ES2970266A1 - Procedimiento y dispositivo para la captación de energía undimotriz, mediante desplazamiento de fluido interior - Google Patents

Abstract

Es un procedimiento y dispositivo para la captación de energía undimotriz basado en el desplazamiento de un fluido colocado en el interior del dispositivo por la acción de las olas, produciendo la transferencia de energía potencial y cinética de dicho fluido a los mecanismos de producción energética. Debido al desplazamiento del fluido se produce una modificación del centro de gravedad del dispositivo, que genera una mayor inclinación y desplazamiento de fluido, provocando un par de fuerzas adicional en cada ciclo, que es aprovechado por otros mecanismos de producción energética.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y dispositivo para la captación de energía undimotriz, mediante desplazamiento de fluido interior

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector técnico de las energías renovables, más concretamente en la captación de la energía procedente de las olas de mares y océanos, también conocida como energía undimotriz.

Antecedentes de la invención

Las "olas" son el resultado de la acción continuada del viento sobre la superficie de los océanos y mares en abierto. Tienen la particularidad de desplazarse grandes distancias, a cambio de una mínima pérdida de energía, por lo que el viento que las origina puede ser del mismo lugar donde se le va a cabo el aprovechamiento energético o muy distante al mismo.

Actualmente, las técnicas de captación de energía undimotriz se están desarrollando a un ritmo más lento que otras existentes para la captación de energías renovables como son la energía eólica y solar.

El motivo fundamental es el elevado coste tanto de construcción como de mantenimiento en relación con la energía que actualmente son capaces de captar de las olas. Por ello, todos los esfuerzos para hacer más atractiva esta tecnología de generación de energía limpia e inagotable, deben ir encaminados a aumentar la relación entre la Energía Absorbida y el Coste Total.

Existen numerosas tecnologías de aprovechamiento de la energía de las olas. La clasificación de las mismas se puede llevar a cabo atendiendo a criterios de diferentes autores y a las siguientes variables: ubicación, tamaño y orientación, extracción de energía y principio de captación. Por tanto, tendríamos:

Según su Ubicación:

a) Encosta u on-shore: el dispositivo se encuentra apoyado, bien sea sobre el fondo del mar o en un dique. Las instalaciones son más fácilmente construidas, instaladas y visitadas, sobre todo para mantenimiento, aunque tienen como contrapartida que están más visibles de cara al público.

b) Cerca de la costa o near-shore: se encuentran normalmente a profundidades de entre 10 y 25 metros, y pueden estar tanto apoyados sobre el fondo del mar como de manera flotante.

c) Fuera de la costa u off-shore: están ubicados a profundidades superiores a los 40 metros, y pueden estar tanto sumergidos como flotantes. Tienen la gran ventaja de producir mayor cantidad de energía eléctrica y tener menor impacto visual desde la costa, pero tienen como contrapartida el disponer de un acceso peor para llevar a cabo labores de mantenimiento.

Según su Tamaño y Orientación:

a) Absorbedores puntuales: se trata de dispositivos que tienen un tamaño pequeño si se compara con el de la ola incidente. Tienen una forma cilíndrica, y por tanto son indiferentes a la dirección de la ola. Captan la energía no solo de la onda incidente sino también la de un entorno más o menos cercano. Su disposición en el mar suele ser agrupados en línea.

b) Atenuadores: se colocan de manera paralela a la dirección de avance de la ola, siendo unos dispositivos largos de tal manera que extraen energía de manera progresiva y por los dos lados. Están menos expuestos a daños y a anclajes que los que se comentan a continuación.

c) Terminadores o totalizadores: están colocados de manera perpendicular a la dirección de avance de las olas, es decir, paralelo al frente de olas. Su objetivo es intentar captar la energía de una sola vez.

Según la Extracción de energía:

a) Flotadores: las olas mueven los dispositivos que se encuentran flotando sobre la superficie de agua, apoyados en una masa sumergida o anclados en el fondo.

b) Depósitos: se trata de una serie de elementos que se llenan con el agua del mar. Posteriormente, el agua retorna nuevamente al mar, accionando previamente una turbina. c) Balsas o pontones: son aquellos dispositivos que aprovechan el movimiento relativo con relación a las olas.

d) Neumáticos: con el movimiento de las olas, se comprime y descomprime aire, siendo éste el encargado de accionar una turbina.

e) Dispositivos móviles articulados: se mueven con las olas actuando sobre un motor hidráulico. Según el Principio de captación:

a) Columna de agua oscilante (OWC: Oscillating Water Column): se trata de un dispositivo formado por una cámara abierta por abajo por donde entra el agua del mar empujado por la fuerza de las olas, de tal manera que comprime aire, accionando una turbina. El vaciado de la cámara permite también la generación de electricidad.

b) Cuerpos activados por olas: se trata de dispositivos que se mueven por la acción de las olas, de manera relativa entre dos cuerpos, o absoluta entre un cuerpo y una referencia fija.

c) Sistemas de rebosamiento: consiste en la existencia de un depósito por encima de la cota de la superficie del agua del mar, que se llena por la acción de las olas, de tal manera que al vaciarse mueve una turbina que es la encargada de la generación de energía eléctrica.

Según su Posición relativa al agua:

a) Fijos o flotantes: aquellos que están flotando sobre la superficie del agua.

b) Semisumergidos: son aquellos que se encuentran por debajo de la superficie del agua del mar, de manera discontinua o continua (referido al tiempo), como de manera parcial o total (referido a la parte que sobresalga por encima de dicha superficie).

c) Sumergidos: todos aquellos dispositivos que se encuentran siempre por debajo de la superficie del agua del mar.

Todos estos dispositivos que tratan de absorber energía undimotriz mediante el accionamiento de elementos mecánicos, hidráulicos, neumáticos, etc., y que acaban activando un generador eléctrico, siempre lo hacen bajo los parámetros o características propias de las olas que los atraviesan, es decir, su longitud de onda, periodo, altura, etc.

Otro inconveniente con el que nos encontramos en la captación de energía undimotriz, son las duras condiciones meteorológicas y marinas a las que los dispositivos tienen que enfrentarse, lo que provoca un altísimo coste en mantenimiento y reparación de elementos.

Por otro lado, también dependiendo del diseño, muchos de los dispositivos existentes tienen los elementos de generación de energía bajo el agua, lo que también genera altísimos costes de instalación y mantenimiento.

Explicación de la invención

La invención se refiere a un nuevo procedimiento y dispositivo para la captación de energía undimotriz y posterior conversión en energía eléctrica, capaz de generar un desequilibrio en la energía potencial de un fluido colocado en su interior, para que independientemente de la velocidad a la que la ola pasa de su cresta a su valle y viceversa, dicho fluido tienda a moverse por la aceleración de la gravedad y por tanto con la aceleración que ésta proporciona, accionando en su movimiento los mecanismos de producción eléctrica colocados en su interior. A raíz del movimiento del fluido interior, se produce una variación del centro de gravedad del dispositivo, generando un giro adicional del mismo, incrementando el par de fuerzas generado por el empuje de la ola y que será aprovechado por otros mecanismos de producción eléctrica.

Explicación del nuevo procedimiento

El nuevo procedimiento que aquí se describe se centra en aprovechar la energía potencial y cinética de las olas al paso de éstas por los dispositivos generadores de energía, provocando el balanceo de éstos, y por tanto de un fluido colocado en su interior, generando un diferencial de energía potencial entre la parte alta y baja del mismo, y que tras buscar su nueva posición de equilibrio por el efecto de los vasos comunicantes, se produce una transferencia de fluido desde la parte alta a la baja, el cual será el encargado de accionar los mecanismos colocados en su interior que transformarán la energía mecánica absorbida en energía eléctrica.

Por tanto, independientemente de la velocidad a la que la ola pasa de su cresta a su valle y viceversa, dicho fluido tenderá a moverse por la acción de la gravedad y, por tanto, con la aceleración que ésta proporciona.

Partiendo de una situación de equilibrio, el fluido siempre estará repartido de manera homogénea por el interior del dispositivo, pero en el momento en el que una ola empieza a generar una fuerza de empuje sobre un lado del dispositivo, nos encontramos con dos fenómenos:

El primero de ellos es que se produce una inclinación del dispositivo generado por el empuje que ejerce la ola por el lado de ataque. Al inicio de la inclinación, el fluido que se encuentra "aguas abajo" de los mecanismos de extracción energética (por ejemplo, unas turbinas) se desplazará hacia el exterior sin ningún elemento que lo frene, descomprimiendo rápidamente dicho mecanismo. Sin embargo, "aguas arriba" de los mecanismos (donde se está produciendo la elevación) se producirá un incremento de la presión sobre la que ya existía previamente, ya que el fluido va ganando energía potencial (al elevarse) mientras se van venciendo las fuerzas que frenan a los mecanismos de producción, es decir, su inercia, la fuerza electromotriz del generador, etc., que generan cierto retardo en el movimiento de los mismos. Este diferencial de presión es el que activa el funcionamiento del dispositivo.

El segundo, derivado del primero, es que al moverse el fluido de un lado hacia el otro del dispositivo, se produce un desplazamiento de su centro de gravedad y por tanto, la Fuerza de Empuje (E) se hace mayor en uno de los lados ("aguas arriba") al disminuir el volumen de fluido y la Fuerza Peso (P) se hace mayor en el otro (aguas abajo") al recibir el mismo volumen de fluido, generando dos pares de fuerzas con el mismo sentido de giro, provocando una inclinación adicional del dispositivo, potenciando aún más el desplazamiento del fluido.

El conjunto de ambos efectos, cobra especial importancia en la captación de energía undimotriz de las olas más pequeñas (que son las que con mayor frecuencia se producen), máxime si se dispone de un dispositivo con bajo desplazamiento por metro cuadrado, aumentando enormemente la producción eléctrica y su Factor de Carga y por tanto el LCOE de la instalación. Y esto es así, porque al producirse el desplazamiento del centro de gravedad se potencia el giro del dispositivo y que las olas pequeñas vayan penetrando bajo el mismo llegando a un punto de equilibrio y/o tope de giro, a partir del cual se produce el giro repentino en el sentido opuesto al seguir la ola avanzando.

Del mismo modo, la acción combinada de ambos efectos genera un enorme par de fuerzas el cual estará disponible para ser transmitido y aprovechado por cualquier mecanismo de producción energética. Podemos citar varios ejemplos como podrían ser, una turbina que fuese instalada bajo el dispositivo que adquirirá una velocidad proporcional a su profundidad de instalación, y funcionará perfectamente en todos los balanceos de la barcaza independientemente de su dirección. Otro ejemplo puede ser un engranaje instalado en la bisagra o rótula de conexión de varios dispositivos en serie, etc.

Cuando se instalen varios dispositivos conectados en serie, el desplazamiento de fluido de uno de ellos afecta al siguiente, aumentando enormemente la producción energética.

Dicho procedimiento, también permite en función del diseño del dispositivo, generar un aumento de energía potencial para aprovechar en el siguiente ciclo de la ola, ya que podrá almacenar el fluido en unas columnas de regulación, que otorgarán una altura adicional y, por tanto, energía potencial disponible para el siguiente movimiento. Estas columnas también proporcionarán una regulación en la energía entregada entre ola y ola, ya que la irán aportando a medida que se vayan vaciando.

Este procedimiento permite la generación de energía sin que ningún elemento de generación esté en contacto con el agua de mar, siendo el fluido interior el que accione de manera directa los mecanismos diseñados.

Por ello, el fluido a emplear será aquél que desee el proyectista, pudiendo utilizar los aditivos y polímeros que considere necesarios para modificar sus propiedades físico-químicas como son pueden ser su densidad, sus propiedades lubricantes que prácticamente hagan innecesarias las labores de mantenimiento, su viscosidad, para reducir su agresividad respecto a la corrosión, etc., mejorando el estado de la técnica referente a los dispositivos que se accionan con el agua salada y por supuesto los que se accionan con aire como en los sistemas de Columna Oscilante de Agua.

Para optimización del procedimiento, se emplearán sistemas de regulación de caudal, de inercia, de relación de multiplicación, que modificarán de manera automática y/o programada sus posiciones, tal y como se explicará en la explicación del dispositivo.

Explicación del nuevo dispositivo

El nuevo dispositivo está configurado para funcionar en los términos del procedimiento explicado en los párrafos anteriores, y permite multitud de configuraciones como se explica a continuación. Este dispositivo se encuadraría en la tipología de absorbedor puntual, ya que puede extraer la energía en cualquier dirección del oleaje, aumentando el factor de carga del dispositivo.

No obstante, al sufrir en su operativa un desplazamiento de su centro de gravedad por la transferencia de fluido tal y como se ha indicado en la explicación del procedimiento, cuando las barcazas se conectan en serie, la distribución de pesos de una afecta a las siguientes, modificando el potencial de energético de éstas, por lo que en este caso también lo podríamos englobar dentro de los atenuadores.

Es un dispositivo que se puede instalar tanto near-shore como off-shore, y por ser un dispositivo flotante, minimiza los impactos al medio ambiente ya que no se ve afectada la biodiversidad ni el lecho marino. Dada su baja altura, copiando prácticamente la superficie del mar, el impacto visual es despreciable. Otras de sus ventajas medioambientales es que no existe riesgo de vertidos de productos tóxicos al mar, ya que todos los equipos están totalmente encapsulados en la barcaza principal, la cual, además podrá estar perfectamente insonorizada, siendo todos los componentes del dispositivo totalmente reciclables.

El dispositivo se compone de una barcaza o estructura principal que podrá adquirir la geometría que el proyectista desee, ya sea regular o irregular, como podrían ser circulares, rectangulares, hexagonales, triangulares o cualquier otra. En cualquier caso, se primará en su diseño la capacidad de navegar de manera autónoma y/o bajo remolque, que facilite y minimice los costes de traslado a puertos para su mantenimiento (si es necesario) o su traslado a distintas regiones en función del recurso undimotriz disponible.

Esta barcaza será la encargada de absorber los esfuerzos del oleaje por lo requerirá de materiales resistentes que aporten robustez y se diseñará de manera que tenga poco desplazamiento por metro cuadrado, experimentando así mayor aceleración en sus movimientos. Además, incorporará un protector en su perímetro para la absorción de impactos con otras barcazas conectadas en serie o con cualquier otra embarcación.

La barcaza se diseñará de manera que, estando girada en su punto máximo de giro, sea capaz de recuperar su posición natural de equilibrio en el supuesto de ausencia de olas.

La barcaza aprovechará su parte superior para la instalación de los equipos auxiliares que se requiriesen, como podrían ser de comunicación, meteorológicos, etc. Igualmente, por tener la barcaza una gran superficie exterior, podrá albergar una instalación fotovoltaica aprovechando además el frío que el agua del mar aporta para aumentar su eficiencia.

Estas barcazas podrán instalarse y operar de manera aislada o conectadas en serie, proporcionando cada una de ellas estabilidad al resto de la serie pudiendo además seguir funcionando perfectamente en cualquier dirección del oleaje. La conexión en serie se podrá realizar mediante elementos flexibles o rígidos con distintos grados de libertad, como podrían ser cadenas, cables, rótulas o bisagras, tensores, etc., disponiendo si se desea, un mecanismo de producción eléctrica en sus articulaciones. Este dispositivo es fácilmente escalable, ya sea en cuanto a geometría, volumen de sus cámaras, densidad y volumen de fluido, conexiones en serie, etc.

La barcaza principal albergará en su interior todos los equipos de producción energética, como pueden ser los equipos mecánicos, electrónicos, eléctricos, etc., lo que reduce todas las labores de mantenimiento, ya sean in situ o en su traslado a puerto. Para ello, tendrá en su interior una serie de cámaras estancas, cada una de ellas con una determinada función. A modo de ejemplo se podrían citar, cámara de equilibrio, cámara de extracción energética y cámara de producción.

La cámara de equilibrio se diseñará para proporcionar al dispositivo la estabilidad al vuelco necesaria, que variará en función del tamaño de ola de diseño, geometría del mismo, volumen y densidad del fluido, etc. Cuando el riesgo al vuelco sea bajo, ya sea porque el oleaje de la ubicación fuese de baja energía, o porque las barcazas estén conectadas en serie, o porque se provee al dispositivo de elementos de estabilización a modo de quilla, esta cámara se podrá reducir e incluso eliminar.

Esta cámara de equilibrio podrá incorporar además un sistema de llenado con agua de mar, para regular la flotabilidad de la barcaza principal, llenándola cuando interese que esté más sumergida, aportando más estabilidad por su mayor peso y confiriendo más seguridad cuando existan fuertes oleajes y viceversa.

La cámara de extracción energética es aquella en la que se disponen los equipos de que están en contacto con el fluido, y que extraen su energía cuando éste pasa a través de ellos, instalándose uno o varios, como podrían ser turbinas de eje vertical u horizontal, paletas, palancas, etc., y que podrán estar colocados de manera aislada o en grupos dentro de la cámara de extracción. Si se opta por instalar una o un grupo de turbinas de eje vertical, las más apropiadas podrían ser Turbinas de Acción tipo Peltón (aunque en este caso sin inyectores) o Turbina tipo Michell Banki (turbina de flujo transversal o cruzado), en la que el fluido atraviesa los álabes diagonalmente, y al pasar dos veces por el rotor, se obtiene una gran eficiencia. Los ejes de estas turbinas entran directamente en la cámara de producción, pudiendo estar todos conectados a través de un engranaje común o trabajar de manera independiente cada uno de ellos con sus equipos de producción. Las cámaras de extracción energética dispondrán de unas compuertas de intercambio de fluido, que servirán para el vaciado y llenado de las mismas cuando sea necesario.

Esta cámara de extracción energética podrá tener unas particiones que además de conferir rigidez a la barcaza, se diseñarán de modo que se vayan estrechando desde la zona exterior de la barcaza hacia la interior, dirigiendo la transferencia del fluido hacia el sentido natural de giro de las aspas de las turbinas, acelerándolo y concentrándolo allí con la máxima velocidad y minimizando el impacto con las aspas en el sentido opuesto de giro.

En la parte exterior de la cámara de extracción energética, estas particiones ganarán altura para dar cabida y almacenar el volumen de fluido que procede de la parte opuesta, de manera que, al girar nuevamente el dispositivo, la diferencia de energía potencial sea la mayor posible. Estas columnas de regulación tendrán unas aberturas en su parte exterior para permitir la salida del aire que quedase comprimido, permitiendo el llenado completo de la misma llegado el caso y el paso de fluido de una columna de regulación a la contigua homogeneizando el llenado y la carga para el siguiente movimiento.

Estas particiones podrán ser rectas o curvas. Del mismo modo, podrán ser totalmente fijas, lo que otorga sencillez y menor CAPEX inicial de la construcción, o, por el contrario, podrán tener unos álabes móviles que regulen, en función del oleaje previsto, la abertura final y por tanto el caudal de salida, tal y como lo hacen en las turbinas hidráulicas tipo Francis o en las turbinas de flujo transversal o cruzado.

A modo de ejemplo, cuando los oleajes son más abruptos con cambios bruscos de dirección, olas escarpadas, etc., se colocarían en una posición más abierta para que permitan una transferencia rápida y total de fluido para optimizar la captación de energía en cada ciclo de ola, y en el caso de oleajes más pausados con periodos largos y perfiles de onda suaves, se podrán colocar en posición más cerrada, para que el fluido vaya saliendo poco a poco durante su periodo.

Como opción de mejora del dispositivo, se diseñará una segunda cámara de extracción energética, cuya turbina podrá ser de igual tipología y diámetro que el de la primera o de otros distintos para adaptarse mejor a la variabilidad del oleaje.

Las particiones y turbina de esta segunda cámara de extracción energética podrán tener el mismo sentido de giro que el de la primera, estando ambas conectadas al mismo eje lento. No obstante, si lo que se pretende es dotar de mayor estabilidad a la barcaza durante las transferencias de fluido, se diseñarán en sentido contrario de giro al de la primera turbina, igualando los volúmenes de las particiones durante los vaciados de las columnas de regulación.

Siendo esta segunda opción la deseada, nos encontramos ahora con otras dos alternativas. La primera de ellas es que los ejes de ambas turbinas giren en sentido opuesto de manera que cada uno de ellos estén conectados a una parte distinta del generador, es decir, una al estátor y la otra al rotor, generando una velocidad relativa de rotación mayor entre ambos. Y la segunda alternativa sería que, girando inicialmente en sentido opuesto, mediante el correspondiente engranaje se igualaran los sentidos de giro, estando el conjunto de ambas turbinas conectado al rotor del generador.

El fluido a colocar será opción del proyectista, pero independientemente del que se utilice, se podrá modificar con los aditivos y polímeros que se deseen para modificar sus propiedades físicoquímicas, como por ejemplo, aumentar su densidad, para aportar propiedades lubricantes para que de manera permanente estén lubricando los rodamientos y partes móviles de los equipos que se encuentren en el interior de la cámara, para conseguir una baja viscosidad o para eliminar cualquier propiedad corrosiva, etc., minimizando por todo ello, las labores de mantenimiento de los mecanismos de extracción de energía, aumentando la producción energética y reduciendo el OPEX durante la vida útil del dispositivo.

Gracias a la gran superficie de contacto del fluido con el casco de la barcaza, se garantiza en todo momento la perfecta refrigeración del mismo y por tanto de todos los elementos mecánicos del interior de la cámara de extracción de energía.

Gracias a este diseño, la producción de energía eléctrica se lleva a cabo de manera directa sin transformaciones de energía que hacen perder eficiencia, como hacen otros dispositivos que transforman la energía mecánica en energía hidráulica o neumática, para luego transformarla nuevamente en energía mecánica y finalmente en eléctrica.

La cámara de producción es donde estarán ubicados el resto de equipos de producción energética, como son el engranaje que recibe los ejes de todas las turbinas (si se han instalado varias), volantes de inercia, multiplicadora, frenos, generador, sensores, etc., que reciben la energía mecánica de la cámara de extracción energética. El dispositivo está diseñado para que el rotor siempre funcione en el mismo sentido de giro y para ello, se dispondrá de un sistema de almacenamiento de energía cinética, como podría ser un volante de inercia, fija o variable, y piñón libre en el eje del equipo de extracción.

En el caso de que sea un volante de inercia variable, se le proveerá de unas masas móviles que estarán conectadas a la parte fija mediante unos elementos de recuperación y que podrán deslizar por unas guías variando su posición respecto al centro del volante de inercia.

Estos elementos de recuperación podrán funcionar de manera automática y libre en función de la velocidad de giro del eje y por tanto de la fuerza centrífuga adquirida por las masas móviles, como podrían ser elementos flexibles como resortes, cuerdas elásticas, etc., o elementos rígidos como gatos hidráulicos, tensores, etc., aunque igualmente, podrán activarse y desplazarse de manera forzada, colocando las masas donde se programe.

Este sistema de volante de inercia variable, ofrece una magnífica adaptación a la variabilidad del oleaje, superando uno de los mayores problemas de la captación de energía undimotriz, ya que cuando tenemos olas pequeñas interesa tener una inercia menor que facilite el inicio del movimiento, pero si tenemos olas mayores, interesa tener la máxima inercia posible.

Por ello, a medida que la velocidad de giro del eje va aumentando, los cuerpos móviles van experimentando una mayor fuerza centrífuga que tiende a separarlos de su centro de giro, venciendo la resistencia de los elementos de recuperación y aumentando al mismo tiempo su inercia para el siguiente ciclo, que es lo que buscamos. Si por el contrario tenemos un periodo de tiempo con olas más pequeñas, la velocidad de giro se irá reduciendo, la fuerza de los elementos de recuperación será mayor que la fuerza centrífuga y los cuerpos móviles se irán acercando al centro del volante, reduciendo su inercia, facilitando que las siguientes olas pequeñas puedan vencer la menor inercia con facilidad, continuando con la producción energética.

A la salida del volante de inercia seguimos con la transmisión, a partir del cual, el mecanismo se podrá conectar directamente a un generador o por el contrario se podrá disponer una caja de cambios, ya sea fija o variable, para obtener más velocidad o más par de fuerzas en el eje de salida en función de las necesidades y previamente a la entrada en el generador. Esta caja de cambios, en el caso de ser variable, será automática o hidromática, para que, de manera autónoma, determine la mejor relación entre los diferentes elementos (velocidad del volante de inercia, potencia del generador, aceleraciones del oleaje, etc.). Opcionalmente, el eje de salida de la caja de cambios, también podrá disponer de su propio volante de inercia.

Como ya se ha explicado, debido al desplazamiento del fluido por la acción del oleaje, y por tanto del centro de gravedad del dispositivo, se produce un elevado par de fuerzas disponible para ser aprovechado por cualquier mecanismo de producción eléctrica, pero al mismo tiempo, se produce un giro adicional sobre la barcaza que genera una mayor inestabilidad al vuelco, por lo que el dispositivo irá provisto de distintos elementos que aporten resistencia a dicho vuelco, pudiendo además absorber la energía mecánica para su transformación en eléctrica. Se describen a continuación varias opciones de las muchas posibles.

La primera opción de estabilización es mediante un anclaje de doble punto articulado, pudiendo estar dichos puntos en el centro del dispositivo generando un eje de giro por la mitad geométrica del mismo, o por el contrario pueden estar desplazados hacia un lado, preferentemente hacia el lado de ataque de la ola, confiriendo mayor estabilidad en la primera fase del movimiento del dispositivo y mayor inclinación en la segunda.

Este anclaje de doble punto será abatible, de modo que se pueda sacar totalmente del agua para favorecer el traslado del dispositivo, y para que pueda moverse al ritmo de las olas y de la barcaza en fase de operación. Irá provisto de un tope máximo de giro respecto a la barcaza que sustenta, garantizando la estabilidad de la misma. No obstante, se le dotará igualmente de un sistema de bloqueo para que quede totalmente inmovilizado cuando así se desee. A través de la articulación se podrá aprovechar la energía mecánica inducida instalando los mecanismos correspondientes. El anclaje de doble punto podrá incorporar cualquier elemento pesado para que, a modo de quilla, también genere un par de fuerza estabilizador al vuelco, como podría ser una esfera pesada que funcione a modo de péndulo.

La segunda opción de estabilización es mediante la conexión en serie de las barcazas, pudiendo emplear elementos flexibles o rígidos con distintos grados de libertar como pueden ser cadenas, rótulas, tensores, etc., permitiendo la absorción de energía en todas las direcciones del oleaje. La estructura de las bisagras servirá perfectamente para el paso interior de cableados de una barcaza a otra haciendo la instalación más fiable y se podrá colocar en un plano distinto al de flotación de las barcazas, generando más resistencia al giro en un sentido y menos en el otro. En al caso del empleo de rótulas o bisagras como elemento de unión, se podrá aprovechar la energía mecánica inducida en las mismas, instalando los mecanismos correspondientes.

La tercera opción de estabilización es mediante turbina de eje vertical colocada bajo la barcaza a modo de quilla, ya que debido al par de fuerza total que provoca la inclinación de la barcaza (el momento generado por la ola más el momento generado por el desplazamiento del fluido), se inducirá un par de fuerzas y velocidad en la turbina que será proporcional a la profundidad de instalación y cuya reacción con el agua, provocará el accionamiento de la misma. Cuando se inicia el movimiento de bajada de la ola y segunda fase de giro del dispositivo, la turbina será accionada por el momento generado por su propio peso más el empuje de la ola en el lado opuesto y por la transferencia del fluido generando el mismo efecto en el sentido contrario.

Esta turbina podrá tener su eje conectado con los equipos de producción energética del interior de barcaza principal, aumentando la eficiencia en la captación de energía procedente de la ola. Gracias a la turbina de eje vertical y a su acoplamiento a una barcaza que funciona como absorbedor puntual y que se mueve en todas direcciones, la eficiencia de la turbina exterior es muy alta, aumentando el factor de carga de todo el dispositivo, disminuyendo además su CAPEX y OPEX por compartir todos los elementos de generación (la barcaza principal o estructura soporte, los volantes de inercia, cajas de cambio, frenos, generador, líneas de evacuación, etc.). Como valor añadido y novedad del nuevo procedimiento y dispositivo, esta configuración también podrá aprovechar la energía de las corrientes marinas, cuando dicho recurso esté disponible, aumentando aún más el factor de carga del dispositivo.

Para el anclaje al lecho marino o a cualquier estructura off-shore, se podrá utilizar cualquier sistema de los existentes en el mercado para tecnología flotante, conectándose directamente a la barcaza principal o a través de cualquier elemento intermedio como podría ser el anclaje de doble punto explicado anteriormente. Este anclaje se podrá aprovechar además para la instalación del cableado de evacuación del dispositivo individual o de todos los conectados en su serie, dado el caso.

Como resumen de las ventajas conseguidas con este nuevo procedimiento y dispositivo, se podrían citar entre otras:

- El disponer de un fluido de gran densidad para el accionamiento del mecanismo de producción eléctrica, así como mejora de sus propiedades físico-químicas.

- Nulo contacto de los mecanismos con agua salada.

- Reducido desplazamiento por metro cuadrado de barcaza.

- Sencilla fabricación, transporte e instalación.

- Sistema de transmisión directo, muy simple y con pocos elementos.

- Mínimo impacto ambiental sobre la biodiversidad por ser un sistema flotante.

- Mínimo impacto visual, con equipos 100% reciclables y sin riesgos de vertidos.

- Fácil insonorización de la cámara de producción energética.

- Gran versatilidad, al instalarse en aguas profundas y someras indistintamente.

- Facilidad de traslado ante grandes tormentas.

- Opera perfectamente con oleajes grandes y pequeños.

- Opera de manera aislada y conectados en serie.

- Aprovecha las conexiones en serie, para producir energía eléctrica.

- Fácilmente escalable tanto en diámetros, volúmenes de las cámaras, etc.

- Fácil integración en la cadena de producción y suministro de la industria naval, y de energías renovables.

- Combinable con varias tecnologías dada su geometría y procedimiento de operación, como son la captación de energía de las olas por dos vías (turbina interior y exterior), la de las corrientes (turbina exterior) y fotovoltaica (en la gran superficie superior).

Todo ello, garantizando un bajo CAPEX y OPEX, con un elevado Factor de Carga y, por tanto, un reducido LCOE.

Breve descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se ha realizado y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, 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 1.- Muestra dos vistas en planta y alzado del exterior del dispositivo según la realización preferente.

Figura 2.- Muestra dos vistas de sección en planta y alzado sombreando las cámaras interiores (sin los equipos de producción energética) e ilustrando la transferencia de fluido, del dispositivo de la invención según la realización preferente.

Figura 3.- Muestra dos vistas de sección en planta y alzado de las cámaras interiores, incluyendo los equipos de producción energética del dispositivo de la invención según la realización preferente.

Figura 4.- Muestra dos vistas en planta del volante de inercia variable con dos posiciones distintas de las masas móviles, del dispositivo de la invención según la realización preferente.

Figura 5.- Muestra dos vistas de sección en planta y alzado de las cámaras interiores, incluyendo el equipamiento interior además de los álabes móviles del dispositivo de la invención según la realización preferente.

Figura 6.- Muestra una vista de sección en alzado de las cámaras interiores, incorporando una turbina y cámara adicional de extracción energética, del dispositivo de la invención según la realización preferente.

Figura 7.- Muestra tres secciones en alzado de las cámaras interiores, ilustrando tres fases tipo del desplazamiento del fluido interior del dispositivo de la invención según la realización preferente.

Figura 8.- Muestra varias vistas en planta, alzado y perfil del sistema de estabilización de la barcaza mediante anclaje de doble punto ilustrando varias posiciones del mismo, del dispositivo de la invención según la realización preferente.

Figura 9.- Muestra vistas en planta y alzado del sistema de estabilización mediante conexión en serie con rótula fija y mecanismo de producción energética, del dispositivo de la invención según la realización preferente.

Figura 10.- Muestra tres vistas en alzado ilustrando los momentos o pares de fuerza que actúan sobre la barcaza por la acción de las olas, del dispositivo de la invención según la realización preferente, teniendo como elemento estabilizador una quilla fija de turbina.

Figura 11.- Muestra vista en planta y alzado, ilustrando algunas configuraciones en serie y anclajes del dispositivo de la invención según la realización preferente.

A continuación, se proporciona una lista de los distintos elementos representados en las figuras que integran la invención:

1 = Barcaza principal

2 = Protector

3 = Cámara de producción

4 = Cámara de extracción energética

5 = Cámara de equilibrio

6 = Compuerta de intercambio de agua de mar

7 = Compuerta de intercambio de fluido

8 = Particiones

9 = Columna de regulación

10 = Aberturas laterales

11 = Turbina

12 = Fluido

13 = Volante de Inercia Variable

14 = Caja de cambios (multiplicadora/reductora)

15 = Freno

16 = Generador

17 = Guías de deslizamiento

18 = Masas móviles

19 = Elemento de recuperación

20 = Piñón libre

21 =Álabes móviles

22 = Turbina adicional

23 = Cámara de extracción energética adicional

24 = Secciones de fluido en fases de operación

25 = Anclaje de doble punto

26 = Elemento estabilizador

27 = Sistema de articulación

28 = Conexión articulada

29 = Mecanismo de producción

30 = Quilla fija de turbina

31 = Tensor

32 = Tope máximo de giro

Realización preferente de la invención

A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación.

El nuevo dispositivo captador de energía undimotriz se compone de una barcaza principal (1), que se encuentra sujetada por el anclaje de doble punto (25) que finalmente estará anclado al lecho marino o a cualquier estructura off-shore. Esta barcaza principal (1) dispone de un protector perimetral (2), que lo protege de los impactos durante su vida útil.

La barcaza principal (1) tiene en su interior una cámara de producción (3), una cámara de extracción energética (4) y una cámara de equilibrio (5) todas ellas estancas. La cámara de equilibrio (5) incorporará una compuerta de intercambio de agua de mar (6) para regular la flotabilidad de la barcaza principal (1). La cámara de extracción energética (4) incorporará una compuerta de intercambio de fluido (7) y tendrá en su interior unas particiones (8) que tendrán mayor abertura y altura en su parte exterior, para generar las columnas de regulación (9) y se estrecharán hacia el interior concentrando la salida del fluido (12) hacia las aspas de la turbina (11) en función de su sentido de giro. Estas particiones (8) tienen en sus extremos interiores unos álabes móviles (21) para regular el caudal de fluido (12). Igualmente, dispondrán de unas aberturas laterales (10) en su zona exterior. La cámara de extracción energética (4) dispondrá en su interior la turbina (11) y el fluido (12).

La cámara de producción (3) recibirá el eje de la turbina (11) que tendrá en su eje un volante de inercia variable (13) y piñón libre (20). El eje continúa hasta conectar con la caja de cambios (14), el freno (15) y el generador (16).

La cámara de equilibrio (5) se diseñará para dar estabilidad al conjunto del dispositivo en función de su geometría, pesos, volumen de fluido, etc., considerando además su llenado y vaciado a través de la compuerta de intercambio de agua de mar (6).

La sujeción de la barcaza principal (1) se realizará mediante un anclaje de doble punto (25) conectado al sistema de articulación (27) con un tope máximo de giro (32) y elemento estabilizador (26) en su parte inferior y estará conectada en serie mediante conexión articulada (28) con su mecanismo de producción (29).

Comentarios sobre su aplicación industrial

Como se puede deducir de la explicación del nuevo procedimiento y dispositivo, la aplicación industrial para la puesta en marcha de este procedimiento y dispositivo está totalmente garantizada.

Existen desde fabricantes de estructuras metálicas y navales hasta una cada vez más potente infraestructura y dotación de equipos para el trasporte e instalación de estructuras marinas. Esta industria sería la encargada de la fabricación de los elementos con un marcado carácter estructural, como sería la barcaza principal, los anclajes, las quillas, etc.

Igualmente hay gran variedad de fabricantes de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos, implicados en instalaciones similares, con multitud de mecanismos interrelacionados. Esta industria abastecería los componentes del dispositivo como son las turbinas, los rodamientos, los frenos, las cajas de cambio, etc. Del mismo modo, para la parte eléctrica y de generación hay multitud de compañías especializadas en el suministro e instalación de componentes eléctricos como grupos electrógenos, líneas eléctricas de evacuación ya sean marinas o terrestres, etc.

La cada vez más creciente necesidad de aumentar el consumo de energía procedente de fuentes renovables, está provocando la proliferación de muchas empresas especializadas en el sector de la energía eólica off-shore, cuya inversión e infraestructuras es cada vez mayor, permitiendo así aprovechar sinergias haciendo este nuevo procedimiento y dispositivo mucho más rentable, aprovechando incluso parte de las instalaciones de la energía eólica off-shore como serían su estructura principal, líneas de evacuación eléctrica, etc.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para la captación de energía undimotriz caracterizado porque la energía cinética y potencial de las olas es adquirida por un fluido (12) colocado en el interior de una estructura o barcaza principal (1) que, al desplazarse libremente por su interior, modifica su centro de gravedad y acciona los equipos de producción energética.

2. Un procedimiento para la captación de energía undimotriz según reivindicación 1, caracterizado porque el desplazamiento del fluido (12) es acelerado y concentrado en los equipos de extracción energética colocados en la cámara de extracción energética (4).

3. Un procedimiento para la captación de energía undimotriz según reivindicación 1, caracterizado porque los equipos de producción energética podrán ser uno o varios, y comprenden medios para la acumulación de energía cinética.

4. Un procedimiento para la captación de energía undimotriz según reivindicación 3, caracterizado porque los medios para la acumulación de energía cinética son un volante de inercia variable (13) ajustable de manera forzada o automática en función de su velocidad de giro y un piñón libre (20).

5. Un procedimiento para la captación de energía undimotriz caracterizado porque la energía cinética y potencial de las olas es adquirida por un fluido (12) colocado en el interior de una estructura o barcaza principal (1) y que al desplazarse libremente por su interior, modifica el centro de gravedad de la barcaza (1) generando un par de fuerzas adicional sobre la barcaza principal (1) que se suma al par de fuerzas que generan las olas, y la combinación de ambos pares de fuerza, es transmitida a mecanismos de producción energética, tanto internos como externos a la barcaza principal (1) y de manera aislada o combinada.

6. Un dispositivo captador de energía undimotriz que contiene un fluido (12), que adquiere la energía cinética y potencial de las olas cuando éstas mueven la barcaza principal (1), provocando su desplazamiento por el interior de la barcaza principal (1) que además de modificar su centro de gravedad, acciona los equipos de producción energética que contiene, pudiendo trabajar de manera aislada o conectados en series.

7. Un dispositivo captador de energía undimotriz caracterizado por poder captar simultáneamente la energía de las olas, la energía de las corrientes marinas y la energía solar fotovoltaica, gracias al fluido (12) del interior de la barcaza principal (1) y a la conexión articulada (28), a la quilla fija de turbina (30) y a la gran superficie disponible en la barcaza principal (1) para la instalación de módulos fotovoltaicos respectivamente, pudiendo compartir las tres tecnologías las partes comunes de la instalación, como son la estructura soporte o barcaza principal (1), el sistema de anclaje de doble punto (25), los equipos de producción y las líneas eléctricas de evacuación.

8. Un dispositivo captador de energía undimotriz que comprende una barcaza principal (1) que contiene una cámara de producción (3), una cámara de extracción energética (4) y una cámara de equilibrio (5). La cámara de equilibrio (5) tendrá una compuerta de intercambio de agua de mar (6). La cámara de extracción energética (4) contiene en su interior una compuerta de intercambio de fluido (7), unas particiones (8), una turbina (11) y el fluido (12). La cámara de producción (3) recibirá el eje de la turbina (11) que tendrá acoplado un equipo de almacenamiento de energía cinética. El eje continúa hasta conectar con la caja de cambios (14), el freno (15) y el generador (16). El dispositivo contiene unos medios sujeción y estabilización al vuelco, fijos o móviles, instalados de manera aislada o combinada, que además de garantizar su estabilidad, podrán incorporar un sistema mecanismo de producción energética.

9. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 8 caracterizado porque las particiones (8) generarán entre ellas más abertura y altura en la parte exterior de la cámara de extracción energética (4), para configurar las columnas de regulación (9) y se estrecharán hacia el interior de la cámara de extracción energética (4) concentrando la salida del fluido (12) hacia las aspas de la turbina (11) en función de su sentido de giro.

10. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 8 caracterizado porque los extremos interiores de las particiones (8) tendrán unos álabes móviles (21) para regular el caudal de transferencia del fluido (12).

11. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 8 caracterizado porque los equipos de almacenamiento de energía cinética son un volante de inercia variable (13) y un piñón libre (20).

12. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 11 caracterizado porque el volante de inercia variable (13) comprende unas guías de deslizamiento (17), que soportarán las masas móviles (18), que estarán conectadas a los elementos de recuperación (19) de accionamiento automático o forzado.

13. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 8 caracterizado por tener una cámara de extracción energética adicional (23) y una turbina adicional (22).

14. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 13 caracterizado porque la cámara de extracción energética adicional (23) y la turbina adicional (22), podrán diseñarse con el mismo sentido de giro de la turbina (11) o en sentido contrario, estando sus dos ejes conectados al rotor del generador (16) cuando giran en el mismo sentido, o conectados cada uno ellos al rotor y al estator del generador (16) respectivamente, generando una mayor velocidad relativa entre ambos, cuando giran en sentido contrario.

15. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 8 caracterizado porque el medio de sujeción es un anclaje de doble punto (25) que comprende un sistema de articulación (27) con un tope máximo de giro (28) y un elemento estabilizador (26) en su parte inferior, pudiendo el anclaje de doble punto (25) estar centrado o descentrado respecto al centro geométrico de la barcaza principal (1), pudiendo incorporar un mecanismo de producción energética en el sistema de articulación (27).

16. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 8 caracterizado porque el medio de estabilización y conexión en serie comprende una conexión articulada (28) con su mecanismo de producción (29), que al recibir el par de fuerzas y girar, provoca adicionalmente el desplazamiento de fluido (12) de la barcaza contigua iniciando también la producción eléctrica en ésta.

17. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 16 caracterizado porque la conexión articulada se encuentra en un plano distinto al de flotación de la barcaza principal (1), otorgando más resistencia al giro en un sentido de la ola, y menos resistencia en el otro.

18. Un dispositivo generador de energía undimotriz según reivindicación 8 caracterizado porque el medio de estabilización y absorción de energía de las olas y de las corrientes marinas comprende una quilla fija de turbina (30) con sus tensores (31) colocados bajo la barcaza principal (1) cuya reacción contra el agua del mar al recibir el par de fuerzas acciona sus aspas, cuya energía de rotación es transmitida al interior de la barcaza principal (1) conectando su eje a los equipos de producción energética del interior de la barcaza principal (1), aumentando la potencia en el generador (16).