WO2017055649A1 - Dispositivo para convertir la energía cinética de las olas, las corrientes de agua o el viento en energía mecánica - Google Patents

Abstract

El dispositivo comprende una pluralidad de turbinas de flujo cruzado (9), cada una que comprende palas curvadas fijos (5, 6) dispuestos en configuración de jaula de ardilla alrededor de un eje de rotación (A). Las turbinas (9) están montados sobre un soporte flotante (10) en el agua, directamente colocado en el flujo de fluido (18) y dispuestos sucesivamente uno tras otro con sus ejes (A) paralelos entre sí y perpendiculares al flujo (18).

Description

DISPOSITIVO PARA CONVERTIR LA ENERGÍA CINÉTICA DE LAS OLAS, LAS CORRIENTES DE AGUA O EL VIENTO EN ENERGÍA MECÁNICA

DESCRIPCION CAMPO TÉCNICO

La invención se refiere en general a un dispositivo de bajo costo que hace un uso eficiente de la energía de las olas o las corrientes de agua o el viento, el uso de turbinas de flujo cruzado y sin la necesidad de deflectores. Es especialmente adecuado para el bombeo de agua de mar y para la generación de electricidad mediante el aprovechamiento de la energía de las olas del mar. ESTADO DE LA TECNICA

Conocido son en la técnica los dispositivos para convertir la energía cinética de un flujo de las olas, el viento o las corrientes de agua en energía mecánica de rotación (para la generación de electricidad), que comprende una turbina de flujo transversal, la turbina están provistos de palas curvadas fijas dispuestas en ardilla configuración de jaula alrededor de un eje de rotación.

Ejemplos de estos dispositivos se describen en los documentos KR100191636 B1 y KR101492768B1.

KR100191636 B1 da a conocer una turbina montada sobre dos flotadores que mantienen la mitad inferior de la turbina sumergida, causando así que el flujo que pasa entre los flotadores hace girar la turbina. En KR101492768 B1 se muestra una turbina montada en un dispositivo flotante, pero la disposición de la turbina está completamente hundido. El dispositivo es complejo, ya que comprende una carcasa que rodea diseñado para canalizar el agua en la parte inferior de la turbina. En general, las turbinas de configuración ardilla con cuchillas fijas que operan en fluidos líquidos están provistos de un deflector destinado a canalizar el fluido a través de la porción exterior de la turbina, y sólo a través de un lado de la turbina.

Por lo tanto, en general, los dispositivos conocidos que operan con turbinas de configuración ardilla son dispositivos complejos que no permiten para maximizar el aprovechamiento de la energía del flujo incidente.

En particular, estos dispositivos no permiten de manera óptima para extraer energía de la energía de las olas, es decir, a nivel de la superficie del agua, y en general su estructura es compleja y engorrosa.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Para superar las deficiencias de la técnica anterior, la presente invención propone un dispositivo para convertir la energía cinética de un flujo de las olas, el viento o las corrientes de agua en energía mecánica de rotación (para la generación de electricidad), que comprende una pluralidad de turbinas de flujo cruzado, cada una que comprende fija palas curvadas dispuestas en configuración de jaula de ardilla alrededor de un eje de rotación. Según la invención, las turbinas están montados sobre un soporte flotante en el agua, se coloca directamente en el flujo de fluido y dispuestos sucesivamente uno tras otro con su hacha paralelos entre sí y perpendiculares al flujo de fluido.

Este dispositivo está especialmente adaptado para hacer un uso eficiente de la energía de las olas, el viento y las corrientes de agua (que es muy robusta y económica), ya que hace uso de turbinas de flujo cruzado de bajo costo, sin la necesidad de deflectores costosos, desconcierta o flujo medios de canalización destinada a canalizar el flujo de sólo una parte de las turbinas. Las turbinas sucesivas permiten disminuir sucesivamente el flujo de energía y, a continuación, la energía que queda después de haber pasado el flujo a través de una turbina es aprovechada en el otro posterior.

En particular, la invención es muy ventajosa para su uso en el aprovechamiento de la energía de onda. El frente de onda, al alcanzar las turbinas, consiste principalmente en un movimiento vertical de las partículas, que pueden ser aprovechadas por la turbina. A medida que el frente de onda que avanza a través de turbinas sucesivas, se rompe, lo que significa que el movimiento del flujo adquiere progresivamente una dirección horizontal, que luego puede ser explotada por los siguientes turbinas.

En el caso de los dispositivos de ondas, donde las partículas de agua oscilan vertical mente, describiendo trayectorias trocoidales y la creación de corrientes de superficie de gran alcance en la forma de interruptores, las turbinas tal como se utiliza en la presente invención siempre girar en la misma dirección de rotación de forma independiente del flujo incidente , que a su vez permite la simplificación de los elementos eléctricos o electrónicos de potencia aguas abajo que finalmente se conectan a las turbinas.

Funciona como un arrecife de las turbinas en alta mar o en tierra del interruptor.

De acuerdo con varias características opcionales que se pueden combinar entre sí siempre que sea técnicamente posible:

- Cuando funciona como dispositivo de una ola, los ejes de las turbinas son paralelos y montado horizontalmente en la estructura de soporte cascos flotante. En particular, esto tiene que ser entendida como que los ejes de las turbinas están montados en el soporte flotante de tal manera que los ejes están dispuestos horizontalmente cuando el dispositivo se coloca en el agua. Esta disposición es particularmente adecuada para tomar ventaja de la energía superficial de un flujo vertical y horizontal de agua. También implica una ocupación de espacio reducido en la dirección vertical, lo que le permite ser utilizado en aguas poco profundas o como un rompeolas. También permite que éste entre en y fuera del agua con un remolcador.

- Los ejes de las turbinas están contenidas en el mismo plano, permitiendo así sucesivamente de manera óptima el aprovechamiento de las olas flujo de energía.

- El apoyo flotante tiene un perfil de sección en U transversal que forma un canal, de tal manera que un casco o en la pared inferior y dos cascos laterales o paredes, los ejes de las turbinas que se soportan rotativamente entre los dos cascos laterales. Esta estructura permite que los cascos soportar simultáneamente las turbinas, para protegerlos inferior y para canalizar el agua a las turbinas, así como un fácil acceso a las turbinas desde arriba.

- La estructura comprende de control flotante significa de modo que el dispositivo es móvil entre una posición inferior, donde las turbinas están completamente hundidos y una posición superior, donde las turbinas están dispuestos completamente por encima del nivel del agua. Por lo tanto, las turbinas se puede acceder para el mantenimiento y el dispositivo se pueden mover a lo largo de las aguas de profundidad variable. Por lo tanto, cuando se coloca en las ondas el dispositivo funcionará como un arrecife o un rompeolas y será posible ajusfar su posición vertical para optimizar el rendimiento o para minimizar el impacto de las tormentas.

- Los medios de control flotantes son carrozas inundables.

En otra variante de la invención, los ejes de las turbinas se montan verticalmente con respecto al soporte flotante. En esta variante, los ejes de las turbinas pueden estar dispuestos por encima del soporte flotante para el aprovechamiento de la energía eólica o colocada por debajo del nivel de la estructura flotante para operar como una planta de energía corriente de agua.

En todas las variantes descritas, se prevé que opcionalmente:

- Los ejes de las turbinas están dispuestos a intervalos regulares.

- Las palas de las turbinas tienen una envolvente cilindrica. - El apoyo flotante comprende medios para anclaje al fondo del mar, para evitar cualquier despegue pero permitiendo cierta rotación alrededor del ancla.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de la descripción e ilustran realizaciones de la invención, que no debe interpretarse como una restricción del alcance de la invención, sino simplemente como ejemplos de cómo la invención puede llevarse a cabo. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

FIG. 1 muestra la distribución de la presión teórica sobre la superficie de un cilindro circular de acuerdo a la teoría classis.

FIG. 2 muestra la distribución de presión experimental en la superficie de un cilindro circular.

FIG. 3 muestra la distribución de la presión teórica sobre un cilindro circular con forma aerodinámica fuera de borda.

FIG. 4 muestra la sección transversal de una turbina de flujo transversal con cuchillas de hoja curvada.

FIG. 5 muestra la sección transversal de una turbina de flujo transversal con cuchillas aerodinámicas.

FIG. 6 muestra la disposición de varias turbinas soportados sobre una base flotante casco anclado a aprovechar la energía de un frente de onda.

FIG. 7 muestra la disposición anterior en una vista transversal o perfil, para indicar el nivel de oscilación del agua en la presencia de ondas.

FIG. 8 muestra las características de flujo afectadas por una forma de cilindro circular fuera de borda filo de acuerdo con investigaciones relacionadas con la invención aerodinámico, haciendo hincapié en la zona límite entre el flujo uniforme exterior y la zona alterada o afectada por el sólido.

FIG. 9a muestra la disposición del soporte flotante y turbinas para extraer energía de una corriente de agua.

FIG. 9b es un perfil que muestra una serie de turbinas montados con sus ejes en el mismo plano para extraer energía de las olas.

FIG. 9c es análoga a la figura. 9a pero en el caso de su aplicación al viento, con las turbinas en la parte superior.

FIGS. 10 al 12 muestran una vista en alzado lateral, una vista en planta y una vista frontal elevada, respectivamente, de una realización preferida de la presente invención.

Descripción de una forma de llevar a cabo la invención

Como se puede observar en la figura. 1 , de acuerdo con la teoría clásica y en el caso de un fluido perfecto, no habría ninguna resistencia o arrastrar un sólido colocado en un fluido en movimiento a causa de la equilibración de las presiones en el frente y por detrás, el sólido 1. Por lo tanto, esta teoría da lugar a la paradoja de D'Alembert, que consiste en que, teóricamente, la fuerza de arrastre es cero en un cuerpo que se mueve con velocidad constante respecto al fluido, en directa contradicción con la observación de arrastre sustancial sobre los cuerpos en movimiento en relación con los líquidos.

En consecuencia, siempre de acuerdo con la teoría clásica, si el sólido eran un cilindro no habría no ser una diferencia de presión entre las dos mitades del cilindro. Esto se aplicaría a una jaula de ardilla de la turbina, cuya envolvente es cilindrico, de manera que de acuerdo con esta teoría, no habría posibilidad de extracción de energía de las turbinas colocadas frente totalmente el flujo, es decir, sin deflectores o canalización de agua significa que las mitades de la turbinas 9 como se describe en los documentos de la técnica anterior.

En su lugar, la aplicación práctica de la invención ha conducido a resultados experimentales industrialmente bien probados, en particular, se ha determinado que una acción de succión existente por el flujo aguas abajo impide la existencia teórica de las presiones positivas en la parte posterior del cilindro 1 , como se muestra en la figura. 2 para un cilindro o un motor fuera de borda filo del cilindro como se muestra en la figura 3. Esta formulación desarrollada para cilindros y demás formas simples, establece claramente que la distribución de la presión como se muestra en la figura 2. 3 tiene un gradiente de presión en la dirección del flujo exterior 3 que permite forzar el flujo de fluido en una turbina cilindrica sin deflectores o distribuidores. Cualquier fluido que pasa a través de la zona de la turbina cilindrica, como se muestra en la figura 8-. 4, es desviado por la curvatura de las palas, creando así una reacción en las cuchillas con respecto al eje siempre del mismo signo y en consecuencia la turbina 9 girará siempre en la misma dirección independientemente de la corriente. Esto facilita su aplicación práctica en conjunto con bombas rotativas o generadores, en la práctica mejor que las alternativas.

El dispositivo de recuperación de energía de la invención 19 en su forma más general consiste en disponer varios tipo de flujo cruzado turbinas cilindricos 9, como se muestra en la figura. 4 y en la figura. 5, con sus ejes paralelos, separados entre sí, interponiendo el flujo de agua como se muestra en la figura. 7, que basa en el principio físico descrito anteriormente, incide sobre la palas curvadas 5-fig. 4 y 6-fig. 5, de tal modo que la turbina siempre gira en la misma dirección 7-figura 4 independientemente de la dirección o las características del flujo de 8-fig. 4. En particular, la fig. 9b, en el caso de las ondas 13, todas las turbinas rotarán con el mismo sentido de rotación. En este caso, la parte delantera de la energía está representada por el nivel del agua 18.

La puesta en práctica de la invención se inspiró utilizando la distribución de velocidad obtenida analíticamente, como se muestra en la figura. 8. En particular, el área afectada por el fluido del cilindro 17-fig. 8 indica que el frente de fluido activo 3 se define como un entorno cercano y finito.

Las turbinas de flujo cruzado cilindrica 9, que no interfieren desfavorablemente con el uno al otro, serán dispuestos con sus ejes en paralelo, como se muestra en la figura. 6, interpuesta en el flujo de energía 16, como se muestra en la figura. 7, Fig. 9a y 9c.

La energía de rotación en la turbina, con una velocidad angular baja y alto par, entonces será transformado por medios convencionales en energía eléctrica, hidráulica o mecánica.

Para mantener una resistencia máxima de la turbina 9 contra el impulso del fluido, en el caso de las ondas de energía recuperación de sistema (flujo vertical y horizontal) un ancla 14 y un estabilizador horizontal también son necesarios. Tubos de inundación dispuestos en el lado cascos 12A, 12B permite ajusfar la posición vertical. En concreto, se permitirá a hundirse las turbinas 9 en caso de tormentas o de sacarlos del agua para el mantenimiento. En el caso de la recuperación de energía a partir de corrientes de cualquier sistema de anclaje conocido es utilizable.

Este apoyo flotante 10 puede tener aberturas de paso de agua para desestabilizar la ola junto con el efecto de las turbinas y hacer 5 la ola rompe.

El tipo de ondas que se encuentran en el lugar de instalación, y va a condicionar la instalación de la capacidad del coste y el tamaño, número y disposición de las turbinas, así como su financiación. Su efecto físico será el de un arrecife en una instalación en la orilla flotando. Si su ubicación es hecha por un rompeolas en la costa, su efecto será como un rompeolas una.

Dado el alto par de torsión y la rotación desigual proporcionada por las olas, que puede ser muy útil y económico para bombear agua de mar a alta presión a un depósito en tierra o a continuación, cornete o bombear agua de mar a una unidad de desalinización por osmosis inversa, o cualquier otro tipo conocido de uso que evita etapas de transformación de energía. El equipo auxiliar puede estar situado dentro del soporte flotante 10-fig. 7 o en tierra, a donde la presión del agua desalinizar, aire comprimido, agua o aceite o la energía eléctrica, se dirigían de acuerdo con el diseño elegido.

En todos los casos preferentemente turbinas cilindricas 9 se disponen como en las figuras. 4, 5, 6 y 7, en el dispositivo 19, del tipo utilizado en turbinas de flujo cruzado. Se componen de una serie de palas curvadas dispuestas preferiblemente en una jaula de ardilla como se muestra en las Figs. 4 y 6, reaccionando al paso de fluido con un par de torsión siempre el mismo signo, incluso con un cambio de dirección del flujo en la hoja.

La forma preferida de los perfiles será tal como el descrito en el patente ES2074010 por el mismo inventor, al igual que los perfiles mostrados en la figura. 5, o puede ser una placa doblada simple o cualquier superficie curvada 5-fig. 4 para los propósitos de la economía.

La turbina cilindrica tendrá las caras laterales o bases del cilindro cerrado al flujo con dos discos que también soportan las cuchillas y el eje mecánico, que comprenden también otros discos intermedios para endurecer las cuchillas, como es habitual en este tipo de turbina. El diámetro y la altura de la turbina cilindrica dependerán de las características de flujo y requisitos de energía y el espacio disponible, su cálculo desarrollado preferentemente a través de las ecuaciones descritas por ejemplo en Doria JJ, Granero F. TEORÍA INNOVADORA EN AERODINAMICA. PROTOTIPOS Y PATENTES Actas III Congreso Internacional de Ingeniería de Proyectos. 1 ,996 Barcelona.

El eje, como se describe, está dispuesto perpendicular a las direcciones de flujo y variables previsibles y está conectado a cualquier transmisión de potencia conocido significa (bomba, generador, compresor, engranaje...).

FIG. 9a muestra una realización del dispositivo 19 para el aprovechamiento de una corriente de agua, que se ilustra como un frente rectangular 18. Aquí, las turbinas se colocan con sus ejes verticales, bajo el apoyo flotante 10, que es a su vez apoyado por dos cascos 20. Sólo se muestra la primera turbina de cada fila, las turbinas sucesivas se colocan detrás.

FIG. 9c muestra una realización del dispositivo 19 análoga a la mostrada en la figura. 9a, pero destinado a aprovechar la energía de una corriente de viento, y por lo tanto las turbinas se colocan con sus ejes por encima del soporte flotante. Figs. 10 al 12 muestran una realización de la invención que comprende cuatro filas, cada uno provisto de seis turbinas sucesivas 9, dispuestos con sus ejes horizontales y en el mismo plano. El soporte flotante 10 es básicamente un catamarán en el que el 10A de dos cascos, 10B apoyar los ejes de las turbinas 9. Cuatro rígida velas / alas 10C fijos en los extremos de la 10A cascos, 10B sirven para orientar la base. El casco 45 10A, 10B tiene espacios inundables dentro que se pueden extender en el interior de los depósitos colocados alas, que contribuyen a continuación, para controlar el nivel del agua. Aunque, hay seis turbinas en cada fila, es obvio que más turbinas se pueden proporcionar para aprovechar al máximo la energía de las olas o actual.

En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tales como "comprendiendo", etc.) no debe entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no debe interpretarse como excluyente de la posibilidad de que lo que se describe y define pueda incluir elementos, etapas, etc.

La invención es, obviamente, no se limita a las realizaciones específicas descritas en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que pueda ser considerada por cualquier persona experta en la técnica (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.

Referencias

(1) de cilindro circular, sin cuchillas.

(2) Distribución de la presión.

(3) El flujo de velocidad uniforme en el que el cilindro está sumergido.

(4) fuera de borda cilindro con forma.

(5) hojas de chapa doblada

(6) aspas aerodinámicas

(7) Dirección de rotación.

(8) Flujo dirección entre cuchillas.

10 (9) Turbinas cilindricos de flujo cruzado.

(10) de soporte flotante.

(10A, 10B) cascos. (10C) velas rígidas.

(1 1) oscilante superficie de agua (olas) con respecto a las turbinas.

(12) del casco inferior.

(12A, 12B) cascos laterales.

(13) olas que se aproximan el dispositivo.

(14) Anchorage.

(15) medios para transportar energía a partir de un eje a otro tipo de alimentación de energía.

(16) las ondas entrantes.

(17) de superficie límite externo.

(18) Flujo de fluido frontal útiles.

(19) Dispositivo para la generación de electricidad.

(20) Cascos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Dispositivo (19) para convertir la energía cinética de un flujo (16, Palas curvadas 18) de las olas, corrientes de viento o de agua en energía mecánica de rotación, que comprende una pluralidad de turbinas de flujo cruzado (9), cada una que comprende fijo (5, 6) dispuestos en configuración de jaula de ardilla alrededor de un eje de rotación (A) , caracterizado porque las turbinas (9) están montados sobre un soporte flotante (10) en el agua, de tal manera que se pueden colocar directamente en el flujo de fluido (18), y dispuestos sucesivamente uno tras otro con sus ejes (A) paralela entre sí y perpendiculares al flujo (18).

2. - Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que el eje (A) de las turbinas (9) están montados horizontalmente sobre el soporte flotante (10).

3. - Dispositivo según la reivindicación 1 o 2 en el que los ejes (A) de las turbinas están contenidas en el mismo plano.

4. - Dispositivo según la reivindicación 2 en el que el soporte flotante (10) tiene un perfil de sección en U transversal que forma el canal, de manera que un casco inferior (12) y dos cascos laterales (12a, 12b) están definidos, los ejes (A) de las turbinas (9) está soportado de forma giratoria entre los dos cascos laterales (12a, 12b).

5. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes para la extracción de energía de las olas, en el que el soporte flotante (10) comprende medios de control flotante de manera que el dispositivo es móvil entre una posición inferior, donde las turbinas (9) están completamente hundido y una posición superior, donde las turbinas (9) están dispuestas completamente por encima del nivel del agua.

6. - Dispositivo según la reivindicación 5, en el que los medios de control flotantes son flotadores inundables.

7. - Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que los ejes (A) de las turbinas (9) están montados verticalmente con respecto al soporte flotante (10).

8. - Dispositivo según la reivindicación 7, en el que los ejes (A) de las turbinas (9) están dispuestos por encima del soporte (10) para el aprovechamiento de la energía eólica.

9. - Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el eje (A) de las turbinas (9) se colocan por debajo del nivel del soporte (10) para operar como una planta de energía corriente de agua.

10. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los ejes (A) de las turbinas (9) están dispuestos a intervalos regulares.

1 1. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las palas de las turbinas establecidos (9) tienen una envolvente cilindrica.

12. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el soporte (10) comprende medios para su anclaje al fondo del mar.

13. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que no comprende deflectores o bailes.