Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo.

Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas,

modular y adaptativo que comprende un cuerpo central (1) que dispone de tanques interiores (2, 3, 26, 31, 32), una boya (4) absorbedora de energía que rodea a dicho cuerpo central (1) que comprende medios de variación (5) del nivel de flotación y de la masa propia de la boya (4), variadores (6) de la masa añadida del dispositivo, un conversor (7) de la energía mecánica, medios de control y variación de fondeo (8) del dispositivo y un umbilical (9). Los medios de variación (5) comprenden una pluralidad de tanques (10) susceptibles de ser llenados o vaciados con agua. Los tanques (10) en combinación con los tanques interiores (2, 3, 26, 31, 32) del cuerpo central (1) y con los medios de control y variación de fondeo (8) varían y equilibran la masa propia y añadida del dispositivo y su nivel de flotación.

Campo de la invención La presente invención se engloba dentro del campo de las energías renovables marinas, y más concretamente se refiere a un dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo, el cual va a ser instalado y utilizado “offshore”, es decir alejado de la costa marina.

Antecedentes de la invención En la actualidad, existe un marcado interés en el aprovechamiento de las energías renovables marinas. Entre ellas, el aprovechamiento de la energía de las olas (energía undimotriz) puede contribuir al “mix energético” y ayudar a cumplir los Objetivos Energéticos Europeos 20/20/20, existiendo múltiples diseños y prototipos.

Uno de los tipos de WECs (Wave Energy Converters) más extendidos es el denominado “absorbedor puntual”, cuyo elemento principal es una boya diseñada para que su movimiento vertical sea convertido en energía eléctrica, bien directamente o por medio de absorbedores de la energía mecánica (PTOs) de la boya de tipo neumático o hidráulico. Como ejemplo de dispositivos de este tipo se pueden mencionar los de Aqua-Buoy, Finavera, Ocean Power Technology, PISYS, Pipo, Oceantec, Wedge, etc.

Para este tipo de WEC, partiendo de olas de frecuencia ω que generan una fuerza excitadora máxima Fexc, siendo M la suma de masa propia y de agua atrapada en el cuerpo, m* la masa de agua añadida en el movimiento, G el coeficiente de restauración hidrostática y B el de amortiguación viscosa equivalente, modelando la reacción del fondeo y del PTO por medio de un coeficiente elástico K y una absorción de energía de fuerza proporcional a la velocidad (coeficiente D) , se llega a que la potencia media transferida al PTO es:



Fexc



P =ω 2D

[− *) ]

⎢

⎥

ω 2

+

i

ω

(

(

Mm GK

BD

)

+

+

+

+

Consiguiéndose la máxima transferencia de potencia, cuando se cumplen las ecuaciones:

D =−BG + K =ω 2 (M + m*)

Para lograr que se cumpla la primera de estas ecuaciones hay que disponer de un sistema de ajuste del PTO (que se sale del objeto de la presente invención) , que se adapte a la resistencia viscosa de la boya, siendo lo más importante que al cambiar el estado de la mar (con el cambio asociado de ω) se siga cumpliendo la última de las ecuaciones, para lo que es necesario que en el WEC exista algún sistema de ajuste o adaptación como el propuesto en la patente Tunable WEC Pat. US2007068153A1. En esa patente, la sintonía se logra por medio de un sistema de pesos oscilantes internos sujetos por medio de resortes de constante elástica regulable, que son muy complejos y, por lo tanto, tienen una tasa de fallos alta, que unido a la dificultad de la reparación en el mar, hace que tengan un alto coste de mantenimiento.

Por todo ello, se ha detectado la necesidad de diseñar un dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo que constituya una alternativa de ajuste del término (M+m*) basada en el ajuste de la masa interna de lastre y de la masa añadida, con la utilización de elementos activos simples.

Este objetivo se consigue por medio de la invención tal y como está definida en la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.

Descripción de la invención La invención se refiere a un dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo el cual comprende los siguientes componentes:

Un cuerpo central cilíndrico de alta relación longitud -diámetro que dispone de tanques interiores configurados para variar el lastrado de dicho cuerpo central. Una boya absorbedora de energía que rodea a dicho cuerpo central con posibilidad de desplazamiento en la dirección vertical con respecto a dicho cuerpo central , la cual dispone de un área de flotación variable y comprende medios de variación del nivel de flotación y de la masa propia de la boya. Variadores de la masa añadida del dispositivo. Un conversor de la energía mecánica, resultante del movimiento oscilante de la boya con respecto al cuerpo central producido por las olas, en energía eléctrica. Medios de control y variación de fondeo del dispositivo. Finalmente, un umbilical de exportación de la energía eléctrica obtenida y de transmisión de datos.

El dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo objeto de la presente invención tiene la particularidad de que los medios de variación del nivel de flotación y de la masa propia de la boya absorbedora de energía, comprenden una pluralidad de tanques susceptibles de ser llenados o vaciados, donde dichos tanques en combinación con los tanques interiores del cuerpo central y con los medios de control y variación de fondeo están configurados para variar y equilibrar la masa propia y añadida del dispositivo y su nivel de flotación.

Por lo tanto, se trata de obtener un dispositivo absorbedor puntual, que disponga de la posibilidad de controlar su profundidad en un amplio rango de valores y de ajustar a voluntad los valores de masa propia (M) y añadida (m*) para la posición de trabajo requerida en cada momento.

El cuerpo central dispone de una alta relación longitud / diámetro con el fin de minimizar las fuerzas de reacción al oleaje. En el cuerpo principal se instalarán los equipos principales (cuya naturaleza variará dependiendo del tipo de conversor de energía que se emplee) y se conectarán los medios de control y variación de fondeo y los tanques interiores de lastrado. Estos tanques interiores permitirán ajustar la profundidad de trabajo, con el fin de que el conjunto se pueda sumergir hasta una cota de seguridad cuando existan olas muy grandes, con lo cual se asegurará la supervivencia del dispositivo y que pueda girar para las operaciones de instalación, mantenimiento y transporte.

La boya, al disponer de un área de flotación variable, puede suavizar el funcionamiento con grandes olas y facilitar el transporte, y aumentar o disminuir la masa añadida gracias a los variadores correspondientes.

Los tanques de lastre situados en la boya se pueden llenar con agua de mar a distintos niveles, con lo que se controla la masa propia. Estos tanques pueden ser de construcción modular, pudiéndose, en el diseño y construcción de los WECs de un parque, ajustar su tamaño (fundamentalmente su diámetro exterior) en función de la localización prevista para los dispositivos undimotrices.

Por tanto, a través del ajuste del nivel de los tanques de la boya y del cuerpo central y de la acción sobre los medios de control y variación de fondeo se puede cambiar la cota de operación, por ejemplo de la posición de flotación EMS, cuando las olas son pequeñas, a la EMP, cuando las olas son muy grandes y, en caso límite de supervivencia con tormentas extremas, lograr que todo el conjunto se sumerja hasta el fondo. Por otro lado, cambiando la secuencia de tanques vacíos y llenos se puede hacer girar todo el conjunto lo que facilita las operaciones de instalación, mantenimiento y transporte del dispositivo, que puede ser remolcado con facilidad.

La boya podrá tener una sección transversal de contorno circular, donde cada uno de los tanques que la componen serán modulares, presentando cada uno de ellos una sección transversal con forma de sector circular y disponiéndose uno a continuación del otro para completar el contorno de la boya alrededor del cuerpo central. Como alternativa, la boya podrá tener una sección transversal de contorno poligonal regular, donde cada uno de los tanques que la componen serán modulares, presentando cada uno de ellos una sección transversal con forma de trapecio y disponiéndose uno a continuación del otro hasta completar el contorno de la boya alrededor del cuerpo central.

La constitución modular de los tanques que constituyen la boya hace que la constitución del dispositivo se pueda adaptar a las dimensiones de la boya y del cuerpo principal en función de los requerimientos para cada caso concreto, tratándose de un sistema muy versátil y facilitando la instalación del dispositivo.

En lo que se refiere a los variadores de la masa añadida del dispositivo, se basarán en alerones dispuestos en un mismo plano perpendicular al eje de revolución del cuerpo central y de la boya, rodeando exteriormente a la citada boya, situándose un alerón por cada uno de los tanques que constituyen la boya. De forma más concreta, cada alerón podrá estar montado...

1. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo que comprende: -un cuerpo central (1) cilíndrico de alta relación longitud -diámetro que dispone de tanques interiores (2, 3, 26, 31, 32) configurados para variar el lastrado de dicho cuerpo central (1) -una boya (4) absorbedora de energía que rodea a dicho cuerpo central (1) con posibilidad de desplazamiento en la dirección vertical con respecto a dicho cuerpo central (1) , la cual dispone de un área de flotación variable y comprende medios de variación (5) del nivel de flotación y de la masa propia de la boya (4) -variadores (6) de la masa añadida del dispositivo, basados en alerones (11) -un conversor (7) de la energía mecánica, resultante del movimiento oscilante de la boya con respecto al cuerpo central (1) producido por las olas, en energía eléctrica -medios de control y variación de fondeo (8) del dispositivo -un umbilical (9) de exportación de la energía eléctrica obtenida y transmisión de datos caracterizado porque que los medios de variación (5) del nivel de flotación y de la masa propia de la boya (4) , absorbedora de energía, comprenden una pluralidad de tanques (10) susceptibles de ser llenados o vaciados, donde dichos tanques (10) en combinación con los tanques interiores (2, 3, 26, 31, 32) del cuerpo central (1) y con los medios de control y variación de fondeo (8) están configurados para variar y equilibrar la masa propia y añadida del dispositivo y su nivel de flotación.

2. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo según la reivindicación 1 caracterizado por que la boya (4) tiene una sección transversal de contorno circular, donde cada uno de los tanques (10) que la componen son modulares, presentando cada uno de ellos una sección transversal con forma de sector circular y disponiéndose uno a continuación del otro para completar el contorno de la boya

(4) alrededor del cuerpo central (1) .

3. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo según la reivindicación 1 caracterizado por que la boya (4) tiene una sección transversal de contorno poligonal regular, donde cada uno de los tanques (10) que la componen son modulares, presentando cada uno de ellos una sección transversal con forma de trapecio y disponiéndose uno a continuación del otro hasta completar el contorno

de la boya (4) alrededor del cuerpo central (1) .

4. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los variadores (6) de la masa añadida del dispositivo comprenden respectivos alerones (11) dispuestos en un mismo plano perpendicular al eje de revolución del cuerpo central (1) y de la boya (4) , rodeando exteriormente a la citada boya (4) , situándose un alerón (11) por cada uno de los tanques (10) que constituyen la boya (4) .

5. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo según la reivindicación 4, caracterizado porque cada alerón (11) está montado sobre correspondientes ménsulas (12) unidas entre sí, donde dichas ménsulas (12) están conectadas a la boya (4) mediante una pluralidad de tirantes (13) superiores e inferiores que las mantienen perpendiculares a la boya (4) y porque en cada una de dichas ménsulas (12) se disponen ejes de giro (14) configurados para hacer variar la inclinación de cada alerón

(11) con respecto a su correspondiente ménsula (12) y por tanto con respecto al cuerpo central (1) y la boya (4) , disponiéndose en la ménsula (12) sendos retenedores (15) para fijar, en caso necesario, el giro del alerón (11) con respecto a la ménsula (12) .

6. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los medios de control y variación de fondeo (8) están conectados a la parte inferior de del cuerpo central

(1) y comprenden un chigre (16) y un cable (17) de fondeo anclado al fondo marino, estando el chigre (16) situado dentro de una cámara estanca (18) que determina una campana de aire inferior de la cual parte el cable (17) de fondeo.

7. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conversor

(7) de la energía mecánica, resultante del movimiento oscilante de la boya con respecto al cuerpo central (1) producido por las olas, en energía eléctrica, comprende: -bobinas (19) situadas en el interior del cuerpo central (1) , -inductores (20) dispuestos en el contorno interno de la boya (4) , -convertidores electrónicos (21) de salida de la energía eléctrica obtenida, situados en el interior de la parte superior del cuerpo central (1) , Donde el movimiento oscilante entre la boya (4) y el cuerpo central (1) , provoca el

movimiento relativo entre las bobinas (19) y los inductores (20) para producir una corriente eléctrica inducida.

8. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conversor

(7) de la energía mecánica, resultante del movimiento oscilante de la boya con respecto al cuerpo central (1) producido por las olas, en energía eléctrica, comprende: un mecanismo neumático de émbolo lineal, dispuesto en la parte superior del cuerpo central (1) , donde la boya (4) queda unida a una de las partes (22) del émbolo lineal y el cuerpo central (1) constituye la otra parte (23) de dicho émbolo lineal, disponiéndose una turbina de aire (24) como elemento conversor de energía entre ambas partes del émbolo y disponiéndose una cámara de aire superior (25) en cuyo interior se sitúa un tanque de membrana (26) susceptible de llenarse de agua, el cual actúa como elemento variador del lastrado en la parte superior del cuerpo central (1) .

9. Dispositivo flotante para el aprovechamiento de la energía de las olas, modular y adaptativo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conversor

(7) de la energía mecánica, resultante del movimiento oscilante de la boya con respecto al cuerpo central (1) producido por las olas, en energía eléctrica, comprende: un mecanismo hidráulico dispuesto en la parte inferior del cuerpo central (1) , el cual comprende unas guías (28) que sostienen una turbina hidráulica (29) y las cuales atraviesan la parte inferior (30) del cuerpo central (1) , donde el cuerpo central (1) dispone de una ranura vertical para cada una de las guías (28) para, debido al movimiento relativo entre el cuerpo central (1) y la boya (4) , hacer pasar el agua contenida en la parte inferior del cuerpo central (1) a través de la turbina hidráulica (29) , disponiéndose de primeros tanques de membrana (31) susceptibles de llenarse de aire para la evacuación del agua de la parte inferior del cuerpo central (1) , los cuales actúan como elementos variadores del lastrado en la parte superior del cuerpo central (1) y de un segundo tanque de membrana (32) susceptible de llenarse de agua, el cual actúa como elemento variador del lastrado en la parte inferior del cuerpo central (1) .

Fig. 1

Fig. 3

Fig. 4

6

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 8

Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11