WO2011089280A1 - Sistema generador eléctrico undimotriz de balance - Google Patents

Sistema generador eléctrico undimotriz de balance Download PDF

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Iñigo Echenique Gordillo
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Echenique Gordillo Inigo
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    • F03B13/20—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" wherein both members, i.e. wom and rem are movable relative to the sea bed or shore
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of renewable energies, more specifically to wave energy.
  • the object of the invention belongs to the sector of electricity generation from the energy of sea waves.
  • These devices are based on the use of the potential energy of a high body of water due to waves and that is converted into electricity by a turbine.
  • the present invention is based on a self-supporting system that gives solution to the problems described above, for this it takes advantage of the balance movement of a vessel or floating vessel, due to the action of the waves that act at an angle approximately transverse to its dimension principal, it is determined in its physical characteristics by various parameters that derive from the geometry, mass and vertical position of the center of gravity of said vessel or floating vessel.
  • each particular vessel or floating vessel has a determined period of its own balance which is the one with which it oscillates freely when it is subjected to an external moment that disturbs its balance.
  • the maximum oscillation of the vessel by wave action is obtained when the vessel's own period is in synchronism with that of the waves that act on it, being in these conditions when the energy capture of the waves is, therefore, greater .
  • Balance energy is linked to the period, the maximum angle obtained and the adrizante moments existing in the course of the same.
  • the present invention deals with the search for optimum use of this energy of the vessel subjected to balance by the effect of the waves.
  • the object of the invention is based on the capture of the energy of the balance produced by the action of the waves in a floating vessel or hull, by the movement of one or several masses, which are located inside, and move in synchronism with the rocking motion of said glass.
  • the dimensions, geometry and center of gravity of the floating element are optimized to produce the maximum amplitude of oscillation by approximating the hull's own period of balance and the predominant period of the waves, in order to obtain conditions close to the resonance.
  • the displacement of the center of gravity of the weights can be linear in a plane perpendicular to the balance axis or pendulum on an axis parallel to it.
  • the weight path is adapted to obtain maximum performance in capturing the energy obtained from its displacement and depending on the mechanism used for this purpose.
  • each weight In each swinging movement of the floating vessel, each weight will be displaced by gravity, either on tracks in the direction of the sleeve, this is the smallest dimension of the vessel, or in pendular motion on a fixed axis.
  • the capture of this energy is done by the pressure exerted by the weight on a hydraulic cylinder, directly or through a lever or connecting rod.
  • the compressed hydraulic fluid through a circuit in which accumulators and regulating valves are included, drives a hydraulic motor that is in turn coupled to an alternator that generates electricity.
  • the circuit travel and pressure are adjusted for optimum energy use by means of a control unit and a processor that receives the movement signal by means of an electronic clinometer.
  • a hydraulic drive the system can incorporate a pneumatic one or a mechanical one consisting of chains or transmission belts, using pulleys, gears, clutches and reducers to drive the alternator.
  • the proper period of balance of the floating vessel is inversely proportional to the square root of the metacentric radius, which, in turn, depends on the ordinate of the center of gravity.
  • the position of the center of gravity is automatically varied by transferring, with an electric pump, water to tanks located at different heights.
  • the position of the vessel containing the system is maintained thanks to two or more anchoring lines, preferably fixed at its longitudinal ends and consisting of chains fixed to an anchor or dead at the seabed.
  • anchoring lines can be adjusted to achieve the proper position in the direction of the variation in the direction of the vessel, by means of chasing or lowering the chain with a windlass or windlass.
  • Figure 1a Shows a cross section of the system adapted to the linear movement of the weight.
  • Figure 1 b.- Shows cross section of the system adapted to the linear movement of the weight in a final position of its oscillatory movement.
  • Figure 2a Shows a cross section of the system adapted to the pendular movement of the weight.
  • Figure 2b Shows a cross section of the system adapted to the pendular movement of the weight in a final position of its oscillatory movement.
  • FIG. 1 a A cross section of the system is shown in Figure 1 a and a floating vessel (1) is shown, which can be constructed of steel, fiberglass reinforced polyester, aluminum or reinforced concrete, depending on the weight and weight requirements. set production. The shape of the section is spilled in order to increase the adrizante pair with the heel. It has a closed cover that makes the set waterproof and protects it from the weather.
  • Various compartments have been arranged as water tanks (3) in order to allow the height variation of the center of gravity and therefore vary the proper period of balance of the floating vessel. Water filling and transferring is carried out by means of a pump (4) and a manifold, pipe and solenoid valve assembly.
  • hydraulic means with a hydraulic circuit that includes valves and pressure compensators (2), as well as an accumulator (9) to provide constant power for a certain period of time, and a hydraulic motor (5) that connected to an alternator (6) to produce electric current.
  • This current is transformed by a transformer (7) and sent to ground. by means of an underwater cable (16).
  • An electronic clinometer (8) as a balance sensor, located in the cradle of the floating vessel (1) transmits information about the balance angle and its variation in time to a control unit (10) responsible for regulating system variables .
  • the floating vessel (1) is attached to the seabed by two anchoring lines (15) that include electric windlass or conventional winches, which can be automatically activated, to adjust the position of the vessel with respect to that of the waves.
  • the generator can also have, in order to have accurate information on the wavefront, a floating sensor (17), which captures and transfers information about the height and period of the waves.
  • FIGs 2a and 2b the same system is shown with a variation in the arrangement of the mobile weight (12) which, in this case, performs a pendular oscillatory movement around a rod (18).
  • the hydraulic cylinders (1 1) are driven by the lever effect performed by the weight bearing arm (19) (12). It is possible to adjust the vertical position of the weight (12) by moving it on its support arm by mechanical or hydraulic procedure.
  • the operation of the system is otherwise similar to that described in Example 1.
  • Figure 2b shows the system in operation with the floating vessel (1) in balance condition and the arm (19) acting on the hydraulic cylinders (11).

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Abstract

Se describe un generador eléctrico capaz de producir electricidad a partir del aprovechamiento del movimiento periódico de oscilación de un vaso flotante o un barco mediante el accionamiento de unos pesos móviles inducido por el citado movimiento. El aprovechamiento se realiza mediante la actuación de los citados pesos sobre mecanismos hidráulicos, neumáticos o mecánicos encargados de transformar la energía mecánica generada en energía eléctrica para distribuirla a tierra a través de un cable submarino.

Description

SISTEMA GENERADOR ELÉCTRICO UNDIMOTRIZ DE
BALANCE
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al campo técnico de las energías renovables, más concretamente a la energía undimotriz.
El objeto de la invención pertenece al sector de la generación eléctrica a partir de la energía de las olas marinas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Dentro de la búsqueda de fuentes de energía renovables y no contaminantes, como alternativa a la obtenida de los hidrocarburos, la obtenible a partir de las olas o undimotriz, se presenta como una opción de interés, por una parte debido a su potencial en términos globales de potencia disponible así como por el hecho de presentar, dependiendo de las localizaciones geográficas, un carácter predecible en intervalos determinados de tiempo.
El aprovechamiento de la energía presente en las olas, se encuentra en un estado incipiente de desarrollo, comparativamente con el de otras fuentes de energía renovables como es el caso de la eólica o solar. Aún así, son muy numerosos los sistemas ingeniados para este propósito y que han sido objeto de patentes. Admiten diversas clasificaciones:
1 .- Según el tipo de emplazamiento:
- Fijos en la costa.
- Flotantes, anclados al fondo marino mediante línea de fondeo. - Fijos al fondo marino con una parte móvil.
2.- Según el método empleado para transformar la energía de la ola:
- Hidráulicos de elevación:
Estos dispositivos están basados en el aprovechamiento de la energía potencial de una masa de agua elevada por efecto de las olas y que se convierte en electricidad mediante una turbina.
Pueden ser de tipo flotante, o bien fijos en la costa. Al primer tipo pertenece el descrito en la patente GB2436595 al igual que el sistema denominado Wave Dragón.
- Gravitatorios:
Son aquellos que utilizan el movimiento vertical inducido por la ola en uno o varios flotadores o boyas y mediante sistemas hidráulicos, neumáticos o mecánicos accionan generadores eléctricos o almacenan la energía para ser posteriormente transformada.
Los descritos en las patentes GB 2434620 A, EP 1439306 A1 , WO2007/086750 A1 y DE 3642060 A1 , pertenecen a este tipo al igual que los sistemas Pelamis OPD y AWS.
- De desplazamiento:
En este tipo de sistemas, están basados en la energía cinética de la ola que actúa sobre placas o paletas o bien comprimiendo una masa de aire.
En los documentos de patente DE102006024042 A1 , US 2007/0081861 A1 , US 2007/015463 A1 , están descritos sistemas basados en este principio al igual que los sistemas Wave Roller, Oyster, así como los de tecnología OWC (Oscillating Water Column). Las características deseables para un sistema de generación eléctrica undimotriz, son las siguientes:
- Captación y transformación eficiente de la energía de la ola.
- Robustez del conjunto frente a condiciones severas de oleaje.
- Simplicidad mecánica.
- Capacidad de adaptación frente a las variaciones en las características de las olas.
- Facilidad de instalación.
- Alteración mínima del entorno marino.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención está basada en un sistema autoportante que da solución a los problemas anteriormente descritos, para ello se aprovecha del movimiento de balance de un buque o vaso flotante, debido a la acción de las olas que actúan en un ángulo aproximadamente transversal a su dimensión principal, viene determinado en sus características físicas por diversos parámetros que derivan de la geometría, masa y de la posición vertical del centro de gravedad de dicho buque o vaso flotante. Para una geometría, peso y posición del centro de gravedad definidos, cada buque o vaso flotante particular, cuenta con un periodo de balance propio determinado que es aquel con el cual oscila libremente cuando se ve sometido a un momento exterior que perturbe su equilibrio. La máxima oscilación del vaso por acción del oleaje se obtiene cuando el periodo propio del vaso se encuentra en sincronismo con el de las olas que actúan sobre él, siendo en estas condiciones cuando la captación de la energía de las olas es, por consiguiente, mayor. La energía del balance está ligada al periodo, al ángulo máximo obtenido y a los momentos adrizantes existentes en el curso del mismo. La presente invención trata de la búsqueda aprovechamiento óptimo de esta energía del vaso sometido a balance por efecto de las olas.
El objeto de la invención está basado en la captación de la energía del balance producido por la acción de las olas en un vaso flotante o casco, mediante el movimiento de una o varias masas, que se sitúan en su interior, y se desplazan en sincronismo con el movimiento de balanceo de dicho vaso. Las dimensiones, geometría y centro de gravedad del elemento flotante se optimizan para producir la máxima amplitud de oscilación mediante la aproximación del periodo propio de balance del casco y el periodo predominante de las olas, con objeto de obtener condiciones próximas a la resonancia. El desplazamiento del centro de gravedad de los pesos puede ser lineal en un plano perpendicular al eje de balance o bien pendular sobre eje paralelo a este. El recorrido del peso se adecúa para obtener un máximo rendimiento en la captación de la energía obtenida de su desplazamiento y en función del mecanismo empleado para este fin. En cada movimiento de balanceo del vaso flotante, cada peso se desplazará por acción de la gravedad, bien sobre unas vías en el sentido de la manga, esto es la menor dimensión del vaso, o bien en movimiento pendular sobre un eje fijo. La captación de esta energía se realiza mediante la presión ejercida por el peso sobre un cilindro hidráulico, directa o a través de una palanca o biela. El fluido hidráulico comprimido, a través de un circuito en el cual se incluyen acumuladores y válvulas reguladoras, acciona un motor hidráulico que está a su vez acoplado a un alternador que genera la electricidad.
El recorrido y presión del circuito son ajustados para un aprovechamiento energético óptimo mediante una unidad de control y un procesador que recibe la señal del movimiento mediante un clinómetro electrónico. Como alternativa a estos medios de aprovechamiento energético citados que incorporan un accionamiento hidráulico, el sistema puede incorporar uno de tipo neumático o bien uno mecánico que conste de cadenas o correas de transmisión, utilizando poleas, engranajes, embragues y reductoras para accionar el alternador.
El periodo propio de balance del vaso flotante es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del radio metacéntrico que, a su vez, depende de la ordenada del centro de gravedad. Con objeto de regular el periodo propio de balance del vaso, aproximándolo al de las olas, se procede a variar, de forma automática la posición del centro de gravedad mediante el trasiego, con una bomba eléctrica, de agua a tanques situados a distintas alturas.
La posición del vaso que contiene el sistema, se mantiene gracias a dos o más líneas de fondeo, preferiblemente fijadas en sus extremos longitudinales y que constan de cadenas fijadas a un ancla o muerto en el fondo marino. Considerando que la condición óptima para un balance máximo es cuando las olas predominantes inciden transversalmente al vaso, las líneas de fondeo se pueden ajustar para conseguir la posición adecuada frente a la variación en la dirección de aquellas, mediante el cazado o arriado de cadena con un chigre o molinete.
El sistema objeto de la invención ofrece las siguientes ventajas adicionales:
- Sistema exterior compacto sin partes móviles sensibles a la acción de la mar, lo cual se traduce en menor mantenimiento y reducción de las posibilidades de avería. Esta particularidad, muy ventajosa considerando la variabilidad de las condiciones del medio es, por si misma, una característica singular frente a los existentes.
- Posibilidad de instalación en las barras con rompientes en proximidad de los puertos en zonas de mar agitadas con lo cual, además de su función propia de generación de energía eléctrica, el sistema es útil para amortiguar las olas.
- Adaptación a las condiciones del oleaje para optimizar la producción de energía como consecuencia del incremento de la amplitud del balance.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS.
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:
Figura 1a.- Muestra una sección transversal del sistema adaptado al movimiento lineal del peso.
Figura 1 b.- Muestra sección transversal del sistema adaptado al movimiento lineal del peso en una posición final de su movimiento oscilatorio.
Figura 2a.- Muestra una sección transversal del sistema adaptado al movimiento pendular del peso.
Figura 2b.- Muestra una sección transversal del sistema adaptado al movimiento pendular del peso en una posición final de su movimiento oscilatorio.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN A la vista de las figuras se describen a continuación dos ejemplos a modo de realización preferente del objeto de la invención.
Ejemplo 1
En la Figura 1 a se muestra una sección trasversal del sistema y se representa un vaso flotante (1 ), que puede ser construido en acero, poliéster reforzado con fibra de vidrio, aluminio o bien en hormigón armado, dependiendo de los requerimientos de peso y producción del conjunto. La forma de la sección es derramada de cara a aumentar el par adrizante con la escora. Dispone de una cubierta cerrada que hace el conjunto estanco y lo protege de la intemperie. Se han dispuesto diversos compartimentos a modo de tanques de agua (3) con objeto de permitir la variación en altura del centro de gravedad y por consiguiente variar el periodo propio de balance del vaso flotante. El llenado y trasiego del agua se efectúa mediante una bomba (4) y un conjunto de colector, tubería y electroválvulas. En el interior del vaso flotante (1 ) se dispone, en sentido transversal, rectas o bien ligeramente curvadas, una o varias vías (13) metálicas, sobre la cual se encuentra situado un peso (12) móvil que se mueve sobre ella mediante unas ruedas. Al balancear el barco por efecto de las olas, el peso se desplaza sobre la vía, actuando sobre unos cilindros hidráulicos (1 1 ), ejerciendo presión sobre ellos y desplazando su pistón un cierto caudal de fluido hidráulico, generando por consiguiente una determinada potencia. En la Figura 1 b, puede verse el sistema en condición de balance. En los extremos de vía se disponen unos topes de recorrido (14) mientras que se incorporan al sistema unos medios de aprovechamiento energético, en este ejemplo medios hidráulicos con un circuito hidráulico que incluye válvulas y compensadores de presión (2), así como un acumulador (9) para proporcionar una potencia constante durante un determinado periodo de tiempo, y un motor (5) hidráulico que conectado a un alternador (6) para producir corriente eléctrica. Esta corriente es transformada mediante un transformador (7) y enviada a tierra mediante un cable submarino (16). Un clinómetro electrónico (8), como sensor de balance, situado en la crujía del vaso flotante (1 ) transmite información sobre el ángulo de balance y su variación en el tiempo a una unidad de control (10) encargado de regular unas variables del sistema. El vaso flotante (1 ) está sujeto al fondo marino mediante dos líneas de fondeo (15) que incluyen molinetes eléctricos o chigres convencionales, que pueden ser accionados de forma automática, para ajustar la posición del vaso con respecto a la de las olas. El generador puede contar, además y con objeto de disponer de una información precisa sobre el frente de olas, de un sensor flotante (17), que capta y transfiere información sobre la altura y periodo de las olas.
Ejemplo 2
En las figuras 2a y 2b se muestra el mismo sistema con una variación en la disposición del peso (12) móvil que, en este caso efectúa un movimiento oscilatorio pendular alrededor de un vástago (18). Tal y como se observa en la figura 2a Los cilindros hidráulicos (1 1 ) son accionados mediante el efecto de palanca que realiza el brazo (19) soporte del peso (12). Es posible ajustar la posición vertical del peso (12) desplazándolo en su brazo soporte mediante procedimiento mecánico o hidráulico. El funcionamiento del sistema es, por lo demás similar al descrito en el Ejemplo 1 . En la Figura 2b puede verse el sistema en operación con el vaso flotante (1 ) en condición de balance y el brazo (19) actuando sobre los cilindros hidráulicos (11 ).

Claims

REIVINDICACIONES
Sistema generador eléctrico undimotriz de balance que comprende:
- un vaso flotante (1 ) anclado al fondo marino mediante al menos una línea de fondeo (15) acoplada a unos molinetes eléctricos destinados a ajustar la posición del vaso flotante (1 ) con respecto a la de las olas,
- al menos un peso (12) móvil encargado de actuar sobre unos medios de aprovechamiento energético,
- un alternador (6) asociado a los medios de aprovechamiento energético destinado a generar electricidad a partir de la energía que recibe de dichos medios de aprovechamiento energético, y
- un transformador (7) encargado de transformar la corriente eléctrica generada por el alternador, caracterizado porque comprende:
- unos cilindros hidráulicos (1 1 ) destinados a absorber la energía producida por el movimiento del peso (12) y que se encuentran conectados a los medios de aprovechamiento energético para transmitir dicha energía,
- un acumulador (9) conectado a los medios de aprovechamiento energético encargado de recibir y acumular la energía producida por éstos y transmitírsela al alternador (6),
- una bomba (4) encargada de llenar/vaciar unos tanques de agua (3) ubicados en el interior del vaso flotante (1 ) para variar la posición vertical de su centro de gravedad, y - una unidad de control (10) encargada de regular los molinetes eléctricos, los medios de aprovechamiento energético y la bomba (4) para controlar el periodo propio de balance del vaso flotante (1 ), determinado por un sensor de balance (8) conectado a la unidad de control (10), con objeto de aproximarlo al de las olas predominantes.
2. - Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque el peso (12) es desplazable con movimiento alternativo sobre unas vías (13) y actúa sobre los cilindros hidráulicos (1 1 ) situados a ambos lados del peso (12).
3. - Sistema según reivindicación 2 caracterizado porque adicionalmente comprende unos topes de recorrido (14) que se encuentran ubicados en los extremos de las vías (13) destinados a limitar el movimiento del peso (12) en ambos sentidos.
4. - Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende un vástago (18) asociado al vaso flotante (1 ) dotado de una articulación.
5. - Sistema según reivindicación 4 caracterizado porque el peso (12) está vinculado a un brazo (19) que articula respecto la articulación del vástago (18) con un movimiento pendular sobre dicho vástago (18), en el que dicho brazo (19) se encuentra asociado a los cilindros hidráulicos (1 1 ) de modo que el movimiento pendular del peso (12) determina el desplazamiento interno de dichos cilindros hidráulicos (1 1 ).
6. - Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los medios de aprovechamiento energético comprenden un circuito hidráulico conectado a los cilindros hidráulicos (11 ) que comprende válvulas y compensadores de presión (2).
7. - Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque los medios de aprovechamiento energético comprenden un circuito neumático conectado a los cilindros hidráulicos (1 1 ) que comprende válvulas y compensadores de presión (2) y el acumulador (9).
8. - Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque los medios de aprovechamiento energético comprenden un dispositivo mecánico conectado a los cilindros hidráulicos (1 1 ) que comprende bielas, levas y/o transmisión por cadenas o correas y el acumulador (9).
9. -Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque adicionalmente comprende un cable submarino (16) destinado a distribuir la corriente eléctrica transformada por el transformador (7).
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