Generador submarino con hélice de tres palas para aprovechar energía del agua en la dirección de su eje,

en los dos sentidos.La hélice acciona un alternador eléctrico situado en un domo central del que salen tres brazos unidos a sendos flotadores que se cierran en una estructura en Y por medio de tirantes.El conjunto tiene flotabilidad neutra y se posiciona mediante un sistema de fondeo con un conjunto de boyas unidas al fondo por uno o más cables.Un extremo del generador se une a una línea de fondeo mediante un cable horizontal en una de las direcciones predominantes de la corriente. Desde el otro extremo otros dos cables horizontales, abiertos un ángulo respecto a la dirección de la corriente, se unen a otras dos líneas de fondeo.El conjunto puede lastrarse para pasar de posición vertical sumergida de operación a posición horizontal flotando para facilitar el mantenimiento

Generador eléctrico submarino para el aprovechamiento de las corrientes de flujo bidireccional.

Sector técnico

La invención se encuadra dentro del sector de la "Tecnología fuera-costa marina" (offshore technology) y específicamente dentro las plantas de aprovechamiento de energías renovables marinas.

Estado de la técnica

En la actualidad, existe un marcado interés en el aprovechamiento de las energías renovables marinas. Entre ellas, el aprovechamiento de la energía de las corrientes (tanto de las de tipo inercial, como las producidas por las mareas) es una de las de mayor potencial.

El diseño más extendido consiste en una estructura fijada al fondo, sobre la que se montan los generadores (de tipo eléctrico), movidos por hélices con palas de gran esbeltez, similares a las de los generadores eólicos.

La mayor parte de la estructura está sumergida (incluyendo generadores y hélices), sobresaliendo sobre la superficie del mar una parte pequeña, que permite el acceso al interior de la planta y, eventualmente el izado de los elementos activos para labores de mantenimiento de mayor envergadura.

Con este diseño la profundidad de la zona de operación está limitada, siendo apropiado sólo para mares de tipo pre-continental como el Mar del Norte. No siendo posible el uso de este tipo de plantas con láminas de agua por encima de los 40 m.

En todos los sistemas marinos fondeados, uno de los problemas a resolver es el del giro de los elementos, cuando las corrientes tienen un odograma (representación horizontal del lugar geométrico de la variación de la velocidad a lo largo del tiempo) de tipo elipsoidal, que de forma natural, producen un "retorcimiento" de los cables y un enrollamiento de unos con otros.

En abril de 2007 la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) presentó ante la OEPM la solicitud de patente de invención P200700985 titulada "Sistema sumergible para el aprovechamiento energético de las corrientes marinas", concedida por resolución de la OEPM de 27/07/08, publicada en el BOPI con fecha 16/07/08.

Con base en esta patente, la UPM y la F.C.T. SOERMAR están trabajando en el diseño funcional de un generador denominado GESMEY, cuya adaptación al caso de corrientes de tipo elipsoidal es el objeto de ésta nueva patente.

Descripción detallada de la invención

El objeto de la presente invención es un generador de energía eléctrico submarino, como el que se aprecia en la figura 1, compuesto por un rotor o hélice con varias palas, que acciona un alternador eléctrico, situado en un domo central (POD), del que salen, de forma radial o en estrella, varios brazos o columnas, situados en un plano perpendicular al eje del rotor, existiendo al final de cada brazo un flotador (torpedo), con su eje paralelo al del rotor. Los torpedos se cierran, por medios de tirantes con una estructura en Y, con lo que se dispone de puntos de enganche en el eje del rotor en los dos sentidos.

Todos los elementos tendrán una forma hidrodinámica adecuada para reducir su resistencia viscosa y de presión, ya que estarán sometidos a la velocidad de la corriente, por lo que producirán una fuerza de arrastre que debe ser soportada por el sistema de fondeo.

El conjunto de elementos descrito constituye un generador, pudiendo disponerse un conjunto de las mismos en una zona, para el aprovechamiento de la energía, formando un "parque de generadores submarinos" que pueden compartir la unidad de control y el sistema de transporte de la energía hasta tierra desde una unidad de conversión.

Este diseño de "estructura en jaula", además de mejorar la rigidez del conjunto, permite que, alineando el eje con la dirección principal de la corriente, cuando viene en un sentido, se puede soportar el conjunto con uno o más cables enganchados en el punto de unión de los tirantes.

Cuando la corriente cambia de sentido, los cables que entran en tensión son los que van enganchados en el extremo del domo dónde se unen los brazos. La unión de los cables en puntos que están en la prolongación del eje del rotor minimiza los momentos que tienden a que el generador se incline con respecto a la dirección de la corriente.

El conjunto tiene un equilibrio hidrostático, de tal forma que el peso total sea prácticamente igual al del volumen de agua desplazada. De esta forma sólo se generan fuerzas horizontales, soportadas por los cables horizontales que se unen a sus correspondientes líneas de fondeo verticales.

La distribución de pesos y empujes permite que en operación, el par de giro y el momento de inclinación se compensen hidrostáticamente. Para lograrlo, se disponen de tanques de lastre, que se pueden llenar de agua o vaciar con aire, situados en los brazos y en los torpedos.

La distribución de pesos y empujes será modificable, por un sistema de lastrado tele-controlado por medio bombas, válvulas y botellas de aire de soplado, controladas a distancia por medio de un sistema de control automático y enlaces acústicos y/o de cable, de tal forma que en la posición de operación, en el torpedo y columna del brazo inferior es mayor el peso que el empuje y en los torpedo y columnas superiores es mayor el empuje que el peso.

De esta forma, el centro de gravedad del conjunto está por debajo del centro de empuje, produciendo esta "altura metacéntrica" los momentos de estabilización necesarios para que la unidad generadora mantenga la posición vertical, mostrada en la figura 1, que es la óptima para el trabajo de la hélice, al predominar la componente horizontal en las corrientes marinas.

Vaciando el agua de los tanques de lastrado se logrará que el conjunto tenga una flotabilidad positiva, con lo que liberando o aflojando el sistema de fondeo, saldrá a la superficie y al cambiar las posiciones de los centros de gravedad (por medio de los lastres) y de empuje (al salir a la superficie), se logra que la estructura gire y que adopte la posición horizontal, tal como puede apreciarse en las distintas fases de la figura 5.

Este procedimiento se podrá invertir para la puesta en operación de la unidad, pasando desde la posición horizontal flotando, hasta la vertical sumergida de trabajo.

Estos procesos, de puesta en operación y flotación para mantenimiento, pueden ser realizados cuando la velocidad de la corriente sea reducida, y estarán coordinados con un sistema tele-mandado de enganche y liberación del generador con el sistema de fondeo, complementado con un cable de guiado entre ambas partes, que llega hasta una boya auxiliar en la superficie.

La disposición de los brazos en forma de estrella, saliendo como radios desde el domo central, permite que, cuando el conjunto está flotando para realizar las tareas de mantenimiento, se facilite el acceso con embarcaciones al domo, al mismo tiempo que se logra una buena estabilidad. Al ser el número de palas de la hélice igual al de columnas, se podrán estibar unas encima de las otras, mejorando la accesibilidad, la autoprotección de los elementos más sensibles y facilitando las labores de traslado, instalación y mantenimiento.

El sistema de fondeo está basado en varias líneas de fondeo, cada una de las cuales consta de una boya con un cable vertical hasta un punto de enganche situado a la profundidad de trabajo del generador, del que salen uno o varios cables hasta el fondo, donde se fija la línea por medio de muertos, anclas, pilotes u otros sistemas de fijación. Dando a la boya una flotabilidad adecuada se logra que el cable de unión a la misma esté vertical y se reduce el desplazamiento del punto de enganche, debido a la tensión de los cables horizontales que salen del generador.

En la figura 2 se muestra la solución base en la que hay un sólo cable desde el punto de enganche hasta el fondo y en la figura 3 se puede ver una variante en la que la boya está a la profundidad de trabajo, incorporándose en la misma el punto de enganche.

En cuanto a la disposición en horizontal del fondeo, se pueden disponer cuantos cables horizontales se desee unidos por un lado, a los extremos del generador y por otro a sus correspondientes puntos de enganche en las líneas de fondeo.

En las figuras 2 y 4 se presenta una combinación con un cable desde el extremo de los tirantes y dos desde el de los brazos. Con esta disposición se logra reducir el "efecto sombra" de las líneas de fondeo sobre el rotor, sin complicar la maniobra de salida a...

1. Generador eléctrico submarino para el aprovechamiento energético de las corrientes marinas de tipo bidireccional caracterizado por un rotor (1) formado por una hélice múltipala montada sobre domo central (2) que contiene un generador de energía eléctrica que es accionado por el rotor y este conjunto, formado por el rotor (1) y el domo central (2), está soportado por una estructura radial, compuesta por una serie de brazos (3) de forma ovalada para reducir la resistencia al flujo de la corriente sirviendo como-tanques auxiliares de lastre y estos brazos situados en un plano perpendicular al eje del rotor (1) finalizan cada uno de ellos en un flotador con forma de torpedo (4) cuyo eje es paralelo al del rotor (1), cerrándose por su extremo libre por medio de tirantes (5), los cuales forman una estructura en Y cuyo nudo de unión soporta la conexión del cable de fondeo, que mediante el tiro horizontal a tracción y junto con el otro cable que con la misma alineación sujeta la parte trasera del domo (2), permiten mantener el generador sumergido y en la posición correcta para recibir el flujo de la corriente, cuando este discurre tanto en un sentido como en el opuesto, de manera que atraviese el plano del rotor (1), perpendicularmente al mismo y así lograr el máximo de aprovechamiento de su energía.

2. Generador eléctrico submarino para el aprovechamiento energético de las corrientes marinas, según reivindicación 1, caracterizado porque dispone de tanques de lastre dispuestos en el interior de los brazos (3) y de los flotadores (4), que al llenarse o vaciarse de agua cambian la flotabilidad y el centro de gravedad de todo el conjunto estructural que compone el generador y permiten su posicionamiento correcto en inmersión y a la profundidad adecuada para su funcionamiento y asimismo la emersión y cambio de posición a flote cuando sea necesario para realizar labores de mantenimiento o de remoción, estando todo este procedimiento operacional regulado mediante un sistema automático de control que incluye el teleguiado a través de un cable de ayuda desde que se suelta mediante el gancho de disparo del sistema de fondeo hasta que alcanza la superficie.

3. Generador eléctrico submarino para el aprovechamiento energético de las corrientes marinas, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por disponer de un sistema de fondeo para su posicionamiento en operación que comprende tres líneas de fondeo, cada una compuesta por los siguientes elementos, un punto de enganche al fondo (7), un cable vertical (8) que arrancando del punto anterior termina en una boya (6) y que dispone del punto de anclaje (9), situado a la profundidad a la que debe operar el eje del rotor (1) del generador y fondeándose la estructura que comprende el generador, mediante su fijación a este sistema de fondeo a través de tres cables horizontales (10, 11 y 12), el primero (10) que une el punto de unión de los tirantes con el punto de anclaje de una de las tres líneas de fondeo formando un tirante con la dirección del eje del rotor (1) y los otros dos (11) y (12) uniendo el punto trasero del domo (2) con las otras dos líneas de fondeo y formando cada uno de esos dos cables (11) y (12) una línea horizontal simétrica con respecto al eje del rotor (1) que es bisectriz del ángulo agudo que los dos cables forman.