Módulo convertidor de energía de las olas marinas sumergible, y sistema convertidor que comprende una pluralidad de tales módulos.

Módulo convertidor de energía de las olas marinas, que comprende un cuerpo contenedor (8) cerrado por una tapa (11) desplazable verticalmente en respuesta a cambios de peso entre valles (20a) y crestas (20b) de las olas que pasan encima del módulo convertidor (M),

y una cámara interna (8a) que está al vacío y que aloja un cilindro hidráulico (5) que bombea agua marina a presión a un circuito hidráulico que incluye medios de acumulación de energía (13) en forma de presión, medios de accionamiento (6) conectados al cilindro hidráulico (5) y a la tapa (11) para trasladar los desplazamientos de la tapa (11) al cilindro (5), y dos muelles (3) dispuestos entre la tapa (11) y el fondo del cuerpo contenedor (11) que se comprimen cuando la tapa (11) se desplaza hacia abajo al paso de una ola (20) y se expanden una vez pasada la ola empujando el elemento móvil (11) hacia arriba. El sistema convertidor comprende una pluralidad de tales módulos (M).

10

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

15

2 O 25

30 Los diferentes tipos de convertidores se clasifican según su localización: en la costa (on-shore) , cerca de la costa (near-shore) o en alta mar (off-shore) .

En los sistemas on-shore el convertidor está situado en la costa, en la barra de un puerto de nueva construcción o en una plataforma fija. El sistema más común es el OWC (Oscillating Water Column = Columna Oscilante de Agua) que se basa en una cámara cerrada en su parte superior y abierta en su parte inferior, en la cual varía la presión del aire encerrado debido a la columna de agua variable creada por la ola al chocar con la estructura. El aire es turbinado generándose así energía eléctrica. La ventaja del sistema OWC es que, al estar ubicado en la costa, es fácilmente accesible para su mantenimiento. No obstante, tiene la desventaja de que, debido a que la ola llega a la costa debilitada, es necesario colocar las instalaciones OWC en puntos especiales

( I hot spots ') en los que el oleaje llega con más fuerza, lo

cual limita las ubicaciones idóneas para este tipo de

sistemas que, además, implican un impacto ambiental en la

costa considerable. Hoy en día, hay varios prototipos basados en el sistema OWC en marcha (Azores, Escocia) y, asimismo, ya se están construyendo las primeras instalaciones comerciales de tipo OWC, como por ejemplo en la nueva barra del puerto de Mutriku, GuipÚzcoa. También se han desarrollado versiones off-shore que trabajan con el mismo principio que el sistema OWC.

Otros sistemas convertidores para convertir la energía de las olas en energía eléctrica emplean dispositivos de absorción puntual (" Point Absorbers") de la energía de las olas. Estos dispositivos se basan en el principio de Arquímedes, es decir utilizan un elemento flotante (boya) , y pueden ser tanto on-shore, near-shore, como off-shore. Pueden transformar directamente el movimiento lineal en energía eléctrica con generadores lineales o utilizar un estado intermedio como agua o aceite a presión. Tienen la gran desventaja de estar muy expuestos a las tormentas marinas.

Por otra parte, los sistemas de desbordamiento ("Overtopping") se pueden situar en la costa o en plataformas flotantes en alta mar. La ola choca contra la pared del depósito de un convertidor rebasándolo. La diferencia de altura entre el agua que se encuentra en el depósito y el nivel del mar permite generar energía con una turbina Kaplan.

También se conocen sistemas articulados que aprovechan el movimiento relativo entre elementos flotadores para comprimir agua, así como pendulares que oscilan con el movimiento de las olas aprovechando además de la energía potencial de las olas, la energía cinética, logrando así grandes eficiencias. Al tratarse de sistemas flotantes tienen la desventaja de estar expuestos a las inclemencias del mar.

Además de los citados, se han descrito sistemas de generación eléctrica basados en principios que podrían calificarse de 'exóticos' como los de gradiente térmico, giroscopios, etc. que, no obstante, se encuentran en una fase demasiado temprana de su desarrollo como para saber si pueden conducir a resultados industrialmente aprovechables.

Para proteger el convertidor de los temporales, también se han desarrollado sistemas que trabajan sobre el fondo submarino. Al respecto, básicamente existen dos grupos principales: los oscilantes y los de columna oscilante de agua. Los sistemas oscilantes suelen ser sistemas near-shore, que aprovechan las corrientes submarinas para bombear agua a presión a la costa, mientras que los sistemas de columna oscilante de agua utilizan el cambio de presión que ejerce la ola sobre una plataforma o sobre un diafragma cuando pasa sobre el convertidor. El movimiento oscilante se puede utilizar para generar directamente energía eléctrica mediante un generador lineal, o para bombear agua a presión a la costa.

Actualmente se están desarrollando paralelamente, sistemas con principios de trabajo muy diferentes, que todavía no han cumplido las expectativas en cuanto a fiabilidad e integridad en el ambiente marino. Además de problemas de cimentación, el cable submarino para transportar la energía eléctrica hasta la costa es muy caro (su coste e implantación casi es la mitad de la inversión) . La tendencia es diseñar convertidores de tamaño grande, situados en alta mar, off-shore, donde las olas tienen más energía, y que sean capaces de competir con la energía eólica. Pocos sistemas han pasado de prototipo al nivel comercial (POWERBUOY y WAVEGEN

(OWC) ) . Hasta la fecha ninguno de ellos ha demostrado la fiabilidad necesaria para crear confianza en los clientes.

Convertidores de energía de las olas que utilizan una membrana o un diafragma, o plataformas rígidas, para captar la columna de agua, se han descrito en una pluralidad de documentos del estado de la técnica. Así, las solicitudes de patente W099/66198, W097/37123, US2007/0253841, US2008/0019847, US2008/0050178, W02004/003380 y W095/08060 describen sistemas que utilizan una membrana, que recupera su posición gracias al aire encerrado en el convertidor. Excepto en los sistemas descritos en las solicitudes de patente W099/66198, W097/37123 que incorporan un conjunto de bomba-generador, esos convertidores de energía de las olas envían agua a presión a la costa, y no utilizan ningún sistema de control, por lo cual el cilindro hidráulico que incorporan tiene carrera variable.

La solicitud de patente canadiense CA-2408855 describe un sistema convertidor de energía de las olas que comprende una torre que trabaja a presión atmosférica. Específicamente, este sistema convertidor comprende una cámara con un extremo inferior cerrado que descansa sobre el fondo marino, y con un extremo superior abierto hacia el mar, un pistón convertidor situado en la cámara y una cámara rellena de un gas, ventilada para funcionar a presión atmosférica y dispuesta debajo del pistón. El pistón es susceptible de desplazarse axialmente dentro de la cámara de tal manera que se desplaza verticalmente en respuesta a las variaciones de la presión del oleaje de agua marina que pasa por encima del pistón. Los desplazamientos verticales correspondientes del pistón se convierten en energía hidráulica absorbida por una pluralidad de cilindros hidráulicos para así poder bombear un fluido hidráulico que, a su vez, se usa para generar energía eléctrica. A su vez, en las solicitudes de patente W02008/149084 y CA-2302389 se describen sistemas que utilizan una plataforma rígida, la cual recupera su posición por un gas atrapado en el convertidor y que incorporan un grupo turbina-generador en el mismo convertidor. En estos sistemas la resonancia con las olas se consigue actuando sobre la presión del aire que se encuentra en la cámara, obteniéndose así una mayor eficiencia energética.

Si bien los sistemas convertidores de energía de las olas marinas constituyen avances, presentan el inconveniente de que su materialización requiere una estructura compleja y, por lo tanto, inversiones económicas elevadas. Era, por lo tanto, deseable desarrollar un sistema convertidor de la energía de las olas marinas con el objetivo de poder aplicar con criterios de simplicidad, utilizara elementos comerciales estándar, ofreciera un mantenimiento accesible y mínimo, a un coste bajo y de fácil construcción, y permitiera aplicar una estrategia de control adaptada a las condiciones de trabajo y al tamaño de ola momentáneo...

1. Módulo convertidor de energía de las olas marinas,

sumergible, que comprende un cuerpo contenedor (8) con una

5 cámara interna (8a) , al menos un cilindro hidráulico (5)

accionado por un vástago (5a) para bombear agua marina

entrante por un conducto de entrada (1) a través de un

conducto de salida (2) de agua marina a presión a un circuito

hidráulico, un elemento móvil verticalmente desplazable entre

10 una posición superior y una posición inferior en respuesta a

cambios de peso entre valles (20a) y crestas (20b) de las olas

que pasan encima del módulo convertidor (M) , cerrando el

elemento móvil superiormente la cámara interna (8a) , medios

recuperadores de posición del elemento móvil elásticamente

15 comprimibles y conectados al elemento móvil, que se comprimen

cuando el elemento móvil se desplaza hacia su posición

inferior al paso de una cresta (20b) de ola y que se expanden

para que el elemento móvil vuelva a su posición superior al

paso de un valle (20a) de ola, y medios de accionamiento

2 O conectados al vástago (5a) del cilindro hidráulico (5) Y al

elemento móvil, para trasladar los desplazamientos verticales

del elemento móvil al vástago (5a) del cilindro hidráulico

(5) , caracterizado porque

el cilindro hidráulico (5) , los medios recuperadores de

25 posición y los medios de accionamiento están alojados en dicha

cámara interna (8a) ,

el cilindro hidráulico (5) está montado en la base

inferior del cuerpo contenedor (8) ,

el elemento móvil es una tapa desplazable (11 )

30 verticalmente con respecto al cuerpo contenedor (8) y cierra

herméticamente la cámara interna del cuerpo contenedor (8) ;

los medios recuperadores de posición comprenden al menos

un muelle (3) dispuesto en vertical entre dicha tapa

desplazable (11) Y la base inferior del cuerpo contenedor (8) ,

y

la cámara interna (8a) se encuentra al vacío.

2. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 1, caracterizado porquelos medios recuperadores de posición de la tapa desplazable (11) comprenden al menos un muelle (3) dispuesto en vertical entre un soporte de asiento inferior

(3a) integrado en el cuerpo contenedor (8) y la base inferior del cuerpo contenedor (8) , siendo empujado por un pisador solidariamente unido a la tapa desplazable (11) .

3. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara interna (8a) se encuentra a una presión interna inferior a 100Pa y preferentemente inferior a 25Pa.

4. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque los medios de accionamiento comprenden al menos un primer mecanismo de palanca (6A) que comprende una palanca (6) con un brazo de resistencia (6a) articulado al cuerpo contenedor (8) , un brazo de potencia (6b) con un extremo libre (6d) articulado al vástago (5a) del cilindro (5) y un fulcro (6e) articulado en la tapa desplazable (11) .

5. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 4, caracterizado porque

el brazo de resistencia (6a) está articulado por su extremo libre (6c) a una pared interior del cuerpo contenedor

(8) ;

el fulcro (6e) está articulado en la tapa desplazable (3)

a través de un brazo de conexión (6f) con un extremo inferior articulado en la palanca (6) y un extremo superior articulado en un primer mecanismo de corredera (12A) vertical que comprende un tope superior de fin de carrera y un tope inferior de fin de carrera inferior y está dispuesto en una primera guía fija unida al cuerpo del contenedor (8) , de tal forma que, cuando la tapa desplazable (11) se desplaza hacia dicha posición inferior, al mismo tiempo el extremo superior del brazo de conexión (6f) se desliza en el primer mecanismo de corredera (12A) en la guía fij a (8e) hasta dicho tope superior empujando entonces el extremo libre (6d) del brazo de potencia (6b) conectado al vástago (5a) del cilindro (5) hacia abaj o, mientras que, cuando la tapa desplazable se desplaza

hacia su posición superior, el extremo superior del brazo de

conexión (6f) se desliza en el primer mecanismo de corredera

(12A) hasta dicho tope inferior arrastrando entonces el

extremo libre (6d) del brazo de potencia (6b) conectado a

dicho vástago (5a) hacia arriba.

6. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el primer mecanismo de palanca (6A) está articulado al vástago (5a) del cilindro hidráulico (5) a través de un miembro conector (6g) articulado a dicho extremo libre (6d) del brazo de potencia (6b) y a dicho vástago (5a) .

7. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque

comprende además un segundo, un tercer y un cuarto mecanismo de palanca (6B, 6C, 6D) con estructuras y funcionamientos iguales que los del primer mecanismo de palanca (6A) , y un segundo, un tercer y un cuarto mecanismo de corredera (12B, 12C, 12D) con estructuras y funcionamientos iguales que los del primer mecanismo de corredera y dispuestos respectivamente en una segunda, una tercera y una cuarta guía fija (8e' , 8e' , , 8e' ') con estructuras iguales que la estructura de la primera guía fija (8e) ;

el brazo de potencia (6b) de cada mecanismo de palanca (6A, 6B, 6C, 6D) está articulado al vástago (5a) del cilindro hidráulico (5) ;

el brazo de resistencia (6a) de cada mecanismo de palanca (6A, 6B, 6C, 6D) está articulado en el cuerpo contenedor (8) en una ubicación distinta a la ubicación de los otros;

el fulcro (6e) de cada mecanismo de palanca (6A, 6B, 6C, 6D) está articulado en la tapa desplazable (11) en uno de los mecanismos de corredera (12A, 12B, 12C, 12D) ;

respectivamente dos mecanismos de corredera (12A-12C.

12. 12D) están dispuestos en posiciones diagonalmente opuestas de tal forma que respectivamente dos de los mecanismos de palanca (6A-6C.

6. 6D) se extienden axialmente a lo largo de sendas líneas diagonales que se cruzan en el vástago (5a) del cilindro hidráulico.

. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 7, caracterizado porque comprende dos muelles (3) empuj ados por sendos pisadores (llc) al paso de una ola, y dispuestos cada uno entre un soporte de asiento superior (3b) y la base inferior del cuerpo contenedor (8) , estando dispuesto uno de los muelles (3) entre dicho segundo mecanismo de palanca (6B) y dicho tercer mecanismo de palanca (6C) y estando dispuesto el otro muelle (3) entre dicho cuarto mecanismo de palanca (6D) y dicho primer mecanismo de palanca (6A) .

9. Módulo convertidor de energía, según una cualquiera de

las reivindicaciones 4 a 8, caracterizado porque la palanca

(6) de cada mecanismo de palanca (&A, 6B, 6C, 6D) es una

cercha.

10. Módulo convertidor de energía, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque cada muelle (3) es un muelle ondulado de acero inoxidable.

11. Módulo convertidor de energía, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el cilindro hidráulico (5) está conectado a una válvula de tres vías (4) para regular, en función del ciclo de trabaj o del cilindro hidráulico (5) , la entrada de agua marina por el conducto de admisión (1) y la salida de agua marina a presión al conducto de salida (2) .

12. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende además al menos un acumulador (13) de agua marina a presión interconectado entre la válvula de tres vías (4) Y el conducto de salida (2) de agua marina a presión, y dispuesto en la cámara interna (8a) del módulo convertidor (M) .

13. Módulo convertidor de energía, según la reivindicación 12, caracterizado porque entre dicho al menos un acumulador

(13) de agua marina a presión y dicha válvula de tres vías

(4) está interconectada una válvula antirretorno (26) que evita reflujos hacia el cilindro hidráulico (5) .

14. Sistema convertidor de energía de las olas marinas que comprende una pluralidad de módulos convertidores de energía sumergidos y dispuestos en el fondo marino, al menos una estación remota hidráulicamente conectada a los módulos convertidores para recibir, a través de un medio de admisión, agua a presión de los módulos convertidores, y un sistema de control, caracterizado porque cada módulo (M) es un módulo (M)

como el que se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

15. Sistema convertidor, según la reivindicación 14, caracterizado porque los conductos de salida (2) de agua marina a presión de los módulos convertidores (M) están conectadas en serie a un colector (24) conectado a su vez a un conducto de transporte (18) que transporte agua marina a presión hacia la estación remota (19) .

16. Sistema convertidor, según la reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque cada módulo convertidor (M) comprende

una válvula antirretorno (26) situada en la salida de agua marina a presión de la válvula de tres vías (4) para evitar reflujos hacia el cilindro hidráulico (5) ;

una válvula de tres vías (4) que conecta el cilindro hidráulico por un conducto de conexión (25) con el conducto de admisión (1) y el conducto de salida (2) , pasando por la válvula antirretorno (26) para regular, en función del ciclo de trabaj o del cilindro hidráulico (5) , la entrada de agua marina al cilindro hidráulico (5) y la salida de agua marina a presión;

al menos un acumulador (13) de agua marina a presión conectado al conducto de salida (2) después de la válvula de tres vías (4) y después de la válvula antirretorno (26) .

17. Sistema convertidor, según la reivindicación 16, caracterizado porque comprende un sistema hidráulico comprendido por los

conductos de entrada (1) de agua marina, los cilindros

hidráulicos (5) , las válvulas antirretorno (26) , los

acumuladores (13) , las válvulas de tres vías (4) y los

conductos de salida (2) de agua marina a presión de los

módulos convertidores (M) , así como por dicho colector (24) , dicho conducto de transporte (18) y dicho medio de admisión (28) de la estación remota (19) ;

el sistema de control actúa sobre las válvulas de tres vías (4) y dicho medio de admisión (28) para mantener una presión hidráulica optimizada en el sistema hidráulico, en función de señales indicativas del tamaño de cada ola y de la frecuencia de olas detectados por medios de medición de olas (23) .

18. Sistema convertidor, según la reivindicación 17, caracterizado porque la estación remota (19) comprende una turbina (16) propulsora de un generador (17) de electricidad, conectado a dicho conducto de transporte (18)

19. Sistema convertidor, la reivindicación 18, caracterizado porque el generador (17) es un generador síncrono.

20. Sistema convertidor, según la reivindicación 18 ó 19, caracterizado porque la turbina (16) es una turbina Pelton.

21. Sistema convertidor, según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 2 O, caracterizado porque el medio de admisión (28) es una aguja de un inyector de la turbina (16)

22. Sistema convertidor, según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 21, caracterizado porque el sistema de control además actúa sobre las válvulas de tres vías (4) Y dicho medio de admisión (28 ) para mantener un presión hidráulica optimizada en el sistema hidráulico, en función de señales indicativas de la potencia generada según el tamaño de la ola detectada por los medios de medición (23) Y una velocidad optima de giro de la turbina (16) con respecto a un

par resistente del generador (17) .

23. Sistema convertidor, según una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado porque la estación remota (19) está situada en tierra firme.

24. Sistema convertidor, según una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado porque la estación remota (19) es un módulo submarino en el que están dispuestos dicha turbina (16) Y dicho generador de electricidad (17) , que colecta caudales de agua marina a presión salientes de los módulos convertidores (M) , Y envía energía eléctrica generada por el generador (17) a tierra firme por un cable submarino

25. Sistema convertidor, según una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado porque la estación remota (19) es una instalación de desalinización por osmosis inversa.

26. Sistema convertidor, según una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 25, caracterizado porque el sistema de control comprende un Controlador Lógico Programable (27) .

27. Sistema convertidor, según la reivindicación 26, caracterizado porque comprende además un Sistema Supervisor de Control y Adquisición de Datos (29) para variar consignas principales de funcionamiento y gestionar alarmas, y para monitorizar parámetros de sensores para mantener un funcionamiento estable y seguro.

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21

FIG. 1

3c

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8b

8b

FIG.2

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e 12A 1b FIG.4

10a FIG.5

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1 3 4 5c 5b 5a 1Oc 7 8

6c FIG.6

6d

6g

FIG.7

b 3b 11 e 12A 6a 11 a 6g 6b 128 11 e 11 3b 11 b

6e 6e 3 8

3a 3e 5a 5 5e 5b 8a 3a 10e FIG.8

b 11c 11 6f 3b 12A 6a 11a 6b 128 11 e 3b 11 b

8

3c 3a 5 5c 5a 8a 3a 10c 3c

FIG.9

6e 12A B 6b 6A 6b 68 128 Be 6e 120 6b 60 5 6C 6b 12C

FIG. 10

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FIG. 12

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