006000549W WO 2008040822 A1 WO2008040822 A1 WO 2008040822A1
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waves
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Jose Pablo Ruiz Minguela
Sabino Elorduizapatarietxe Fadrique
Maria Herrero Eizmendi
Pedro Liria Loza
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Oceantec Energías Marinas, S.L.
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention belongs to the field of wave energy conversion systems. More specifically, the present invention relates to a system for converting wave energy into the open sea (in English: "off-shore").
  • said means for the transmission and reception of the captured data are wireless transmission / reception means.
  • the gyroscopic device is placed in a vacuum chamber.
  • Figure 10 shows a graph that represents the pitch angle as a function of the wave period and the height of the waves.
  • Figure 16 shows a graph representing the power obtained as a function of the orientation angle of the floating structure.
  • Figure 20 shows the convention used in naval engineering: When a wave front moves in the direction of the X axis, a longitudinal displacement (“arises”) occurs on this X axis and a turn on it , called roll (“roll”), indicated in figure 20 as (bal). As a consequence of this wavefront, on the Y axis there is a lateral displacement ("sway”) and a turn, called pitch ("piten”), indicated in figure 20 as (cab). On the Z axis there is a vertical displacement (“heave”) and a turn, called drift (“yaw”), indicated in figure 20 as (der).
  • the gyroscopic device (5) is firmly attached to the outside of the floating structure '(1) through a support (15), as illustrated in Figures 4A, 4B and 4C.
  • Figure 2 illustrates a floating structure (1) which preferably has an elongated shape, since the optimization of a series of parameters described below depends on said form.
  • the size of the floating structure (1) must be such that it conforms to the most frequent characteristics of the waves in the installation area.
  • Figure 2 shows the length or length (20) ' and the width or sleeve (21) of the floating structure (1).
  • For each sea state that is, combination of height Hs and wave period Tp) there is a length or length (20) of the floating structure (1) that maximizes the energy produced.
  • To each potential location of the floating structure (1) corresponds a matrix of occurrences of determined height-period of wave. That is, the same combinations of wave height and period have a different probability of occurrence for two different locations. It follows that each location has a predominant wave period and height.

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Abstract

Instalación para el aprovechamiento de la energía de las olas, que comprende una estructura flotante (1) que comprende al menos un dispositivo giroscópico (5) con un volante de inercia (6) que puede girar por accionamiento de un motor (7) y un generador (10) configurado de forma que, cuando el dispositivo giroscópico (5) está en uso, dicho volante de inercia (6) está sometido a un par de cabeceo provocado por el movimiento de las olas que alimenta al generador (10), donde la instalación comprende además: medios (23, 44) para controlar el motor (7); medios (24, 45) para controlar el generador (10); un dispositivo flotante (25) de captación de datos de las olas; medios para la transmisión de los datos captados por el dispositivo flotante (25) de captación de datos y para la recepción de dichos datos en la estructura flotante (1); una unidad de control (16) que calcula al menos un parámetro aplicable por los medios (23, 44) para controlar el motor (7) y al menos un parámetro aplicable por los medios (24, 45) para controlar el generador (10).

Description

INSTAIACION Y MÉTODO PARA EL APROVECHAMIENTO DE IA
ENERGÍA DE LAS OÍAS
D E S C R I P C I Ó N
INSTALLATION AND METHOD FOR HARNESSING WAVE ENERGY USING GYROSCOPE
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de los sistemas de conversión de la energia de las olas . Más concretamente, la presente invención se refiere a un sistema de conversión de la energia de las olas en mar abierto (en inglés : "off-shore" ) .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Desde hace mucho tiempo se está tratando de aprovechar la energia generada por las olas del mar. Uno de los métodos tradicionalmente utilizados para conseguir este propósito es el llevado a cabo en la costa (en inglés: "on-shore") .
Sin embargo, de los sistemas y métodos de conversión de la energia de las olas λλon-shore" se derivan una serie de inconvenientes, entre los que destacan el bajo aprovechamiento del potencial energético, el gran impacto ambiental que provocan y el rechazo social que dicho impacto ambiental conlleva.
Para superar estos inconvenientes, se han propuesto los métodos y sistemas para la conversión de la energia de las olas en mar abierto (en inglés: "off-shore"). Los sistemas "off-shore" pueden ser de dos tipos: sumergidos o basados en estructuras flotantes. Los sistemas "off-shore" sumergidos presentan la desventaja de que la distribución de la energia en mar abierto decrece de forma exponencial con la distancia a la superficie. Por esta razón, predominan los sistemas "off- shore" basados en estructuras flotantes, ya que son capaces de captar la energia en la zona donde hay una mayor concentración de ésta.
Los sistemas "off-shore" basados en estructura flotante comprenden una estructura flotante, que está sometida al efecto de las olas, y sobre la que se montan uno o varios captadores de la energia de las olas. Dentro de los sistemas "off-shore" flotantes se pueden identificar tres tipos principales: (a) absorbedores puntuales, (b) atenuadores y (c) terminadores o totalizadores. La figura 1 muestra un esquema de la dirección de ola (dirección de la flecha) en función del frente de ola con cada uno de los tres tipos de sistemas "off-shore" flotantes. Los atenuadores (ilustrados en la figura 1 (b) ) son estructuras alargadas que se colocan paralelas a la dirección de avance de las olas y extraen la energia de modo progresivo, por lo que su ancho de absorción equivalente es considerablemente mayor que el de los absorbedores puntuales (ilustrados en la figura l(a)). Según David Evans, en "The hydrodynamic efficiency of wave-energy devices", Hydrodynamics of Ocean Wave- Energy Utilization, Lisbon, Springer-Verlag: 1-34, 1985, idealmente su capacidad de absorción puede llegar a ser tres veces mayor que la de los absorbedores puntuales. Esto implica, en definitiva, una mayor capacidad de generación de energia por unidad de peso del convertidor. Por otra parte, estos sistemas están menos expuestos a daños y requieren menores esfuerzos de anclaje que los terminadores. No obstante, la mayoría de los sistemas λλoff-shore" flotantes necesitan para su funcionamiento una referencia fija (anclaje a fondo o lastre) , lo cual incrementa los esfuerzos a los que se ven sometidos los amarres. Además, estos dispositivos son sensibles a las mareas y su instalación y mantenimiento resultan más complejos .
Existen algunos sistemas "off-shore" flotantes que no necesitan una referencia externa, que están basados, o bien en el movimiento relativo entre dos o más cuerpos, o bien de movimiento inercial.
Los sistemas inerciales tienen sus elementos móviles totalmente encapsulados, lo que garantiza una mejor protección frente a la corrosión marina, que repercute en una reducción de costes de mantenimiento, menor riesgo de averias y menor riesgo de contaminación del medio (por ejemplo, debido a escape de fluidos) . Los sistemas inerciales conocidos se basan exclusivamente en el principio de masa oscilante (deslizamiento sobre guia o péndulo) . Al utilizar la gravedad como fuerza recuperadora su rendimiento es bajo, a no ser que se actúe sobre la masa oscilante en los puntos de velocidad cero (mediante retención) . Sin embargo, su control resulta excesivamente complejo, ya que es muy dificil encontrar el punto óptimo en el que dejar libre la masa, dada la variabilidad del oleaje.
Por otra parte, se conocen los volantes de inercia como elementos estabilizadores del movimiento de balanceo en buques. Estos volantes de inercia, a los que se conoce con el nombre de "giróscopos", utilizan como fuerza recuperadora la debida al efecto giroscópico, por lo que idealmente permiten transmitir completamente el par externo de la ola a otro elemento interior. Además, resulta relativamente fácil mantenerlos en fase mediante el control activo de la velocidad de giro y el par resistente. La patente US 4352023 describe un cuerpo flotante que está unido a un transductor de la energía que permite transformar el movimiento de las olas en la rotación de un eje. Este sistema está basado en dos marcos, uno de los cuales está unido a un giróscopo acoplado a un motor que permite su giro. Por efecto giroscópico, al estar el volante girando continuamente, el cabeceo y balanceo al que es sometido el cuerpo flotante por la acción de las olas se transforma en un movimiento oscilante según un eje de salida perpendicular al eje del motor de accionamiento. Mediante un acoplamiento adecuado, el movimiento oscilante se transforma en un giro unidireccional que alimenta un generador eléctrico.
Sin embargo, este sistema presenta una serie de inconvenientes, ya que el giróscopo de dicho sistema no es capaz de adaptarse a las condiciones externas, tales como tipo de oleaje, frecuencia o tamaño de las olas. Por esta razón, el aprovechamiento de la energía de las olas es muy bajo. Para adaptarse a las condiciones externas, es decir, al momento excitador de la ola, se necesita adaptar dos requisitos: la velocidad de giro y el par resistente. La velocidad de giro permite controlar la amplitud de oscilación o balanceo, para conseguir una captación de la energía máxima. El control del par resistente permite mantener la oscilación del captador en fase con el momento excitador, para obtener así un balance positivo de energía captada.
Sin embargo, el sistema descrito en la patente estadounidense US 4352023 no considera el control del dispositivo de captación en función de las condiciones externas del oleaje, por lo que su aprovechamiento energético es muy bajo. Además, su sistema de control sólo actúa en la velocidad de rotación, sin tener en cuenta el control del par resistente, que es un factor muy importante. Por eso, en US 4352023 el aprovechamiento de la energía de las olas es muy bajo.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene por objeto una instalación o sistema de aprovechamiento de energía de las olas situado fuera de la costa (λλoff-shore") , flotante, del tipo atenuador y de movimiento relativo inercial basado en un volante de inercia que resuelve los problemas mencionados. Esta instalación es fácilmente fondeable y está diseñada para maximizar la energía extraída en una dirección. Además, incorpora un número minimo de elementos móviles protegidos por la estructura. La instalación o sistema objeto de la presente invención aplica nuevas tecnologías (electrónica, comunicaciones, nuevos tratamientos superficiales) para minimizar sus gastos de mantenimiento y aumentar su vida útil.
La instalación o sistema de aprovechamiento de energía de las olas comprende una estructura flotante sobre la que o en el interior de la cual se sitúa al menos un dispositivo giroscópico, el cual comprende un volante de inercia dispuesto de manera que pueda girar por accionamiento de un motor situado en un eje de dicho volante de inercia, y un generador situado en un eje ortogonal al eje anterior de dicho volante de inercia, estando el generador configurado de forma que, cuando el dispositivo giroscópico está en uso, dicho volante de inercia está sometido a un par de cabeceo provocado por el movimiento de las olas capaz de alimentar a dicho generador. La instalación comprende además: medios para controlar el motor; medios para controlar el generador; un dispositivo flotante de captación de datos capaz de captar datos procedentes de las olas; medios para la transmisión de los datos captados por el dispositivo flotante de captación de datos y para la recepción de dichos datos en la estructura flotante; una unidad de control que, a partir de los datos captados por el dispositivo flotante de captación de datos, calcula al menos un parámetro aplicable por los medios para controlar el motor y al menos un parámetro aplicable por los medios para controlar el generador.
Preferentemente, los datos captados por el dispositivo flotante de captación de datos son al menos la altura de las olas y el periodo de las olas, y más preferentemente, el periodo pico de las olas.
Preferentemente, dicho al menos un parámetro aplicable por los medios para controlar el motor es una velocidad de rotación, más preferentemente una velocidad de rotación óptima.
Preferentemente, dicho al menos un parámetro aplicable por los medios para controlar el generador es un par resistente, más preferentemente un par resistente óptimo.
Preferentemente, dichos medios para controlar al motor comprenden al menos un dispositivo de control y un convertidor de potencia.
Preferentemente, dichos medios para controlar al generador comprenden al menos un dispositivo de control y un convertidor de potencia.
Preferentemente, dichos medios para la transmisión y recepción de los datos captados son medios de transmisión/recepción inalámbricos. Preferentemente, el dispositivo giroscópico se sitúa en una cámara de vacio.
Preferentemente, la estructura flotante es de forma alargada, siendo la relación entre su manga y su eslora de entre 1/12 y 1/6.
Preferentemente, la estructura flotante comprende además elementos de lastrado que se sitúan en los extremos de dicha estructura flotante.
Preferentemente, la estructura flotante comprende además un sistema de fondeo.
Preferentemente, la estructura flotante comprende además un dispositivo corrector de su posición en relación con la dirección del oleaje.
Preferentemente, el generador es un generador rotativo.
Asimismo, otro objeto de la invención es un método de aprovechamiento de energia de las olas que puede llevarse a cabo fuera de la costa ("off-shore") . Dicho método comprende las siguientes etapas: someter a un dispositivo giroscópico situado en una estructura flotante a un movimiento de cabeceo provocado por las olas; hacer girar un volante de inercia de dicho dispositivo giroscópico por accionamiento de un motor, de forma que dicho movimiento de cabeceo provocado por las olas se transforme en un movimiento oscilante de balanceo sobre un eje; alimentar, mediante dicho movimiento oscilante de balanceo, a un generador situado en un eje ortogonal al eje anterior de dicho volante de inercia; captar una serie de datos procedentes de las olas; enviar dichos datos a una unidad de control situada en dicha estructura flotante; calcular al menos un parámetro aplicable a dicho motor y al menos un parámetro aplicable al generador a partir de dichos datos procedentes de las olas; aplicar dichos parámetros al motor y al generador respectivamente .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un esquema de los tres tipos principales de sistemas "off-shore" flotantes.
La figura 2 ilustra una estructura flotante según una realización de la presente invención.
La figura 3 ilustra la configuración interior un dispositivo giroscópico según una realización de la presente invención.
Las figuras 4A, 4B y 4C muestran tres posibles realizaciones del dispositivo giroscópico y de su unión a la estructura flotante de la presente invención.
Las figuras 4D y 4E muestran sendos detalles de los rodamientos o cojinetes y los componentes de fijación.
Las figuras 5A y 5B muestran dos posibles realizaciones de la unión entre las distintas partes de las que se fabrica el volante de inercia, según una realización de la presente invención.
La figura 6 muestra un ejemplo de las fijaciones eje- volante en un volante de inercia unido por dos tapas.
La figura 7 muestra una gráfica que representa la variación de las pérdidas por fricción según varia la presión atmosférica dentro de la cámara de vacio.
Las figuras 8A, 8B y 8C muestran diversas vistas del acoplamiento mecánico según una realización de la presente invención.
La figura 9 muestra una gráfica que representa el par resistente aplicado por el generador, en función del periodo del oleaje y de la altura de las olas.
La figura 10 muestra una gráfica que representa el ángulo de cabeceo en función del periodo del oleaje y de la altura de las olas.
La figura 11 muestra una gráfica que representa la potencia obtenida en función del par resistente aplicado y de la velocidad de rotación del volante de inercia.
La figura 12 muestra una tabla que representa la variación del coeficiente de velocidad de rotación en función del periodo y de la altura de las olas.
La figura 13 muestra una gráfica que representa la eslora óptima de la estructura flotante en función del periodo de las olas.
La figura 14 muestra una tabla que representa la matriz de ocurrencias alturas-periodos de ola característica de las inmediaciones del Puerto de Bilbao.
La figura 15 muestra una gráfica que representa la potencia obtenida en función de la inercia longitudinal.
La figura 16 muestra una gráfica que representa la potencia obtenida en función del ángulo de orientación de la estructura flotante.
Las figuras 17A y 17B muestran gráficas que representan la potencia de resonancia para distintas situaciones .
La figura 18 que representa la superficie de potencias medias en función del estado de mar (Hs, Tp) .
La figura 19 representa un diagrama de bloques del control del sistema de generación de energía.
La figura 20 muestra la convención usada en ingeniería naval.
La figura 21 muestra un diagrama de bloques del procedimiento para determinar las variables de control del sistema convertidor de energía.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
A continuación, y con referencia a las figuras, se describen los distintos modos de realización de la instalación o sistema de la presente invención.
Además, el término "aproximadamente" debe entenderse como indicando valores muy próximos a los que dicho término acompañe. El experto en la técnica entenderá que una pequeña desviación de los valores indicados, dentro de unos términos razonables, es inevitable debido a imprecisiones de medida, etc.
Asimismo, en el contexto de la presente invención, los siguientes términos deben interpretarse con arreglo a las siguientes definiciones:
Los términos cabeceo (o "piten") y balanceo (o "roll") han de interpretarse dentro de las convenciones utilizadas en ingeniería naval. El sistema de coordenadas de referencia se coloca con el eje X hacia la proa del convertidor de energía, el eje Y hacia babor y el eje Z hacia arriba. El origen de coordenadas se sitúa en el centro de gravedad del convertidor.
Para ilustrar estos conceptos, la figura 20 muestra la convención usada en ingeniería naval: Cuando un frente de ola se desplaza en el sentido del eje X, se produce un desplazamiento longitudinal ("surge") sobre este eje X y un giro sobre el mismo, llamado balanceo ("roll") , indicado en la figura 20 como (bal) . Como consecuencia de este frente de onda, sobre el eje Y se produce un desplazamiento lateral ("sway") y un giro, llamado cabeceo ("piten") , indicado en la figura 20 como (cab) . Sobre el eje Z se produce un desplazamiento vertical ("heave") y un giro, llamado deriva ("yaw") , indicado en la figura 20 como (der) .
Asi, se define:
Movimiento de cabeceo (o "piten") : Desplazamiento angular en el plano vertical en torno al eje transversal del dispositivo (eje Y).
Movimiento de balanceo (o "roll") : Desplazamiento angular en el plano vertical en torno al eje longitudinal del dispositivo (eje X) .
- Momento excitador del oleaje: Par ejercido por la ola alrededor del eje Y de cabeceo del convertidor.
Par de cabeceo: Par realmente transmitido al convertidor de energía cuando se tiene en cuenta su comportamiento hidrodinámico. >
- Momento angular del volante de inercia: Producto del momento de inercia del volante respecto al eje Z por la velocidad angular de rotación del mismo.
- Par resistente del generador: Par opuesto por el generador en eje X del convertidor de energía.
Inercia longitudinal: Momento de inercia del convertidor de energía con respecto al eje Y del sistema de coordenadas.
El sistema o instalación de aprovechamiento de energía de las olas, es decir, el sistema convertidor de energía, situado fuera de la costa ("off-shore") , comprende al menos los siguientes elementos: una estructura flotante, la cual incorpora, entre otros elementos, un dispositivo captador de energía o sistema giroscópico, que comprende un volante de inercia accionado por un motor; medios de control del motor, preferentemente de control del par del motor; una boya o dispositivo flotante de captación de datos; medios de transmisión/recepción de datos inalámbricos; una unidad de control de los datos captados por la boya; un generador rotativo y medios de control de dicho generador, preferentemente de control de variación del par resistente de dicho generador. A continuación se describe en detalle estos elementos y su funcionamiento en la instalación de aprovechamiento de energía.
El sistema o instalación de aprovechamiento de energía de las olas, es decir, el sistema convertidor de energía, se basa en el movimiento relativo inercial que causan las olas en un dispositivo giroscópico o captador de energía. Dicho movimiento se utiliza para alimentar a un generador eléctrico a través de una serie de etapas intermedias de transformación. El dispositivo captador de energía o dispositivo giroscópico, que a partir de ahora denominaremos dispositivo giroscópico, se sitúa en el interior de una estructura flotante, o sobre la misma, preferentemente de forma alargada, que se mantiene constantemente alineada con la dirección de avance de las olas, como se explica más adelante. Esto provoca un movimiento de cabeceo (o pitch) en la misma.
La figura 2 ilustra una estructura flotante (1) según una realización de la presente invención. Esta estructura flotante (1) no debe considerarse como limitativa, sino como un ejemplo ilustrativo y no limitativo. Sobre la estructura flotante (1) o en el interior de la misma se encuentra un dispositivo giroscópico (5) , que a su vez comprende al menos un disco o volante de inercia, que a partir de ahora denominaremos volante de inercia (6) . La estructura flotante (1) comprende preferentemente un solo dispositivo giroscópico (5) , pero no está limitada a un único dispositivo giroscópico, sino que puede comprender más de uno, en realizaciones particulares de la invención.
La configuración interior de dicho dispositivo giroscópico (5) se ilustra en la figura 3. El dispositivo giroscópico (5) comprende un volante de inercia (6). Este volante de inercia (6) gira continuamente por la acción de un motor (7) . El volante de inercia (6) está montado sobre un marco (8) que únicamente le permite girar, por la acción del motor (7) , en torno a su eje de revolución vertical Z (11) . Los ejes "X", "Y" y "Z" de la figura 3 representan un sistema de referencia fijo, mientras que los ejes "Xi", "Yi" y "Zi" representan el sistema de referencia relativo al volante de inercia (6). El volante de inercia (6) tiene también un eje longitudinal (18), ortogonal al primero Z, que es el eje longitudinal del sistema convertidor o eje X. La estructura flotante (1) está continuamente sometida a un movimiento de cabeceo provocado por acción de las olas sobre el eje Y del sistema convertidor y, por tanto, sobre el volante de inercia (6). Por efecto giroscópico, el movimiento de rotación continuo del volante de inercia (6) se opone al movimiento de cabeceo provocando un movimiento oscilante de balanceo (Ψ) en el eje longitudinal X (18). Este movimiento oscilante de balanceo (Ψ) se transforma posteriormente en un movimiento de rotación unidireccional ( Ψ ) mediante un acoplamiento (9) . Este movimiento oscilante (Ψ ) alimenta a un generador (10) . Esto se explica en detalle posteriormente. Además, en la figura 3, φ indica la velocidad de rotación, θ indica la velocidad de cabeceo y Nθ indica el par de cabeceo.
Las figuras 4A, 4B y 4C muestran tres configuraciones del dispositivo giroscópico (5) según tres posibles realizaciones de la presente invención.
El volante de inercia (6) actúa como elemento captador de energía del sistema. Las dimensiones del volante de inercia (β) pueden variar en función de la energía que se quiera extraer del equipo y del material con el que se fabrique. El material utilizado para fabricar el volante de inercia (6) se elige de entre materiales de alta resistencia. Por ejemplo, puede fabricarse en aceros de alta resistencia, aceros en general, materiales compuestos (composites de matriz metálica, composites de matriz cerámica, y composites de matriz orgánica) , aluminios o en otro material adecuado conocido en el estado de la técnica y/o combinaciones de ellos.
Además, las figuras 4D y 4E muestran sendos detalles de los rodamientos o cojinetes (13) y los componentes de fijación (17) . Éstos (17) se muestran también en las figuras 5A y 5B.
Preferentemente el volante de inercia (6) tiene un espesor inferior o igual a 2 metros. El volante de inercia (6) preferentemente tiene forma cilindrica. El radio de la circunferencia que define la base del cilindro se elige menor o igual a 3 metros, más preferentemente, entre 1,5 y 3 metros.
Además, el perfil elegido del volante de inercia (6) es de espesor variable con una concentración de masas en el exterior, por ejemplo un volante de inercia (6) en forma de cilindro. El perfil es tal que permite maximizar la relación entre momento angular y masa. El momento angular, que se calcula mediante el producto momento de inercia por velocidad angular de rotación, debe cumplir con las especificaciones o con la situación particular del oleaje para obtener la energía deseada. Es decir, el momento angular está relacionado con el momento excitador del oleaje. Por tanto, en ubicaciones muy energéticas se necesita un captador de mayor momento de inercia o velocidad de rotación o bien varios captadores independientes, para obtener la energía deseada. El volante de inercia (6) puede adoptar distintas configuraciones. Asi, puede ser macizo o hueco, puede estar formado por un aro o por varios aros, unidos por dos o más tapas (38) . La unión entre las distintas partes de las que se fabrica el volante de inercia (6), puede realizarse mediante una única tapa entre las distintas piezas o fabricando tres subsistemas independientes entre si como se muestra en las figuras 5A y 5B.
Otras posibilidades de unión entre los volantes de inercia (6) son, por ejemplo, la unión mediante chapas tanto en la superficie exterior como en la superficie interior del volante.
La figura 6 muestra un ejemplo de las fijaciones eje- volante en un volante de inercia unido por dos tapas (38) .
Como ya se ha explicado, el volante de inercia (6) del dispositivo giroscópico (5) comprende un eje Z (11), como se ilustra en las figuras 3, 4A, 4B y 4C. El eje Z (11) transmite el movimiento de giro al volante de inercia (6) a través del motor (7) unido al mismo. El control de la velocidad angular del dispositivo giroscópico, se obtiene con un dispositivo de control
(23) del motor (7) , que gobierna un convertidor de potencia (44) que controla al motor (7) . Esto se ilustra en la figura 19, que se describe más adelante. Como entradas a este dispositivo de control (23) del motor (7) se emplean: la consigna de velocidad de rotación deseada y las medidas de velocidad de rotación y de posición del motor. A partir de esta información y de los valores actuales de velocidad y posición del eje del motor y de las magnitudes eléctricas de funcionamiento, el dispositivo de control (23) del motor obtiene, mediante cálculo de control vectorial, los pulsos de control que se inyectan al convertidor de potencia (44) que gobierna al motor (7), para que este alcance la velocidad y el momento angular deseado. El par torsor transmitido por el motor (7) es superior en el arranque. Durante el funcionamiento continuo, dicho par torsor supera las pérdidas de unos rodamientos o cojinetes (13), que se describen posteriormente, y las pérdidas por venteo, es decir, las pérdidas por fricción del volante de inercia con el viento o atmósfera. Para disminuir las pérdidas por venteo se introduce el equipo en una cámara de vacio
(12). Un ejemplo no limitativo, sino meramente ilustrativo, es un vacio de 500 mbar (milibares) , que permite disminuir las pérdidas por venteo a la mitad.
El eje Z (11) sustenta el volante de inercia (6) y soporta las tensiones debidas al peso y al movimiento de cabeceo y vaivén del conjunto. El material del eje puede ser acero, materiales compuestos (composites de matriz metálica, composites de matriz cerámica y composites de matriz orgánica) , aluminios u otro material adecuado conocido en el estado de la técnica, y sus mezclas. El dispositivo giroscópico (5) comprende además componentes de fijación mecánicos (17), tales como unidades de fijación cónicas, uniones mecánicas por presión hidráulica, chavetas, atornillado u otras uniones conocidas por el estado de la técnica, que unen el volante (6) con el eje (11) y los rodamientos o cojinetes (13) de baja fricción, que disminuyen las pérdidas en el arranque y durante su funcionamiento.
Los rodamientos o cojinetes (13) sustentan el eje Z (11) preferentemente en dos apoyos en los extremos de dicho eje (11) , aunque pueden usarse también otras configuraciones. En la parte inferior del eje Z (11) se sitúan rodamientos o cojinetes (13) que soportan cargas axiales y radiales y en la parte superior del eje (11) se sitúan rodamientos o cojinetes (13) que soportan cargas radiales.
Las figuras 4A, 4B, 4C, 4E, 5A, 5B y 6 muestran también la fijación eje-volante de inercia (17). Esta fijación eje-volante (17) permite la transmisión del movimiento del eje Z (11) al volante (6). La fijación eje-volante (17) se coloca en un lugar u otro, según la configuración del volante de inercia (6). Asi, para un volante de inercia (6) formado, por ejemplo, por un aro con dos tapas las fijaciones se sitúan en ambas tapas. La figura 6 muestra un ejemplo de la situación de las fijaciones eje-volante (17) en un volante de inercia (6) unido por dos tapas (38) . El signo de referencia (19) de las figuras 5A, 5B y 6 indica la corona del volante de inercia ( 6) .
El volante de inercia (6) está preferentemente totalmente encapsulado y protegido dentro de la estructura (1) .
La carcasa exterior o marco, que a partir de ahora denominaremos marco, referenciada en la figura 3 mediante el signo de referencia (8), que envuelve el volante de inercia (6), da soporte estructural al conjunto eje- volante-motor. Además, asegura una atmósfera de vacio respecto al ambiente exterior (cámara de vacio) . Por esta razón, en las figuras 4A, 4B y 4C a dicho marco (8) se le representa como una cámara de vacio (12) . En las figuras 4A, 4B y 4C, el dispositivo giroscópico (5) se encuentra confinado en el interior de dicha cámara de baja presión o cámara de vacio (12). La cámara de vacio (12) reduce las pérdidas debidas a la fricción con el aire, que aumentan con el cubo ( ) 3 de la velocidad de rotación y la quinta potencia ()5 del diámetro. Asi mismo, la cámara de vacio permite reducir la corrosión de los sistemas incluidos en la cámara.
La figura 7 muestra una gráfica que representa el resultado de unas simulaciones numéricas realizadas para estudiar cómo varian las pérdidas por fricción según varia la presión atmosférica dentro de la cámara de vacio
(12) . En el eje X se representa la presión en bares
(bar) , mientras que en el eje Y se representan las pérdidas por fricción, en kilowatios (kW) . Como puede apreciarse, las pérdidas por fricción aumentan según aumenta la presión atmosférica. Por tanto, reduciendo la presión en el interior de la cámara (12), las pérdidas por fricción se reducen de forma proporcional.
Como se ha dicho, el marco (8) actúa de cámara de vacio (12) para evitar las pérdidas por venteo. Mediante un sistema de vacio se alcanzan depresiones entre 70 mbar y 500 mbar. Gracias a la cámara de vacio (12) se consigue que su interior quede estanco o aislado, y se evitan asi pérdidas para el mantenimiento del vacio.
Además, en caso de rotura accidental del volante de inercia (6), el marco (8) o cámara de vacio (12) protege al conjunto del sistema convertidor. El marco protege también de un indeseado fallo catastrófico que afectara a los componentes externos. Un ejemplo de fallo catastrófico incluye el peor escenario posible: la rotura de la estructura flotante (1) y el hundimiento del convertidor.
Una posible configuración del marco (8) o cámara de vacio (12) según una realización de la presente invención comprende un cuerpo cilindrico central con dos tapas situadas en ambos extremos. Los soportes del eje (11) sobre el que se monta el volante de inercia (6) se sitúan en ambas tapas. El eje longitudinal X (18) del volante de inercia (6), una vez pasada la cámara de vacio (12), se conecta a un generador (10) mediante un acoplamiento (9), preferentemente mecánico.
El eje X o eje del marco (18) es aquél sobre el que se monta el sistema volante-marco. El eje soporta cargas debidas al peso del conjunto. Además está sometido a cargas fluctuantes debidas al efecto del cabeceo y del balanceo.
El material de fabricación del marco puede ser aceros, materiales compuestos (composites de matriz metálica, composites de matriz cerámica y composites de matriz orgánica) , materiales cerámicos, aluminio, magnesio, titanio o, alternativamente, puede estar formado por capas de los distintos materiales mencionados o en otros materiales adecuados conocidos en el estado de la técnica, y sus mezclas.
Los rodamientos o cojinetes (13) del eje X (18) del marco sustentan el marco y soportan el movimiento de balanceo del mismo, los esfuerzos debidos al cabeceo del conjunto y cargas axiales. Preferentemente, los rodamientos o cojinetes (13) son autoalineables, ya que, debido a la elevada longitud del eje, las desalineaciones son probables. Los rodamientos o cojinetes (13) autoalineables son conocidos comercialmente. Ejemplos de rodamientos o cojinetes (13) autoalineables son rodamientos de rodillos o rodamientos de rodillos a rótula.
La diferencia entre la figura 4A, 4B y 4C radica en la colocación del motor (7) : en una realización de la invención, el motor (7) se coloca debajo del volante de inercia (6), lo cual favorece el alojamiento y lubricación de los rodamientos o cojinetes (13) ; en otra posible realización de la presente invención, el motor
(7) se coloca después de los- rodamientos o cojinetes
(13) . En este segundo caso, la longitud del eje (11) es menor, lo que implica mayor rigidez del conjunto. Por último, en una tercera realización de la presente invención, el motor (7) se coloca en la parte superior del volante de inercia (β), lo cual favorece la vida útil del motor, al estar protegido del resto del conjunto.
Como ya se ha explicado, el movimiento oscilatorio
(Ψ ) que se obtiene del dispositivo giroscópico (5) se transforma en un giro continuo (Ψ) en un único sentido (rotación unidireccional) mediante un acoplamiento (9), preferentemente mecánico, diseñado para el aprovechamiento de la energia de las olas. El acoplamiento mecánico (9) ilustrado en las figuras 3, 8A, 8B y 8C, comprende un sistema multiplicador que incluye engranajes, ruedas libres y reenvíos como se ilustra en las figuras 8A, 8B y 8C. Una vez obtenido el giro ( Ψ' ) en un mismo sentido (rotación unidireccional) , como se ilustra en la figura 3, éste se utiliza para accionar un generador rotativo (10) , como se ilustra en las figuras 3 y 8. Este generador rotativo (10) puede ser cualquier generador rotativo convencional, por ejemplo, un generador rotativo eléctrico convencional, preferentemente de imanes permanentes. El giro de baja frecuencia se acondiciona al régimen de trabajo del generado rotativo (10) tras una o varias etapas de multiplicación mediante el acoplamiento (9), preferentemente acoplamiento mecánico (9) . El control de par resistente que tiene que ofrecer el generador rotativo, preferentemente de imanes permanentes, conectado al acoplamiento mecánico (9) de salida del dispositivo giroscópico, se obtiene con un dispositivo de control (24) del generador (10), que gobierna el convertidor de potencia (45) que controla al generador (10) . Este dispositivo de control (24) se encarga de la variación del par resistente del generador (10) . Como entradas a este dispositivo de control (24) del generador
(10) se emplean: la consigna de par resistente deseado (Mr) y las medidas de velocidad de giro y de posición del generador. A partir de esta información y de los valores actuales de velocidad y posición del eje del generador y de las magnitudes eléctricas de funcionamiento, el dispositivo de control (24) del generador obtiene, mediante cálculo de control vectorial, los pulsos de control que se inyectan al convertidor de potencia que gobierna al generador (10) , para que este alcance el par resistente deseado. Esto se ilustra en la figura 19.
Alternativamente, en realizaciones particulares se utiliza un acoplamiento hidráulico, neumático o una transformación directa en energía eléctrica. En el caso de utilizar acoplamientos hidráulicos/neumáticos, el movimiento oscilatorio se emplea para comprimir un fluido, que se acumula en un depósito a presión y posteriormente se libera haciendo girar al generador. En el caso de utilizar transformación directa en energía eléctrica, se utiliza un generador lineal, por lo que no es necesaria ninguna transformación intermedia.
Una fuente de energía auxiliar (no mostrada en las figuras) , que se carga con una parte de la energía producida por el convertidor o mediante otra fuente de energía renovable (por ejemplo, pero no limitativamente, paneles fotovoltaicos sobre la estructura flotante (I)), permite mantener al volante de inercia (6) en movimiento y alimentar a los demás sistemas del convertidor de energía.
Por último, el dispositivo giroscópico (5) se encuentra firmemente unido a la parte exterior de la estructura flotante' (1) a través de un soporte (15), como se ilustra en las figuras 4A, 4B y 4C.
Las figuras 8A, 8B y 8C muestran también una unidad de control (16) . Además, la figura 19 muestra esta unidad de control (16), un dispositivo de control (23) del motor y un dispositivo de control (24) del generador. Estos dispositivos de control (16, 23 y 24), que se sitúan preferentemente en la estructura flotante (1) , permiten adaptar los parámetros de funcionamiento del convertidor a las condiciones cambiantes del oleaje, que son principalmente: altura significante (Hs), periodo (Tp) y dirección de propagación (β) . Asi, la figura 19 muestra que estos tres parámetros (Hs, Tp, β) se indican en la figura 19 como parámetros de entrada a la unidad de control (16). Los bloques (44) y (45) representan sendos convertidores de potencia, cuya salida sirve de entrada del motor (7), que a su vez se conecta al volante de inercia (6), y del generador (10), respectivamente. La figura 19 ilustra también el acoplamiento (9), preferentemente mecánico, descrito anteriormente. Lo más correcto para optimizar el rendimiento es definir la energía que existe en cada banda de frecuencias del oleaje (espectro energético) y ajustar el funcionamiento del sistema convertidor de energía a la frecuencia más energética. Esto se ilustra en la figura 21, que representa un diagrama de bloques del procedimiento para determinar las variables de control del sistema convertidor de energía. El periodo correspondiente a esta frecuencia es el periodo de pico (Tp) . Otros parámetros, como el periodo medio (Tz) o el periodo energético (Te) pueden no representar la realidad del estado de mar que se esté analizando. Asi, se optimiza el aprovechamiento de la energía de las olas. Estos parámetros de funcionamiento del convertidor se adquieren mediante una boya de medida (25) que se describe más adelante. Actuando sobre la velocidad de rotación o giro (φ) del volante de inercia (6) y el par resistente del generador
(10) se consigue mantener al dispositivo giroscópico (5) en fase con el oleaje, por lo que el aprovechamiento de la energía es máximo. A partir de la altura significante
(Hs), del periodo pico (Tp) y de la dirección de propagación (β) , la unidad de control (16) del convertidor obtiene los valores de par resistente
(M1. -Nψ) óptimo y la velocidad de rotación (^) óptima del dispositivo giroscópico. Estos valores se extraen de dos tablas, de par resistente y de velocidad de giróscopo, almacenadas en la memoria de la unidad de control (16) del convertidor.
Como muestra la figura 21, la boya de medida (25) registra los parámetros del oleaje: preferentemente altura significante (Hs) , periodo pico del oleaje (Tp) y dirección de propagación (β) . Aunque preferentemente la boya (25) mide y registra los tres parámetros (Hs, Tp y β) , en realizaciones particulares de la invención la boya (25) registra solo dos de estos parámetros, esto es, la altura significante (Hs) y el periodo pico (Tp) . Además, en realizaciones particulares de la invención la boya (25) registra el periodo medio del oleaje en vez del periodo pico.
La magnitud del momento excitador (Me) depende de los parámetros del oleaje y de la geometría del convertidor de energía, es decir, de su comportamiento hidrodinámico en la mar. Su cálculo se realiza según la mecánica de fluidos clásica y los resultados se validan en canal de experiencias hidrodinámicas. La expresión general de la ecuación diferencial que define el comportamiento en cabeceo de la estructura sometida al efecto de las olas es la siguiente: A-θ +B-θ+C-θ =Me donde:
^ , ^ y ^ : Movimiento, velocidad y aceleración de cabeceo del convertidor, respectivamente A: Coeficiente de inercia de cabeceo
B: Coeficiente de amortiguamiento del cabeceo C: Coeficiente de recuperación del cabeceo Me: Momento excitador
La respuesta del convertidor, es decir, la velocidad de cabeceo (θ ) , se obtiene resolviendo esta ecuación diferencial por métodos numéricos.
El movimiento del dispositivo giroscópico o captador se define según la mecánica clásica mediante las siguientes dos ecuaciones diferenciales:
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cosy donde: TΓ r Ψ y Ψ : Movimiento, velocidad y aceleración de balanceo del dispositivo giroscópico o captador, respectivamente .
Iv: Momento de inercia del dispositivo giroscópico o captador respecto al eje Z
K: Constante de par resistente.
Φ : Velocidad angular de rotación del dispositivo giroscópico o captador.
Mc: Momento estabilizador introducido por el dispositivo giroscópico o captador (en el mismo plano y opuesto a Me) .
De estas ecuaciones se obtienen la velocidad de balanceo del dispositivo giroscópico o captador (1^) y el momento estabilizador (Mc) introduciendo los valores de la constante de par resistente (K) y de la velocidad angular de rotación del dispositivo giroscópico o captador [^). El momento estabilizador (Mc) se compara con el momento excitador (Me) y se utiliza para modificar la respuesta del convertidor en cabeceo.
La velocidad angular de rotación del dispositivo giroscópico o captador (^) y el par resistente (Mr = Kψ ) son las consignas mandadas a los dispositivos de control
(23, 24) del motor y del generador respectivamente.
Nótese que Mr=Nψ.
Los valores óptimos de la constante de par resistente (K) y de la velocidad angular de rotación del dispositivo giroscópico o captador (^) son función la altura significante (Hs) y el periodo pico (Tp) . Estos valores se calculan una sola vez y se almacenan en una tabla en el dispositivo de control del captador para su consulta.
La determinación de estos valores se realiza de modo iterativo para cada pareja (Hs, Tp) con ayuda de las ecuaciones diferenciales anteriormente descritas. Se parte de unos valores iniciales (Ko y φo ) con los que se calcula el valor del par resistente inicial (Mro) . A continuación se incrementa los valores de K y ^ respectivamente (Ki+i = K± + ΔK; 0;+i = <p;. + Δφ ) . Se recalcula el valor del par resistente (Mri+i) y se compara con el valor anterior (Mri) . Este ciclo continúa hasta que Mri+i sea inferior a Mr^ Los valores óptimos son entonces K¿ y
El par resistente aplicado por el generador (10) depende principalmente del periodo del oleaje (Tp) y de la altura de las olas (Hs) . Esto se expresa en la figura 9, que recoge las simulaciones que reflejan la resolución de ecuaciones diferenciales de segundo orden. La figura 9 representa el par resistente del generador (expresado en newtons x metro (N x m) ) con respecto a la altura de las olas Hs (en el eje Y, en metros) y al periodo Tp (en el eje X, en segundos) .
El par resistente se maximiza con el aumento del ángulo de cabeceo [O). Estas simulaciones se muestran en la figura 10. La figura 10 muestra una gráfica que representa el ángulo de cabeceo (en radianes) en función del periodo del oleaje (Tp) (s) y de la altura de las olas (Hs) (m) .
La potencia máxima se obtiene para un momento angular que está asociado a una velocidad de rotación del volante de inercia (6) . La figura 11 muestra una gráfica que representa el resultado de unas simulaciones numéricas realizadas para estudiar cómo varia la potencia
(en watios W, eje Z) obtenida en función del par resistente aplicado (eje X), en newtons x metro, y de la velocidad de rotación (φ , eje Y) del volante de inercia
(6) para una altura Hs y periodo de ola Tp determinados.
Aunque la velocidad de rotación se expresa en rad/s, en la figura 11 se ha expresado en porcentaje % de la velocidad máxima soportada por el material con el que se fabrique el volante. El control de la velocidad de rotación del volante de inercia (6) permite ajustar la velocidad del dispositivo giroscópico (5) a la correspondiente al momento angular óptimo. La figura 12 muestra una tabla que representa el resultado de unas simulaciones numéricas realizadas para estudiar cómo varia la velocidad de rotación del giróscopo, en función de la altura de la ola (Hs) (en metros) y del periodo pico de la ola (Tp) (en segundos) .
Como se ha explicado anteriormente, el sistema o instalación de aprovechamiento de energia o sistema convertidor de energia comprende también una boya o dispositivo flotante (25) de captación de datos o medida. Esta boya (25) de medida puede ser cualquier boya de medida comercial, tales como las comercializadas por Seawatch®, Wavescan®, Waverider® o Triaxys®. La boya (25) de medida registra los parámetros del oleaje: preferentemente altura significante (Hs) , periodo de pico (Tp) y dirección de propagación (β) . La boya de medida (25) se sitúa en las inmediaciones del sistema de aprovechamiento de energia de las olas, a fin de garantizar un grado similar de exposición al oleaje y tener en cuenta los efectos locales de interacción del oleaje con el fondo o la costa. La distancia máxima puede llegar a ser de 5 a 10 Km aproximadamente.
Los datos del oleaje se envian regularmente al sistema convertidor de energia, y más concretamente, a la unidad de control (16) , mediante un equipo de transmisión/recepción inalámbrico, que se describe posteriormente. Los valores de altura (Hs), periodo de ola, preferentemente periodo pico (Tp) y dirección de propagación (β) se obtienen mediante medidas o estimaciones. Más adelante se muestran los datos medidos en las inmediaciones del Puerto de Bilbao. En función de la altura (Hs) y el periodo de pico (Tp) existentes en cada momento, la unidad de control (16) se encarga de seleccionar el valor máximo (K) del par resistente (Mr, Nψ) que es necesario aplicar en el eje X (18) del dispositivo giroscópico (5) . Los valores de Hs y Tp están relacionados entre si a través de las distribuciones para una ubicación concreta (como los datos incluidos para el
Puerto de Bilbao) . El par resistente (Mr, Nψ ) se aplica en el eje X (18) a través del generador (10), que está gobernado por un convertidor de potencia (45) . La consigna de par resistente es enviada al convertidor de potencia (45) por el dispositivo de control (24) del generador, que fija el valor máximo del par requerido en cada ciclo de balanceo y aplica un par proporcional a la velocidad de balanceo en cada momento N = K-ψ . Los parámetros Hs y Tp se relacionan con la constante K a través de gráficas similares a la representada en la figura 11.
Resulta imprescindible actuar en el eje X (18) del dispositivo giroscópico (5) variando el par por dos motivos :
Por una parte, una magnitud de par demasiado baja darla lugar a una inestabilidad en el comportamiento del dispositivo giroscópico (5) que imposibilitarla el aprovechamiento energético. Un valor superior del par resultarla en un aprovechamiento energético subóptimo o insuficiente (en caso de que se aleje en exceso del valor máximo) .
Por otra parte, se utilizan los datos del oleaje
(altura y periodo) para seleccionar la velocidad de rotación óptima (φ) que se debe aplicar en el eje Z (11) del dispositivo giroscópico (5) . Esta consigna se envia a un motor (7) mediante el dispositivo de control (23) de la velocidad de rotación del dispositivo giroscópico (5) que hace girar el eje solidario Z (11) con el volante de inercia (6) del dispositivo giroscópico (5).
La actuación en el eje Z (11) se realiza de manera más lenta puesto que las condiciones del oleaje se pueden mantener estables durante varias horas.
La actuación en el eje Z (11) del dispositivo giroscópico (5) mediante un motor (7) es también necesaria para lo siguiente:
- Poner en funcionamiento el sistema captador cuando las condiciones de oleaje permitan el aprovechamiento energético: modo de operación.
- Frenar el giro del volante de inercia (6) para proteger los mecanismos del dispositivo giroscópico (5) en situación de oleaje extremo (temporal) : modo de supervivencia .
Alcanzar la velocidad de rotación que permite la extracción de la máxima potencia: modo de máximo aprovechamiento energético.
El sistema de transmisión/recepción es preferentemente inalámbrico, y se utiliza para que los datos captados por la boya de medida (25) se transmitan a la unidad de control (16) y se procesen en ésta. Dicho sistema de transmisión/recepción inalámbrico comprende un transmisor situado en la boya de medida y un receptor situado en la parte no sumergida de la estructura y conectado a la unidad de control (ambos suministrados por las boyas de medida comerciales anteriormente mencionadas) . Los datos se envían preferentemente via radio, lo que garantiza una cobertura en mar de hasta 50 km, mucho mayor que la distancia entre la boya de medida y el convertidor. Este sistema de transmisión/recepción inalámbrico es convencional.
La unidad de control (16) permite actuar tanto a largo como a corto plazo. En el primer caso, la unidad de control (16) realiza un control de las condiciones de funcionamiento generales a través de ' modelos de predicción meteorológica (24-48 horas) . En el segundo caso, se realiza un control más fino mediante la sensorización de los valores instantáneos de altura (Hs), periodo de pico de la ola (Tp) y dirección de propagación (β) , y utilizando técnicas de análisis de Fourier para determinar las condiciones de funcionamiento idóneas.
Los modelos de previsión de oleaje consisten en modelos de generación y propagación que están acoplados a modelos meteorológicos y más concretamente a las salidas de campos de vientos que estos generan. En el mar Cantábrico, dado que la mayor parte de la energía del oleaje que recibe se genera en el Atlántico norte, el oleaje puede tardar de 24 hasta 48 horas en llegar a la costa, una vez que se ha generado, por lo que la previsión suele tener un grado de fiabilidad mucho mayor que la que ofrece el modelo meteorológico. Las previsiones para los oleajes locales tienen una fiabilidad menor por su escala y por depender directamente de la previsión de viento en la zona. Aun asi las previsiones meteorológicas han alcanzado en los últimos años una fiabilidad muy elevada en el horizonte de las 48 horas.
Por lo tanto, a partir de las salidas que ofrecen diversos organismos como el FNMOC o la NOA o, a escala local, el INM (Instituto Nacional de Meteorología) o Euskalmet, se puede tener con gran precisión una previsión de las características principales del oleaje durante las próximas horas e incluso con menor fiabilidad con 3-4 días de antelación.
El uso de análisis espectral es importante en la forma de abordar el análisis del estado del mar. Se pasa de una descripción ola a ola del oleaje, a una descripción en la que se considera el oleaje como una perturbación aleatoria de la superficie libre entorno a un nivel medio, con algunas características de su distribución preestablecidas o conocidas. Esta visión hace posible el uso de la teoría de análisis de señales con todas las herramientas matemáticas de análisis de Fourier que esta conlleva.
El espectro del oleaje puede definirse de manera razonablemente rigurosa como la distribución de la energía asociada al oleaje (potencia, en realidad) con la frecuencia. No obstante, la definición formal del espectro del oleaje es la transformada de Fourier de la función de autocovarianza de la elevación de la superficie libre. Como el muestreo de la superficie libre no se realiza de forma continua, si no que se realiza una medición cada cierto tiempo (periodo de muestreo) no podemos aplicar la Transformada de Fourier continua, sino la Transformada Finita de Fourier (TFF) .
Así, agrupando las olas del registro por direcciones y aplicando la transformada de Fourier a cada grupo obtenemos una distribución de la energía del oleaje medido, en direcciones y frecuencias. Entonces, las características del captador se ajustan para un máximo aprovechamiento. Finalmente, la energía eléctrica producida por el sistema convertidor se transporta hasta tierra firme para su integración en red mediante un cable submarino.
Alternativamente, la energía también puede almacenarse en forma de otro vector energético (por ejemplo, pero no limitativamente, hidrógeno, aire comprimido o agua a presión) o emplearse directamente para desalar agua
(mediante osmosis inversa, por ejemplo).
También se han optimizado varios parámetros de la estructura flotante (1) de la instalación para el aprovechamiento de la energía de las olas de la presente invención.
Por una parte, la alineación de la estructura flotante (1) con la dirección de avance de las olas se consigue mediante un sistema de fondeo que se describe más adelante. Opcionalmente, esta alineación se consigue también mediante un dispositivo corrector.
La figura 2, anteriormente descrita, ilustra una estructura flotante (1) que tiene preferentemente forma alargada, ya que de dicha forma depende la optimización de una serie de parámetros que se describen a continuación. El tamaño de la estructura flotante (1) debe ser tal que se adecué a las características más frecuentes del oleaje en la zona de instalación. La figura 2 muestra la longitud o eslora (20)' y la anchura o manga (21) de la estructura flotante (1) . Para cada estado de mar (es decir, combinación de altura Hs y periodo de ola Tp) existe una longitud o eslora (20) de la estructura flotante (1) que hace máxima la energía producida. A cada ubicación potencial de la estructura flotante (1) le corresponde una matriz de ocurrencias de altura-periodo de olaje determinada. Es decir, las mismas combinaciones de altura de la ola y periodo de la misma tienen una probabilidad de ocurrencia diferente para dos ubicaciones distintas. De ahi se deriva que cada ubicación tiene un periodo y altura de ola predominantes.
A modo de ejemplo, la figura 14 muestra una tabla que representa la matriz de ocurrencias altura-periodo de oleaje característica de las inmediaciones del Puerto de
Bilbao, con respecto al periodo pico (Tp) , en segundos y a la altura significante (Hs), en metros. En este caso, el periodo predominante es de 12 s y la altura de ola de 1,5 m.
Para cada matriz de ocurrencias existe una eslora (20) que hace máxima la energía producida por el sistema convertidor de energía. La eslora (20) está directamente relacionada con el periodo del estado de mar predominante. La figura 13 muestra una gráfica que representa el resultado de unas simulaciones numéricas realizadas para calcular la eslora óptima, es decir, la que hace máxima la energía producida por el sistema convertidor de energía, y su relación con la longitud de onda de las olas, para dos valores diferentes de periodo pico de oleaje ("a", Tp = 6,3 s; λλb", Tp = 7,3 s) . En el eje X se representa la eslora L, en metros, y en el eje Y la potencia media, en kilowatios (kW) . Para las matrices de ocurrencia estudiadas, como se refleja en la gráfica de la figura 13, la eslora óptima tiene un valor muy próximo, pero nunca superior, a la longitud de onda predominante, que depende del periodo pico según la fórmula λ = l,56-T2.
La estructura flotante (1) , especialmente su forma externa, se diseña para maximizar el cabeceo debido al oleaje y ofrecer un amortiguamiento estructural bajo para que el aprovechamiento de energía del captador sea máximo. Si se mantiene constante el calado de la estructura flotante (1) , el área de la sección sumergida se incrementa a medida que aumenta su anchura o manga (21) . Sin embargo, el ancho eficaz de captación aumenta en una proporción menor. Por lo tanto, para maximizar la energía extraída por unidad de volumen, la estructura debe ser lo más esbelta o alargada posible. El término "esbelto" debe entenderse en la presente descripción como que la relación manga/eslora, B/L, debe ser pequeña.
Una vez determinada la longitud o eslora óptima para un emplazamiento determinado, la relación manga/calado se elige para maximizar la energía extraída por unidad de volumen siempre y cuando permita alojar todos los componentes del captador en su interior.
Además, la estructura flotante (1) ha de disponer de un calado suficientemente grande que minimice los efectos del viento y, asi, orientarse en la dirección de propagación del oleaje.
La flotabilidad óptima que dota a la estructura flotante (1) de una estabilidad hidrodinámica adecuada se consigue añadiendo lastre (22), como se muestra en la figura 2. El lastre (22) no se distribuye uniformemente sino que se coloca en los extremos de la estructura (1) para aumentar la inercia longitudinal de la estructura flotante (1) . La figura 15 muestra una gráfica que representa el resultado de unas simulaciones numéricas realizadas para estudiar cómo afecta la inercia longitudinal a la potencia generada. La gráfica de la figura 15 muestra la potencia media, en kilowatios (kW)
(eje Y) con respecto a la eslora, en metros (eje X), para dos sistemas convertidores de energía de inercia 100% (a) y 170% (b) de la inercia longitudinal correspondiente a una distribución uniforme de masas. Como puede apreciarse, el aumento de la inercia longitudinal aumenta la potencia generada, tal y como se desprende de las simulaciones realizadas. Es decir, el incremento de la inercia longitudinal mejora el aprovechamiento energético del sistema convertidor de energía.
En cuanto a la manga (21) de la estructura, su límite inferior viene determinado por el volumen del dispositivo giroscópico (5), que se aloja dentro del convertidor o sobre su superficie.
La figura 16 muestra una gráfica que representa el resultado de unas simulaciones numéricas realizadas para estudiar cómo varía la potencia generada (kW, en el eje Y) en función del ángulo de orientación (en grados, en el eje X) de la estructura flotante (1) . Se muestra la potencia real (b) con respecto a una sinusoide ideal (a) . Como puede apreciarse, al variar la orientación del dispositivo, la potencia generada disminuye de forma similar a una sinusoide. Por lo tanto, la estructura flotante (1) debe alinearse con la dirección de propagación del oleaje. Se puede establecer que, para un cambio de orientación de ±20°, la pérdida de potencia es aproximadamente del 9%.
La estructura flotante (1) comprende además un sistema de fondeo. Este sistema de fondeo comprende unos amarres que permiten que la estructura flotante (1) pueda girar 360°, maximizando así el aprovechamiento de la energía direccional. El sistema de fondeo se ubica en la parte inferior de la estructura flotante (1) preferentemente entre la proa y la sección central de la misma a fin de reducir la dependencia con el grado de libertad de aprovechamiento de la energía de las olas
(cabeceo) . El sistema de fondeo se diseña preferentemente para profundidades marinas de entre 50 y 100 m.
Además, en una realización particular, la estructura flotante (1) incorpora un dispositivo corrector de la posición de la estructura (1) en relación con la dirección del oleaje (β) . Este dispositivo corrector puede consistir en una serie de empuj adores, hélices o chorros transversales a la proa de la estructura (1) .
Anteriormente se ha explicado que para aumentar la inercia longitudinal de la estructura flotante (1) se añade lastre (22), preferentemente en los extremos de la estructura (1) . Las figuras 17A y 17B muestran la potencia de resonancia (eje Y, en watios (W) ) en función del periodo pico de ola (Tp) (eje X, en segundos) para dos porcentajes distintos de inercia longitudinal: 170%
(a) y 100% (b) , y para dos alturas significantes de ola (Hs) : 2 metros (figura 17A) y 3 metros (figura 17B) . Como se aprecia en las figuras 17A y 17B, la potencia extraída es mayor cuanto mayor sea la inercia longitudinal.
La figura 18 muestra una gráfica que representa la potencia media (eje Z, en watios (W) ) en función del estado del mar: altura de las olas en metros (eje X) y periodo en segundos, (eje Y) .
En definitiva, el sistema o instalación para aprovechamiento de la energía de las olas de la presente invención optimiza:
1) la velocidad de rotación del dispositivo captador (5) , mediante el control de la altura de la ola, el periodo pico de la ola y la dirección de propagación de la misma;
2) el par resistente aplicado, mediante el control de al menos la altura de la ola y el periodo pico de la ola, y preferentemente también la dirección de propagación de la misma; 3) la posición de la estructura flotante (1) con respecto a la dirección del oleaje;
Gracias a la instalación o sistema para el aprovechamiento de la energía de las olas de la presente invención, construyendo instalaciones marinas con múltiples unidades, se puede incrementar la producción total de energía eléctrica.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin salir del objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Instalación para el aprovechamiento de la energia de las olas, que comprende: -una estructura flotante (1) que comprende al menos un dispositivo giroscópico (5) , el cual comprende a su vez un volante de inercia (β) dispuesto de manera que pueda girar por accionamiento de un motor (7) situado en un eje (11) de dicho volante de inercia (6), y un generador (10) situado en un eje (18) ortogonal al eje anterior (11) de dicho volante de inercia (6), estando el generador (10) configurado de forma que, cuando el dispositivo giroscópico (5) está en uso, dicho volante de inercia (6) está sometido a un par de cabeceo provocado por el movimiento de las olas capaz de alimentar a dicho generador (10) ,
dicha instalación estando caracterizada por comprender además : -medios (23, 44) para controlar el motor (7);
-medios (24, 45) para controlar el generador (10) ;
-un dispositivo flotante (25) de captación de datos capaz de captar datos procedentes de las olas;
-medios para la transmisión de los datos captados por el dispositivo flotante (25) de captación de datos y para la recepción de dichos datos en la estructura flotante (1) ;
-una unidad de control (16) que, a partir de los datos captados por el dispositivo flotante (25) de captación de datos, calcula al menos un parámetro aplicable por los medios (23, 44) para controlar el motor (7) y al menos un parámetro aplicable por los medios (24, 45) para controlar el generador (10).
2. Instalación según la reivindicación 1, en la que los datos captados por el dispositivo flotante (25) de captación de datos comprenden al menos- la altura de las olas (Hs) y el periodo pico de las olas (Tp) .
3. Instalación según la reivindicación 2, en la que los datos captados por el dispositivo flotante (25) de captación de datos comprenden además la dirección de propagación de las olas (β) .
4. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho al menos un parámetro aplicable por los medios (23, 44) para controlar el motor
(7) es una velocidad de rotación (^).
5. Instalación según la reivindicación 4, en la que dicha velocidad de rotación es una velocidad de rotación óptima.
6. Instalación según la cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho al menos un parámetro aplicable por los medios (24, 45) para controlar el generador (10) es un par resistente (Mr,
1. Instalación según la reivindicación 6, en la que dicho par resistente es un par resistente óptimo.
8. Instalación según la cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dichos medios (23,
44) para controlar al motor (7) comprenden al menos un dispositivo de control (23) y un convertidor de potencia (44).
9. Instalación según la cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dichos medios (24,
45) para controlar al generador (10) comprenden al menos un dispositivo de control (24) y un convertidor de potencia ( 45 ) .
10. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dichos medios para la transmisión y recepción de los datos captados son medios de transmisión/recepción inalámbricos .
11. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo giroscópico (5) se sitúa en una cámara de vacio (12) .
12. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la estructura flotante (1) es de forma alargada, siendo la relación entre su manga (21) y su eslora (20) de entre 1/12 y 1/6.
13. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la estructura flotante (1) comprende además elementos de lastrado (22) que se sitúan en los extremos de dicha estructura flotante (1) .
14. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la estructura flotante (1) comprende además un sistema de fondeo.
15. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la estructura flotante (1) comprende además un dispositivo corrector de su posición en relación con la dirección del oleaje.
16. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el generador (10) es un generador rotativo.
17. Método para aprovechar la energía de las olas que comprende las siguientes etapas: someter a al menos un dispositivo giroscópico (5) situado en una estructura flotante (1) a un movimiento de cabeceo provocado por las olas;
- hacer girar un volante de inercia (6) comprendido en dicho dispositivo giroscópico (5) por accionamiento de un motor (7), de forma que dicho movimiento de cabeceo provocado por las olas se transforme en un movimiento oscilante de balanceo sobre un eje (18) ;
-alimentar, mediante dicho movimiento oscilante de balanceo, a un generador (10) situado en un eje (18) ortogonal al eje anterior (11) de dicho volante de inercia ( 6) ;
dicho método estando caracterizado por las siguientes etapas:
-captar una serie de datos procedentes de las olas;
-enviar dichos datos a una unidad de control (16) situada en dicha estructura flotante (1) ;
-calcular al menos un parámetro aplicable a dicho motor (7) y al menos un parámetro aplicable al generador (10) a partir de dichos datos procedentes de las olas;
-aplicar dicho parámetro o parámetros al motor (7) y al generador (10) respectivamente.
18. Método según la reivindicación 17, en el que dicho al menos un parámetro aplicable al motor (7) es una velocidad de rotación (^).
19. Método según la reivindicación 18, en el que dicha velocidad de rotación es una velocidad de rotación óptima.
20. Método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que dicho al menos un parámetro aplicable al generador (10) es un par resistente (Mr, N ) .
21. Método según la reivindicación 20, en el que dicho par resistente es un par resistente máximo.
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