ES2630735A1 - Módulo convertidor de energía undimotriz, de flotabilidad desacoplable. - Google Patents

Abstract

Se presenta un módulo convertidor de energía, a partir de la energía undimotriz, para generar energía eléctrica, caracterizado por contar con un sistema acople-desacople (7) que permite una flotabilidad desacoplable. Un módulo contendrá básicamente: estructura de soporte (1) fijada al lecho marino; carcasa estanca al agua (5), la cual aloja una masa activa (3) y un generador eléctrico (4); flotador (6); un sistema de acople-desacople (7) y una computadora (8) regidora de los procesos. El sistema de acople-desacople (7), mecánicamente es: un conjunto de poleas, un mecanismo de acople (26), un trinquete (31) y un freno (41). El sistema de acople-desacople (7), durante el ascenso de ola acopla el flotador (6) para elevar la masa activa (3), desacoplándolo en descenso de ola. Mantiene la posición elevada de la masa activa (3), liberándola tras uno o varios ciclos de ola, su energía potencial gravitatoria se extrae en forma de energía eléctrica.

Description

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DESCRIPCION

Modulo convertidor de energia undimotriz, de flotabilidad desacoplable.

Desde hace anos, esta civilizacion sufre de problemas energeticos. La energia procedente de los hidrocarburos es finita y danina para el medio ambiente. Es evidente que un futuro sostenible, pasa por el empleo de energlas renovables.

Entre las energlas renovables, nos centramos en las energlas del mar, y en concreto a la procedente de las olas, la undimotriz.

Las tecnologlas de aprovechamiento undimotriz existentes en la actualidad, presentan como deficiencias principales: las bajas potencias de generacion y la falta de regularidad en la misma.

Hasta la fecha, las boyas electricas se centran en el aprovechamiento del movimiento de vaiven de las olas. El sistema acople-desacople (7) que caracteriza esta invencion, permite: acumular energia potencial gravitatoria, controlar el momento de liberacion de esta energia potencial gravitatoria, transformar esta energia potencial gravitatoria de modo independiente al flotador (6) del convertidor, y tambien regular la velocidad de la masa activa (3). Como consecuencia de estas caracterlsticas tecnicas, nuestro modulo genera una potencia electrica mayor y permite un mayor control sobre la generacion, lo que se traduce en una generacion mas previsible y continua.

Los efectos tecnicos del modulo convertidor presentado, mejoran sustancialmente el estado de la tecnica actual.

Descripcion detallada de la invencion

Descripcion detallada de los elementos

Estructura de soporte (Figura 2)

El modulo cuenta con una estructura de soporte (1), capaz de sostener los elementos del modulo generador. La estructura cuenta con un punto de anclaje al lecho marino (9), con el tipo de ligadura que se estime oportuno (rotula, empotramiento u otros) pero slempre restringiendo al menos el movimiento vertical.

El fuste (10) de la estructura de soporte (1), puede ser de longitud variable, para adaptarse a las alturas de marea, o a diferentes localizaciones de instalacion. Se puede solucionar este aspecto, incorporando en el fuste (10) un cilindro hidraulico subacuatico, o bien utilizando el sistema acople-desacople (7), como se explica mas adelante.

La estructura de soporte (1) cuenta con una base superior (11) situada a un nivel, ligeramente superior al del valle de la ola. El fuste (10) de la estructura de soporte (1), termina en una superficie troncoconica invertida (13), que facilita el contacto de la ola con el flotador (6). Sobre esta superficie troncoconica invertida (13), se situa la base superior de la estructura de soporte (11), sobre la que se monta el plano cojinete (12).

Plano cojinete (Figura 3)

El llamado plano cojinete (12), es un cojinete que permite el giro en el plano situado entre la base superior de la estructura de soporte (11) y la base inferior de la carcasa estanca (14). Este mecanismo habra de ser estanco al agua.

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Eje (Figura 4)

Sobre la base inferior de la carcasa estanca (14), se monta el eje central (2), en posicion vertical central. El eje (2), actua de gula del conjunto formado por: la masa activa (3) y el generador electrico (4), conjunto que a partir de ahora, llamaremos conjunto generador ((3) y (4)). El eje (2), en su interior hueco puede alojar elementos como los cables de extraccion (16) de la energla electrica generada. El eje central (2) puede tener forma cillndrica o prismatica.

Masa activa (Figura 4)

En torno al eje (2) se monta la masa activa (3), que oscilara verticalmente a lo largo del mismo.

La principal funcion de la masa activa (3), es atesorar energla potencial gravitatoria.

La masa activa (3) cuenta con al menos un punto de anclaje (19), que la liga al sistema de acople-desacople (7).

La masa activa (3), en la forma de realizacion de la invencion con generador de turbina, durante la fase de descenso-generacion, actua como embolo dentro del cilindro que forma la carcasa estanca al agua (5).

La forma de la masa activa (3) tiene como funcion propiciar el efecto Venturi en la fase de descenso-generacion.

Generador electrico (Figura 5)

El Generador electrico (4), en una forma de realizacion, es una turbomaquina de flujo axial. Esta turbomaquina cuenta con alabes orientables (17). Los alabes orientables (17) durante la fase de ascenso tendran, una posicion de minima resistencia al flujo (Figura 5.1), cambiando a posicion de turbinado, en la fase descenso-generacion (Figura 5.2). El generador electrico (4) se apoya en la masa activa (3), am bos tienen un movimiento solidario durante todo el proceso y estan ligados mediante elementos de aislamiento de vibraciones, como por ejemplo un material elastomero (20). El generador electrico (4) tiene acoplado un difusor inferior (18), con funciones aerodinamicas.

En otras formas de realizacion, se pueden disponer distintos tipos de generador en nuestro modulo. Por ejemplo un generador electrico lineal, en el que el eje central (2), es funcionalmente el estator y dependiendo del diseno adoptado para el generador, bien puede alojar el circuito magnetico, o bien puede alojar el circuito de armadura; y en el que la masa activa (3), en esta forma de realizacion de la invencion, es funcionalmente el oscilador, y dependiendo del diseno adoptado para el generador electrico lineal, bien puede alojar el circuito magnetico, o bien puede alojar el circuito de armadura.

Carcasa estanca al agua (Figura 6)

La carcasa estanca al agua (5) se encuentra sobre el plano cojinete (12); aloja a la masa activa (3) y al generador (4).

La carcasa estanca al agua (5) tiene forma de cilindro, rematado en una cubierta conica (25) por arriba.

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La carcasa estanca al agua (5), contara con valvulas (24) por si se desea regular la presion de su fluido interior, o variar el propio fluido.

Acoplados exteriormente a la carcasa estanca al agua (5 y sin ser estrictamente parte de ella, se disponen unos conductos protectores (22), que protegeran parte del sistema acople-desacople (7) frente a las agresiones del medio marino. Los conductos protectores (22) seran una transicion entre la exposicion al medio marino y las condiciones de estanqueidad de la carcasa estanca al agua (5).

Dependiendo de la forma de realizacion, hay al menos tres puntos, en los que la carcasa estanca al agua (5) se comunica con elementos exteriores a ella. Son dos orificios superiores, cercanos a la cubierta (25) por donde entran sendos cables transmisores (30) del sistema acople-desacople (7) y otro orificio en su base (14), por donde el eje central (2) da salida al cable de extraccion (16) de energla electrica. En estos puntos, cambia la condicion de estanqueidad, los llamaremos puntos llmite de estanqueidad (23), y en ellos hay que ser concienzudos en el tratamiento frente al agua. Se dispondran en ellos juntas dinamicas lineales (34), para mantener la estanqueidad en la carcasa estanca al agua (5).

Flotador (figura 7)

El flotador (6) se encuentra rodeando a la carcasa estanca al agua (5) y con forma de toroide. El flotador (6) esta ejecutado en un material ligero, estanco y de una resistencia mecanica suficiente, para soportar las tensiones que le transmitira la estructura malla (27) que lo envuelve. Contendra un fluido de menor densidad que el agua, por ejemplo aire. Contara con una valvula (28) para poder variar si se desea, el fluido interior y la presion a la que trabaja. La estructura malla (27) del flotador (6), lleva ligado un mecanismo de acople (26) (un embrague con una mordaza (29), por ejemplo), mecanismo que forma parte fundamental del sistema acople-desacople (7), este mecanismo cuando esta acoplado, transmite las tensiones del cable trasmisor (30) a la estructura malla (27), la cual las distribuye por la superficie del flotador (6).

Sistema de acople-desacople (Figura 8)

Funciones

- Acoplar mecanicamente el flotador (6) al resto del modulo (al menos en direccion vertical), en la fase de ascenso de ola.

- Transmitir al conjunto generador (masa activa (3) y generador electrico (4)), el empuje del flotador (6) y aplicarlo en la elevacion de dicho conjunto.

- Desacoplar mecanicamente (al menos en direccion vertical) el flotador (6) del resto del modulo, en la fase de descenso de ola.

- Conservar la posicion elevada del conjunto generador ((3) y (4)), acumulando sus sucesivas elevaciones, correspondientes a los sucesivos ciclos de ola, es decir mantener y acumular energla potencial gravitatoria.

- Liberar el movimiento descendente del conjunto generador ((3) y (4)), cuando llegue a una elevacion determinada, es decir controlar el momento de liberacion de la energla potencial gravitatoria del conjunto.

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- Controlar la velocidad de descenso del conjunto generador ((3) y (4)), y detener su movimiento residual, al llegar a la base inferior de la carcasa estanca (14).

Elementos

Para realizar estas funciones el sistema de acople-desacople (7), esta formado por un conjunto de mecanismos que ejecutan las acciones del proceso, y una computadora (8) con sus perifericos correspondientes, que rige el proceso.

A continuacion se describen los elementos principales del sistema acople-desacople (7) y las funciones que realizan:

- La computadora (8) recibe la inform acion del estado del proceso, a traves de sus perifericos, que seran basicamente sensores de movimiento y de posicion. Cuando estemos en fase de ascenso de ola, la computadora (8) manda la orden de acople; cuando estemos en fase de descenso de ola, manda la orden de desacople. Cuando el conjunto generador ((3) y (4)) llega a una altura determinada, manda la orden de liberacion del movimiento descendente de dicho conjunto.

- Mecanismo de acople (26). El mecanismo de acople (26) se puede materializar como un embrague que acciona una mordaza (29). Embrague se define como un sistema que permite tanto transmitir como interrum pir la transmision de una energla mecanica a su accion final, de manera voluntaria. Esta ligado permanentemente al flotador (6), por medio de la estructura malla (27). El mecanismo de acople (26), ejecuta el acople y desacople mecanico del flotador (6) al resto del modulo, mediante por ejemplo, una mordaza (29). Cuando estamos en fase de ascenso de ola, se acopla al cable transmisor (30), desacoplandose del mismo en fase de descenso.

- Trinquete (31), es el mecanismo que conserva la posicion elevada del conjunto generador ((3) y (4)), acumulando las sucesivas elevaciones, correspondientes a los sucesivos ciclos de ola. El trinquete (31) liberara el movimiento descendente del conjunto generador ((3) y (4)), cuando este llegue a una altura determinada.

- Freno (41), ira incorporado en al menos en una de las poleas, y puede ser la misma que la que tiene el trinquete (31). Sera el elemento encargado de controlar la velocidad de descenso del conjunto generador ((3) y (4)) y de detener su movimiento residual, al llegar a la base inferior de la carcasa estanca (14).

- Polea superior (40)

- Polea inferior (39)

- Cable transmisor (30), con al menos un punto de anclaje masa activa (19)

- Carrete (32): que recoja y suelte cable transmisor (30)

- Estructura portico simple (38) puede estar empotrada en la cara superior del plano cojinete (12). Soporta a los elementos siguientes: trinquete (31), polea superior (40), polea inferior (39) y freno (41).

Sistema de ajuste a la altura de marea.

Hay que adaptar la altura a la que trabaja el modulo convertidor, en funcion de las diferentes alturas del nivel del mar, propiciadas por las mareas. Para lograr este objetivo,

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en una forma de realizacion, se puede optar por montar en el fuste (10), un cilindro hidraulico, que varie su longitud, segun las ordenes de la computadora (8). El fuste (10) del modulo, es variable en su longitud, esta formado por dos tramos, de diferentes dimensiones, tales que, uno se puede alojar en el otro, estando esa junta convenientemente impermeabilizada. El movimiento entre los dos tramos del fuste (10), es permitido o restringido, mediante un bloqueo (33).

En otra forma de realizacion de la invencion, se puede utilizar el sistema acople- desacople (7), como parte del sistema de ajuste de marea. Podemos transmitir el empuje para alargar el fuste (10), frenando la transmision de este empuje a la masa activa (3) y liberando el bloqueo (33) del fuste; como resultado, el empuje elevana la parte superior del fuste (10). De modo inverso, para disminuir la longitud del fuste (10), con el flotador (6) desacoplado y el bloqueo (33) desactivado, desciende por peso la parte superior del fuste (10); finalmente, tanto para el alargamiento como para el acortamiento del fuste(10), cuando se llegue a la posicion deseada la computadora (8) activara de nuevo el bloqueo del fuste (33).

Computadora

La Computadora (8) es la encargada de regir y coordinar, todas las operaciones que conform an los procesos del modulo convertidor. Recibe la inform acion del estado del proceso, mediante sus perifericos que seran principalmente sensores de movimiento y de posicion; en funcion de esta informacion, emite las ordenes. Se especifican a continuacion las principal es ordenes que tiene que emitir durante un ciclo ordinario de generacion y a que elementos las envia.

- Acople y desacople, al mecanismo de acoplamiento (26), en funcion del estado del ciclo de ola.

- Bloqueo, al trinquete (31), del movimiento vertical descendente del conjunto

generador ((3) y (4)), durante la fase de ascenso de dicho conjunto.

- Durante la fase de ascenso del conjunto generador ((3) y (4)) y dependiendo de la forma de realizacion: o bien, posicion de minima resistencia al flujo a los alabes moviles (17) del generador electrico (4) tipo turbomaquina; o bien, electroimanes desenergizados, en caso de optar por montar un generador electrico lineal.

- En el momento en que el conjunto generador ((3) y (4)), llega a una altura

determinada; en la forma de realizacion con generador electrico (4) tipo

turbomaquina: ordena la posicion de generacion a los alabes moviles (17) del generador electrico (4). Inmediatamente ordena la liberacion del movimiento descendente del conjunto generador ((3) y (4)), al trinquete (31). En la forma de realizacion con generador electrico lineal, excitacion de los electroimanes, y liberacion del movimiento descendente del conjunto generador, al trinquete (31).

- Durante la fase de descenso-generacion: regulacion de la velocidad de descenso del conjunto generador ((3) y (4)), mediante el freno (41); especial importancia de la regulacion de velocidad residual del conjunto generador ((3) y (4)), en el tramo final de su recorrido.

- Adecuacion de la electricidad que entrega el modulo, a los transformadores (35).

La computadora (8) rige otros procesos como: el ajuste a la altura de marea, los del sistema de seguridad, o la emision y recepcion de datos a puntos remotos.

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Sistema de seguridad

Si se registran por los perifericos de la computadora (8), valores anormales en el funcionamiento del modulo, que esten registrados como daninos (como durante tormentas), la computadora (8) enviara ordenes para evitar estos danos; puede por ejemplo, dejar el modulo desconectado del flotador (6) permanentemente.

Es una ventaja, que el sistema de seguridad, frente a tormentas y condiciones extremas, sea el mismo sistema de funcionamiento normal del modulo.

Descripcion de la forma de realizacion preferida

Anclaje al lecho marino

Se instalara una base de hormigon armado (37) en el fondo del mar. El modulo tiene un punto de anclaje al lecho marino (9), trabajando como una rotula sobre esta base. De este punto, parte el fuste (10).

Estructura de soporte

La estructura de soporte (1) se fabrica en acero inoxidable. Del punto de anclaje al lecho marino (9), parte el primer tramo del fuste de diametro D1, mayor que el D2, a fin de que se pueda alojar en parte, el uno en el otro. Entre los dos tramos se dispone una junta dinamica lineal (34), polimerica, impermeable y resistente al agua salada. El tramo D1 tiene un bloqueo (33) automatico, regido por la computadora (8), que impide o libera el movimiento entre los dos tramos del fuste (10).

La estructura de soporte (1) en su tramo superior, tiene forma troncoconica invertida (13), orientando asl la ola ascendente hacia el flotador (6). En este troncocono invertido (13) se alojan los transformadores (35).

Plano cojinete

Plano cojinete (12): la funcion de este elemento mecanico, es permitir el giro en el plano situado entre: la base superior de la estructura de soporte (11) y la base inferior de la carcasa estanca (14).

En la forma de realizacion preferida, la pieza se ejecuta como un cojinete de bolas de doble direccion, con varias hileras de bolas. Entre los elementos del mecanismo, en su parte expuesta al mar, se dispondran juntas de material polimerico, para asegurar su estanquidad.

Generador

Se elige para la forma de realizacion preferida, el generador electrico (4) tipo turbomaquina, implementando una turbina de flujo axial.

El generador electrico (4) es una turbina de alabes orientables (17); estos alabes tienen una posicion de m (nima resistencia al flujo, durante la fase de ascenso, y otra posicion de turbinado, durante la fase de descenso-generacion.

El generador electrico (4) realiza su movimiento vertical, guiado por el eje central (2) y se apoya en la masa activa (3), la cual realiza la funcion de bastidor para el. Generador electrico (4) y masa activa (3) tienen un movimiento solidario durante todo el proceso, y

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se dispone entre ellos un material elastomero (20), destinado a aislar el generador electrico (4) frente las vibraciones, tanto de la masa activa (3), como del difusor inferior (18).

La masa activa (3) cuenta con unos brazos de soporte (21), en los que se fijan los puntos de anclaje (19); estos brazos conectan con el bastidor donde se apoya el generador electrico (4).

El eje central (2) es hueco; en ese hueco se aloja el cable de extraccion (16) de la energla electrica, que se genera en el generador electrico (4). Este cable de extraccion (16) tiene una longitud suficiente para acompanar el movimiento de ascenso y descenso del generador electrico (4) y cuenta con un carrete para recoger el exceso de longitud, dependiendo de la fase del ciclo en la que nos encontremos.

El cable de extraccion (16) entrega la energla a los transformadores (35), alojados en el troncocono invertido (13).

Masa activa

La masa activa (3) tiene como funcion, atesorar energla potencial gravitatoria, por tanto, ha de ser de un material pesado, economico y resistente. Para la forma de realizacion preferida, es hormigon armado, recubriendo su superficie inferior, con un material polimerico con capacidad de absorcion de energla mecanica al choque. En su superficie de contacto con las paredes verticales de la carcasa estanca al agua (5), la masa activa (3) se reviste de un material de minima friccion, como el teflon.

Una vez definido el material, se pasa a definir la forma. La masa activa (3) cae sobre el fluido bajo ella, a modo de embolo en un piston. El flujo es orientado al eje del sistema, que pasa por el centro de gravedad de la masa activa (3). Ahl se situa la turbina del generador electrico (4). Nos interesa que ese flujo pase a la maxima velocidad posible por la turbina. Basandonos en el principio de Bernoulli, la forma de la masa activa (3) sera de toroide, siendo la superficie inferior de este toroide, troncoconica. De este modo, el flujo sera canalizado a traves de la seccion en disminucion de la masa activa (3), hasta su turbinado.

Para esta realizacion, la masa activa (3) esta anclada en dos puntos (19) al sistema acople-desacople (7); en otras configuraciones pueden ser cuatro o mas, siempre guardando la simetrla.

Carcasa estanca al agua

La carcasa estanca al agua (5) tiene forma cillndrica y esta coronada por una cubierta (25) de forma conica. Esta ejecutada en acero inoxidable.

Como su nombre indica, es estanca al agua y cuenta con valvulas (24), en caso de querer regular la presion del fluido (aire) que aloja.

Nombramos como punto de llmite de estanqueidad (23), a los puntos en los que la carcasa estanca se comunica con elementos exteriores. En la realizacion preferida, son los dos orificios superiores, cercanos a la cubierta (25) por donde entran sendos cables transmisores (30), del sistema acople-desacople (7), y otro orificio en su base (14), por donde el eje (2) da salida al cable de extraccion (16) de energla electrica. En estos puntos sensibles, donde cambia la condicion de estanqueidad, hay que disponer juntas dinamicas lineales (34), que preserven la estanqueidad hidraulica en el interior de la

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carcasa, estas juntas se ejecutan con polimeros de buenas cualidades mecanicas y resistentes a un entorno salino.

Aunque no son estrictamente partes de la carcasa estanca, la misma en su exterior tiene soldados dos conductos protectores (22), que protegen parte del sistema acople- desacople, de las inclemencias del tiempo. Son una transicion entre las condiciones de exposicion al medio marino y la estanqueidad en el interior de la carcasa estanca al agua (5).

A pesar de que en esta realizacion preferida, se propone el acero como material para la carcasa estanca (5), hay materia les compuestos, como la fibra de vidrio, o la fibra de carbono, que podrfan ser de aplicacion, con buenos resultados.

Sistema de acople-desacople

En esta realizacion preferida, por simplificar, el sistema acople desacople (7), tiene dos puntos de anclaje a la masa activa (19). No olvidar la simetrla del sistema que estamos explicando.

El flotador (6) soporta la estructura malla (27) y esta a su vez, tiene ligado el mecanismo de acoplamiento (26), materializado en un embrague que acopla y desacopla una mordaza (29) hidraulica, del cable transmisor (30). El empuje que se produce en el flotador (6) durante el ascenso de ola, se transmite al cable transmisor (30), que funcionara principalmente como cable de traccion. El cable transmisor (30) debera tener un tratamiento exterior frente al agua salada, como un impregnado en plastico.

Las tensiones del cable transmisor (30), pasan por conjunto de poleas, las cuales apoyan sus ejes en una estructura portico simple (38), empotrada en dos puntos, a la cara superior del plano cojinete (12). La viga superior de la estructura portico simple (38), se situa dentro de la carcasa estanca y los puntos de interseccion entre esta estructura y la carcasa estanca al agua (5), tendran que ser tratados para mantener la estanqueidad.

Los elementos basicos que definen este sistema son:

Carrete (32), que tiene como principal funcion recoger y soltar longitud de cable transmisor (30) conformemente al proceso. Esta alojado en el conducto protector (22).

Polea inferior (39): es la polea mas cercana a la base de la carcasa estanca (14), y esta expuesta al ambiente marino, con lo que hay que disponer una proteccion frente al mismo, por ejemplo, una carcasa de recubrimiento de pvc.

Polea superior (40): esta situada en la parte alta de la estructura portico simple (38), alojada en la parte alta del conducto protector (22). El cable transmisor (30) al salir de ella, pasa por el punto llmite de estanqueidad (23) y llega al trinquete (31).

El trinquete (31) y el freno (41), se encuentran alojados dentro de la carcasa estanca al agua (5), lo que favorecera su durabilidad.

El cable transmisor (30) sale del trinquete (31) y llega al punto de anclaje de la masa activa (19). La masa activa recibe las tensiones del cable transmisor (30) en ese punto y a traves de sus brazos de soporte (21), la reparte en su estructura interna.

Los procesos del sistema acople-desacople (7), son regidos por la computadora (8).

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Flotador

El Flotador (6) tiene forma toroidal y esta ejecutado en un material polimerico, ligero, con buena resistencia mecanica y resistente a la corrosion. Este tipo de material, permite una gran libertad en cuanto a la creacion de la geometrla del flotador(6). El flotador (6) cuenta ademas con una valvula (28), que permite regular, la presion del fluido que contiene, o cambiar el propio fluido, si se desea. Este fluido en la forma de realizacion preferida es aire. El flotador (6) tiene unos rebajes en su superficie, destinados a encajar la estructura malla (27), la cual a su vez soporta el mecanismo de acoplamiento (26) con su mordaza (29).

Sistema de ajuste a la altura de marea

Para la realizacion preferida, de los dos sistemas explicados anteriormente, se util izara el que utiliza el sistema acople-desacople (7).

Computadora

La Computadora (8) es un ordenador, compuesto de su hardware, software y elementos perifericos; estos perifericos le aportan la informacion del proceso, principalmente: posicion, velocidad y aceleracion, de los elementos del modulo.

Los elementos perifericos son sensores de movimiento y de posicion, aportan la informacion, que es interpretada por el software. El software es previamente calibrado con los parametros de funcionamiento, evalua los datos aportados por los sensores y emite las ordenes basicas de funcionamiento, en funcion de estos datos.

La computadora (8) se aloja en la base inferior de la carcasa estanca (14).

Sistema de generacion electrica a partir de varios modulos convertidores

Se pueden usar varios modulos convertidores como el que estamos describiendo para lograr una generacion conjunta, a partir de las generaciones individuales de cada modulo.

Funcionamiento (Descripcion de un ciclo de generacion (Figura 9)

Valle de ola (Figura 9.1)

Partimos de la situacion de reposo y valle de ola. Tenemos el conjunto generador (es decir la masa activa (3) y el generador electrico (4)), apoyados en la base de la carcasa estanca (14). El flotador (6) esta apoyado en la superficie del agua.

El sistema acople-desacople (7) en este momento, mantiene el flotador (6) desacoplado del resto del modulo (al menos en direccion vertical).

Acople (Figura 9.2)

Inmediatamente despues de un valle, comienza el ascenso de ola. Los perifericos informan a la computadora (8) de esta situacion y esta envla la orden de conexion al mecanismo de acoplamiento (26), que mediante el cierre de su mordaza (29), se acopla al cable transmisor (30), quedando asl acoplado el flotador (6) al resto del modulo. Los alabes orientables (17) del generador electrico (4), se disponen en su posicion de minima resistencia al flujo (Figura 9.3).

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Ascenso de ola. (Figura 9.4)

La ola esta ascendiendo y en el flotador (6) se produce un empuje que se transmite hasta la masa activa (3), mediante el cable transmisor (30). Cuando este empuje sea suficiente, el conjunto generador (masa activa (3) y generador electrico (4)), ascendera guiado por el eje (2), hasta un momento proximo al de cresta de ola.

Cresta de ola. Desacople (Figura 9.5)

A partir del momento de cresta de ola, sobreviene el descenso de la ola. Los perifericos informan de esta situacion a la computadora (8) la cual envla la orden de desacople al mecanismo de acoplamiento (26), abriendo su mordaza (29) y desacoplando, al menos en direccion vertical, el flotador (6) del resto del modulo. El movimiento descendente del conjunto generador (masa activa (3) y generador electrico (4)) esta bloqueado gracias al trinquete (31), conservando asl la energia potencial gravitatoria, atesorada en el conjunto generador elevado.

Descenso de ola (Figura 9.6)

El conjunto generador ((3) y (4)) mantiene su posicion elevada. El flotador (6) que esta desacoplado del resto del modulo, desciende apoyado en la superficie del agua, hasta llegar al siguiente valle de ola.

Nuevo acople y ascenso de ola

Se repite la operacion de acople descrita anteriormente, para la situacion valle de ola, como el ascenso del conjunto masa activa (3) y generador electrico (4).

Tras un numero de ciclos de ola, el conjunto generador ((3) y (4)) llega a una altura determinada, que llamamos altura de generacion (hG), considerada propicia para iniciar el proceso de generacion.

Altura de generacion (Figura 9.7)

El conjunto generador (masa activa (3) y generador electrico (4)), ya ha alcanzado la altura de generacion (ha), los perifericos transmiten esta inform acion a la computadora (8). La computadora entonces: envla la orden de desacople del flotador (6), al mecanismo de acoplamiento (26); envla la orden de posicion de generacion, a los alabes orientables (17) del generador electrico (4) y la orden de liberacion del movimiento vertical del conjunto generador ((3) y (4)), enviada al trinquete (31).

Descenso-Generacion (Figura 9.8)

El generador electrico (4) es un dispositivo que convierte la energia mecanica, en energia electrica. Es un generador de corriente alterna. El generador mas simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnetico uniforme. Este movimiento de rotacion de las espiras, es producido por el movimiento de los alabes (17) de una turbina, propiciado por el paso de un fluido (en este caso el aire) a traves de ella. Cuando la espira gira, el flujo del campo magnetico a traves ella, cambia con el tiempo, con lo que moveremos electrones: producimos una fuerza electromagnetica

La fuerza electromagnetica producida: fem = qv x B, es funcion de la velocidad con que gira la espira en el campo magnetico, a mayor velocidad, mayor generacion electromagnetica, y esta velocidad vendra determinada por el giro de los alabes (17); los

5

10

15

20

25

30

35

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50

alabes (17) tendran una velocidad de giro (VALabes), funcion de la velocidad de circulacion del fluido a traves de ellos (VFLUiDo). Este flujo, de velocidad (VFLUiDo), se produce por la diferencia de presiones existente, entre los puntos del fluido situados bajo el conjunto generador ((3) y (4)), llamada PFLb, frente a la presion de los puntos sobre el, llamada

P fls-

Esta fuerza electromagnetica (fem) se canaliza mediante los cables de extraccion (16), que van a los transform adores (35) y de ah I a un nuevo transform ador, o a la red de consumo.

En la fase de descenso-generacion, partimos de la situacion inicial, con el conjunto generador ((3) y (4)), en su posicion de altura de generacion (hG), con el flotador (6) desacoplado, sin tener en cuenta el efecto de ninguna valvula de la carcasa estanca (24) y con el movimiento vertical del conjunto generador restringido por el trinquete (31). Idealizamos las presiones iniciales del fluido bajo y sobre el conjunto generador iguales, Pfls o = Pfli o (Figura 9.7).

Al liberar el movimiento vertical del conjunto generador ((3) y (4)) desde el trinquete (31), la presion del fluido inferior se ve aumentada por la fuerza del peso de dicho conjunto (My, siendo PFLb 1 > PFLs 1. Esta diferencia de presiones en cada momento del descenso- generacion, origina el flujo a traves del generador electrico (4).

El peso del conjunto generador (MG) es una fuerza conocida de un campo gravitatorio; si el sistema puede suponerse vertical, podemos optimizar mas facilmente el resto de parametros, para maximizar la generacion electrica.

El modulo de flotabilidad desacoplable, permite obtener este predecible sistema de fuerzas, independiente del flotador (6).

El sistema acople-desacople (7) esta equipado con un freno (41), con el que se puede regular la velocidad del conjunto generador ((3) y (4)). Este freno (41) tiene gran importancia en el tramo final del recorrido del conjunto generador ((3) y (4)), ya que tiene la funcion de eliminar su movimiento residual y asl evitar todo impacto con la base de la carcasa estanca (14). Esta base, en su superficie de contacto con la masa activa (3), dispone una capa de material elastomero (20), para apoyo y absorcion de vibraciones.

Vuelta a la posicion inicial.

El conjunto generador ((3) y (4)), ha realizado su descenso de manera independiente al flotador (6), bajo un sistema de fuerzas diferente.

En el siguiente valle de ola, nos encontramos de nuevo en la situacion inicial.

Descripcion de las figuras

Figura 1 - Vista general en perspectiva, de un modulo convertidor.

Figura 2 - Vista de una seccion por plano de simetrla, de la estructura de soporte (1). Se pueden observar numerados los siguientes elementos:

Anclaje al lecho marino (9)

Fuste (10)

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Base superior de la estructura de soporte (11)

Superficie troncoconica invertida (13)

Bloqueo (33)

Junta dinamica lineal (34)

Base de hormigon armado (37)

Figura 3 - Vista de una seccion por plano de simetrla del modulo. En esta seccion se aprecia el plano cojinete (12), que permite el giro entre la base superior de la estructura de soporte (11) y la base inferior de la carcasa estanca (14).

Figura 4 - Vista de una seccion, ilustrando en detalle la forma de la masa activa (3). Tambien se indican numericamente los siguientes elementos:

Eje (2)

Base inferior de la carcasa estanca (14)

Cables de extraccion (16)

Punto de anclaje masa activa (19)

Figura 5 - Ilustra el generador electrico (4) en sus dos posiciones. En la figura 5.1 se muestra la posicion de minima resistencia al flujo, y en la 5.2 la posicion de descenso- generacion. Estan senalados los elementos siguientes:

Alabes orientables (17)

Difusor inferior (18)

Material elastomero (20)

Brazos de soporte (21)

Figura 6 - Muestra una seccion de la carcasa estanca al agua (5). Se senalan los elementos siguientes:

Masa activa (3)

Generador electrico (4)

Cable de extraccion (16)

Conductos protectores (22)

Punto llmite de estanqueidad (23), en detalles ampliados.

Valvulas carcasa estanca (24)

Cubierta (25)

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cable transmisor (30) Junta dinamica lineal (34)

Figura 7 - Ilustra el flotador. Se observa una seccion del flotador (6) por un plano que contiene a los mecanismos de acoplamiento (26).

La figura muestra tambien una vista en planta del flotador (6), con detalle de un mecanismo de acoplamiento (26), con la mordaza (29) y el cable transmisor (30) al que se acopla.

En la parte inferior de la figura se muestra una vista en perspectiva de la estructura malla (27).

Figura 8 - Muestra una seccion del sistema acople-desacople (7). En la parte inferior de la figura se aprecia una vista de seccion por un plano A, perpendicular al anterior. Se observa en detalle el mecanismo de acoplamiento (26), ilustrando el movimiento acople- desacople.

Se pueden identificar los siguientes elementos:

Punto de anclaje masa activa (19)

Mecanismo de acoplamiento (26)

Mordaza (29)

Cable transmisor (30)

Trinquete (31)

Carrete (32)

Estructura portico simple (38)

Polea inferior (39)

Polea superior (40)

Freno (41)

Figura 9 - Muestra el funcionamiento de un ciclo de generacion, por medio de secciones longitudinales y trasversales. Esta subdividida en 8 Figuras.

Figura 9.1 Ilustra un valle de ola, con los elementos del modulo en situacion inicial de reposo. En detalle se muestra la mordaza (29) en posicion desacoplada del cable transmisor (30).

Figura 9.2 Ilustra en detalle el movimiento de acople.

Figura 9.3 Ilustra el movimiento del generador electrico (4) para disponer sus alabes orientables (17), en posicion de minima resistencia al flujo.

En las figuras 9.1, 9.2 y 9.3 se aprecian numerados los elementos siguientes:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Masa activa (3)

Generador electrico (4)

Flotador (6)

Base inferior de la carcasa estanca (14)

Alabes orientables (17)

Difusor inferior (18)

Punto de anclaje masa activa (19)

Mecanismo de acoplamiento (26)

Mordaza (29)

Cable transmisor (30)

Figura 9.4 Muestra el modulo funcionando durante el ascenso de ola. El empuje esta simbolizado, con la letra "E" y una flecha. En el detalle ampliado, se muestra el sentido del movimiento mediante flechas, en el cable transmisor (30), con el flotador (6) acoplado al resto del modulo. Estan tambien indicados los elementos siguientes:

Eje (2)

Masa activa (3)

Generador electrico (4)

Trinquete (31)

Freno (41)

Figura 9.5 Ilustra el momento de una cresta de ola. En el detalle superior se observa la masa activa (3) y el generador electrico (4), conservando su elevacion, gracias al trinquete (31). En el detalle inferior se ilustra el movimiento de desacople del flotador (6), inmediatamente posterior al momento cresta de ola.

Figura 9.6 Ilustra el funcionamiento del modulo, durante el descenso de ola, con la masa activa (3) y el generador electrico (4), mantenidos en su posicion elevada, por el trinquete (31). El flotador (6), desacoplado verticalmente de resto del modulo, desciende apoyado sobre la superficie descendente de la ola.

Figura 9.7 Muestra el momento previo a la generacion, con el conjunto generador (masa activa (3) y generador electrico (4)), en su altura de generacion (hG). Se indican las condiciones iniciales explicadas, con igual presion del fluido bajo y sobre el conjunto generador: PFLS 0 = PFLB 0. En la parte inferior derecha de la figura, se ilustra el generador electrico (4) disponiendo sus alabes orientables (17) en posicion descenso-generacion.

Figura 9.8 Muestra el modulo durante la fase de descenso-generacion. Esta indicada la ubicacion de la computadora (8) y de los transformadores (35).

Estan simbolizados:

La fuerza electromotriz (fem)

5 La velocidad por el giro de los alabes (VALAbEs)

La velocidad de circulacion del fluido (VFLUido)

Las presiones del fluido bajo (PFlb t) y sobre (PFLS t) el conjunto generador, en un momento 10 de la generacion t.

El peso del conjunto generador (MG)

Claims (5)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   1. Un modulo convertidor de energia undimotriz, que comprende al menos:

   - Una estructura de soporte (1), con al menos un punto ligado al lecho marino (9), restringiendo al menos su movimiento vertical.

   - Una carcasa estanca al agua (5), soportada por la estructura de soporte (1). Esta carcasa en su interior aloja: un eje (2), una masa activa (3) y un generador electrico (4) solidario en al menos uno de sus componentes (estator u oscilador), al movimiento de la masa activa (3).

   - Un flotador (6)

   - Una computadora (8) regidora de los procesos del modulo, con sus correspondientes perifericos.

   El convertidor esta caracterizado por ademas disponer de un sistema acople-desacople (7) que esta formado al menos por:

   - Mecanismo de acoplamiento (26) ligado al flotador.

   - Estructura portico simple (38)

   - Polea inferior (39)

   - Polea superior (40)

   - Carrete (32)

   - Trinquete reversible (31)

   - Freno (41)

   - Cable transmisor (30) al cual, el mecanismo de acoplamiento (26) se acopla y desacopla y que tiene al menos un punto de anclaje (19) a la masa activa.

   - Los perifericos de la computadora (8) correspondientes a este sistema.

   Durante el ascenso de ola, el mecanismo de acoplamiento (26) mantiene acoplado el flotador (6) al cable de transmision (30) al menos en direccion vertical. La ola en ascenso produce un empuje en el flotador (6) el cual, lo transmite a traves del mecanismo de acoplamiento (26) al cable transmisor (30). El cable trasmisor (30) pasa por la polea inferior (39), Juego por la polea superior (40), atraviesa la carcasa estanca al agua (5) hasta llegar al trinquete reversible (31), que permite el giro en la direccion de este movimiento. El cable transmisor (30) tras salir del trinquete, transmite a traves del punto de anclaje (19) la tension a la masa activa (3), elevando la posicion de esta, en la direccion del eje (2) y por tanto, aumentando la energia potencial gravitatoria de la masa activa (3).

   Durante el descenso de ola, el mecanismo de acoplamiento (26) mantiene desacoplado mecanicamente al flotador (6) del cable transmisor (30), al menos en direccion vertical, estando asl el efecto del flotador (6), fuera del sistema de fuerzas vertical. La masa activa (3) esta sometida a la fuerza de su peso, esa fuerza es transmitida mediante el punto de

   5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   anclaje (19) al cable transmisor (30); el giro que inducirla esta fuerza, esta bloqueado en el trinquete reversible (31), con lo cual se mantiene la posicion elevada de la masa activa (3), es decir se conserva su energla potencial gravitatoria.

   Tras uno o varios ciclos de ola como el descrito, la masa activa (3) esta en una posicion elevada, suma de las elevaciones de cada ascenso de ola y sometida a la fuerza de su peso. En ese momento se libera el giro restringido en el trinquete (31) y el mecanismo de acoplamiento (26) mantiene desacoplado mecanicamente al flotador (6) del cable transmisor (30), al menos en direccion vertical, con lo que el cable transmisor (30) no transmite tension a la masa activa (3) y sigue su movimiento descendente, arrastrado por el punto de anclaje (19); el carrete (32) durante el movimiento descendente de la masa activa(3) suelta longitud de cable transmisor (30), recogiendo longitud de cable, en el movimiento ascendente. En esta disposicion del modulo, la masa activa (3) libera su energla potencial gravitatoria durante su descenso dentro de la carcasa estanca (5) y esta energla sera transformada mediante el generador (4), en energla electrica.

   Mediante el freno (41) se regula la velocidad de la masa activa (3), a traves del cable transmisor (30).

   Sobre la estructura portico simple (38) se apoyan: polea inferior (39), polea superior (40), carrete (32), trinquete reversible (31) y freno (41).
2. 2. Un modulo convertidor como el descrito en la reivindicacion 1, que cuenta ademas con un plano cojinete (12), que permite el giro entre la base inferior de la carcasa estanca (14) y la base superior de la estructura de soporte (11).
3. 3. Un modulo convertidor como el descrito en la reivindicacion 1, que cuenta con valvula en el flotador (28) y valvula en la carcasa estanca (24).
4. 4. Un convertidor como el descrito en la reivindicacion 1, que cuenta con un mecanismo de regulacion de altura frente a las mareas, form ado por el fuste (10) retractil de la estructura de soporte (1), un bloqueo (33) y el sistema acople-desacople (7).
5. 5. Un sistema de generacion electrica que utilice varios modulos convertidores como el descrito en la reivindicacion 1, logrando una generacion electrica conjunta, a partir de la combinacion de las generaciones de cada modulo.