Convertidor undimotriz de columna de agua oscilante, con flotador, de baja inercia y acumulador mecánico de energía rotativo de doble giro montado en el tren transmisor.

Convertidor undimotriz de columna de agua oscilante, con flotador,

de baja inercia, que no es afectado por el nivel de la marea, para ser construido en la costa o bien en una estructura flotante anclada cerca de la costa. Para conseguir el máximo aprovechamiento energético, teniendo en cuenta el elevado periodo de las olas y el escaso tiempo que el nivel de agua está en su máximo, se hace un diseño de baja inercia y con acumuladores mecánicos rotativos de doble giro (ARDG) y acelerador de movimiento ascendente.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es un convertidor de energía de las olas de mar en energía eléctrica, comprendiendo un flotador guiado que se mueve linealmente en vertical de forma alternativa, acompasado según el ritmo de las olas en su lugar de ubicación, y cuyo trabajo no se ve afectado por el nivel de la marea. La estructura del convertidor se montará, preferentemente, fija en la costa. Para conseguir el máximo aprovechamiento energético, buscando el máximo desplazamiento vertical ascendente del flotador, transfiriendo energía en el menor tiempo posible, se diseña con elementos de baja inercia desde el flotador hasta el primer acumulador mecánico de energía rotativo de doble giro (ARDG) . Optativamente, para mejorar su eficiencia, puede montarse un acelerador de movimiento ascendente que tira verticalmente hacia arriba del conjunto de flotador en todo su recorrido, disminuyendo el tiempo del recorrido ascendente y aumentando el del recorrido descendente.

SECTOR DE LA INVENCIÓN

Fuentes de energía renovables. Aprovechamiento de la energía de los mares. Energías limpias.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el estado actual de la técnica son múltiples los dispositivos diseñados para aprovechar la energía marina también conocida como energía de los mares o de los océanos. Unos aprovechan la energía de las mareas (mareomotriz) , otros la energía de los gradientes térmicos oceánicos (OTEe) , otros la energía osmótica (a partir de los gradientes de salinidad) , otros la energía eólica marina (producida por los vientos marinos) , otros la energía de las corrientes marinas y por último otros, como el que la invención propone, que aprovechan la energía de las olas también conocida como energía olamotriz o undimotriz.

En cuanto al emplazamiento con respecto a la costa, unos se montan en aguas profundas, alejados de la costa; otros en aguas poco profundas, cerca del litoral y otros se montan sobre las rocas en el litoral.

La energía asociada al oleaje varía de unas zonas a otras. Es mayor entre los paralelos de 30° y 60° de ambos hemisferios. En la costa gallega y cantábrica, el valor medio supera los 40 kW por m de frente de ola.

Las primeras patentes para el aprovechamiento undimotriz se remontan al año 1799 en Francia (Girard e hijo) , y en Gran Bretaña en 1833. A día de hoy superan el millar.

En el proceso de transformación de la energía undimotriz en energía útil con convertidores de flotador, cabe distinguir una conversión primaria:

• a partir del movimiento de las olas (con un período en tomo a los 10 s ) se mueve un flotador en dirección vertical (con una velocidad alrededor de 2 mis)

y una secundaria, generalmente con una de estas propuestas:

• el flotador acciona el émbolo de un compresor de aire, que se envía a recipiente a presión o bien,

• el flotador acciona el émbolo de una bomba que bombea líquido a un tanque elevado o a un tanque de presión que posteriormente se turbinará para accionar un generador eléctrico, o bien,

• accionar directamente el translator de un generador lineal. Esta solución, a día de hoy, es poco satisfactoria.

En lo que se refiere a los convertidores con flotador, en todos los diseños actuales el aprovechamiento energético es reducido porque no se consigue transferir toda la energía de desplazamiento por flotación en el poco tiempo disponible.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El convertidor undimotriz que la invención propone constituye un importante avance tecnológico por cuanto permite aumentar el aprovechamiento energético de este recurso renovable y no emisor de contaminación.

El objeto de la invención es un convertidor de energía undimotriz en energía eléctrica, con flotador sobre la columna de agua oscilante y una interfaz mecánica de baja inercia hasta el primer acumulador rotativo de doble giro (ARDG) .

El periodo de las olas es de alrededor de 10 segundos. Cuando la ola llega a la costa se provoca una elevación del nivel de agua que impulsa hacia arriba al flotador, pero el tiempo que dura el agua cerca de su nivel superior es muy escaso y durante ese tiempo ha de producirse la transferencia de energía hacia el acumulador. La forma con que aborda esta invención la reducción del tiempo de este proceso es conseguir la conversión con un diseño de muy baja inercia y para ello las masas en desplazamiento lineal se hacen con muy poca masa y las masas con movimiento rotativo con muy bajo momento de inercia.

Se va a hacer la descripción de la invención con ayuda de las Figuras 1 y 5 .

En el intermedio entre dos crestas de ola consecutivas el flotador se encuentra en su punto más bajo. Cuando llega la ola al convertidor se produce un aumento del nivel en la columna de agua en la que se ubica el flotador (marcado con 1) . Se producirá por tanto un empuje vertical hacia arriba. El cable flexible (3) , enganchado en la parte inferior del flotador, quedará sometido a tracción en todo su recorrido hasta la pieza de nudo de enganches (5) . El único tramo de cable que queda sin apenas tensión es el tramo marcado con (13) . Durante el recorrido ascendente del flotador, el nudo de enganches (5) se moverá también en sentido ascendente, al unísono con el flotador. Del nudo de enganches (5) parte la cadena (6) direccionada prácticamente en vertical a través del piñón (7) hasta la rueda (8) que transmite el par de rotación a través del rectificador mecánico (20) ("carraca") a la rueda dentada (21) . Está rueda está engranada con el piñón (29) que transmite el movimiento de rotación de entrada, a través del eje (28) , al acumulador ARDG (24) que posee en su exterior una rueda dentada (25) que engrana con un piñón (26) haciendo una multiplicación de la velocidad angular. En el diseño de la figura 5 se añaden otras dos etapas de acumulación de energía -multiplicación de velocidad, marcas (30) a (37) . La salida de la tercera etapa (37) se transmite a través del acoplamiento (38) a un generador eléctrico (39) , tal como una dinamo, un generador de inducción, un alternador síncrono ó bien, opción preferente, un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) proporcionando energía eléctrica a la red (40)

Nótese que en los acumuladores mecánicos elásticos en espiral convencionales, como en el caso por ejemplo de la "cuerda" de los relojes, la carga del resorte se produce girando el eje en un sentido, comprimiendo, y la devolución de energía se produce rotando el eje en sentido contrario, descomprimiendo. En el acumulador ARDG, el eje gira solamente cuando se transfiere energía al resorte, y cuando no permanece quieto; y la salida de energía almacenada se transfiere, no a través del eje, sino a través de la corona dentada.

Un convertidor como el descrito podría ser construido con una estructura fija en la costa (on shore) , esta sería la opción más razonable para una planta de elevada potencia, pero para unidades de potencia más reducida podrían montarse unidades flotantes ancladas cerca de la costa.

El convertidor que la invención propone es un dispositivo -preferentemente-fijo para emplazamiento en la costa (Onshore) , para el aprovechamiento undimotriz (WEC, Wave Energy Converter) a partir la oscilación de la columna de agua (OWC, Oscillating Water Column) con flotador en oscilación vertical, para aprovechar la energía potencial de la ola, proporcional al agua desplazada y al recorrido.

Es por ello que para para obtener un buen aprovechamiento energético, el convertidor que la presente invención propone está diseñado para:

• a partir del movimiento lineal, intermitente y alternativo del flotador, a través de una interfaz mecánica de baja inercia hasta el primer acumulador rotativo en espiral, ayudado con un acelerador de movimiento ascendente, y a través de varias etapas de acumulación y multiplicación de velocidad, obtener un movimiento giratorio, unidireccional y constante, apropiado para accionar un generador eléctrico.

Se va a explicar a continuación, con un modelo simplificado, la ventaja que supone montar un acumulador en el tren transmisor, a continuación del flotador.

En la figura 7 a la izquierda se representa la acción del flotador, que se encuentra en la cresta de la ola, actuando a través del mástil directamente sobre el acumulador elástico de energía. En la figura 7 derecha no existe acumulador elástico.

Nomenclatura:

a: aceleración del mástil.

MF: masa del conjunto de flotador y mástil.

Fw: empuje de Arquímedes.

1: momento de inercia del tambor con respecto a su eje de giro.

r: radio del tambor.

1. Acumulador de energía rotativo de doble giro (ARDG) que comprende un eje de entrada de energía, recibiendo la energía mecánica de entrada con giro unidireccional, continuo o a impulsos, y en dicho eje se fija un extremo del elemento elástico acumulador, fleje metálico o de otro material, en espiral, y el otro extremo de la espiral fijado a la cara interior del cilindro que la contiene; el exterior de dicho cilindro monta una corona circular, concéntrica, dentada y con el giro de todo el conjunto en el mismo sentido de giro que el eje, transmite el movimiento con un giro continuo y constante a un piñón, a través de engranaje o mediante cadena o correa de transmisión.

2. Convertidor undimotriz de columna de agua oscilante, con flotador, para ser montado en la costa, o cerca de la costa mediante estructura flotante, que comprende un flotador que se mueve verticalmente de forma alternativa, carrera ascendente-carrera descendente, siguiendo el movimiento de la superficie del agua y que transfiere mecánicamente la energía desde el flotador a través del mecanismo mástil-cadena-rueda dentada-rectificador de giro-multiplicador de velocidad a uno o más acumuladores ARDG según reivindicación 1, para cada carrera.

3. Convertidor undimotriz de columna de agua oscilante, con flotador, para ser montado en la costa, o cerca de la costa mediante estructura flotante, que comprende un flotador que se mueve verticalmente de forma alternativa, carrera ascendente-carrera descendente, siguiendo el movimiento de la superficie del agua y que transfiere mecánicamente la energía desde el flotador a través del mecanismo cable flexible trabajando a tracción-cadena-rueda dentada-rectificador de giro-multiplicador de velocidad a uno o más acumuladores ARDG según reivindicación 1, para cada carrera.

4. Convertidor undimotriz según reivindicación 2 que comprende un acelerador de movimiento ascendente, constituido por un contrapeso, que tira verticalmente hacia arriba del conjunto de flotador en todo su recorrido.

5. Convertidor undimotriz según reivindicación 2 que comprende un acelerador de movimiento ascendente, constituido por un acumulador de energía mediante fleje en espiral, que tira verticalmente hacia arriba del conjunto de flotador en todo su recorrido.

6. Convertidor undimotriz según reivindicación 3 que comprende un acelerador de movimiento ascendente, constituido por un contrapeso, que tira verticalmente hacia arriba del conjunto de flotador en todo su recorrido.

7. Convertidor undimotriz según reivindicación 3 que comprende un acelerador de movimiento ascendente, constituido por un acumulador de energía mediante fleje en espiral, que tira verticalmente hacia arriba del conjunto de flotador en todo su recorrido.

8. Convertidor undimotriz de columna de agua oscilante, con flotador, para ser montado en la costa, o cerca de la costa mediante estructura flotante, que comprende un 5 flotador que se mueve verticalmente de forma alternativa, carrera ascendente-carrera descendente, siguiendo el movimiento de la superficie del agua y que transfiere mecánicamente la energía desde el flotador a través del mecanismo mástil-cadena-rueda dentada-rectificador de giro-multiplicador de velocidad a un primer acumulador ARDG según reivindicación 1, para cada carrera; la salida de este primer acumulador ARDG se aplica, mediante un multiplicador de velocidad, a un segundo acumulador ARDG; la salida de este segundo acumulador se aplica, mediante otro multiplicador de velocidad, a un tercer acumulador ARDG ó bien al eje de entrada de un generador eléctrico rotativo; la salida del tercer acumulador ARDG se aplica, mediante otro multiplicador de velocidad, al eje de entrada de un generador eléctrico rotativo.