Dispositivo sumergible para aprovechamiento energético de la diferencia de nivel de agua, para un sistema y procedimiento de bombeo, almacenamiento y turbinado, con el fin de obtención de energía eléctrica.

Dispositivo sumergible (1) que comprende: una campana de fijación por vacío (105) para la fijación del dispositivo sumergible (1) al lecho marino,

lacustre, o fluvial (100); una carcasa (101), con forma hidrodinámica, dotada de una rejilla inferior (103) y una rejilla superior (102); una cámara inferior (200) con forma cilíndrica y una cámara superior (201), con forma cilíndrica en su base inferior y en su cuerpo central, y con forma semiesférica en su base superior; un émbolo (202) con un extremo inferior de forma plana y con un extremo superior de forma semiesférica. La finalidad del sistema es bombear agua por una tubería de bombeo general (400) hasta un depósito elevado (401) con el fin de mediante una tubería de turbinado (402) turbinar el agua en una central hidroeléctrica (403).

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201400647.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE LA RIOJA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: BLANCO FERNANDEZ,JULIO, JIMENEZ MACIAS,EMILIO, SAENZ-DIEZ MURO,JUAN CARLOS, MARTÍNEZ CÁMARA,Eduardo, GARCÍA ALCARAZ,Jorge Luis, MALDONADO MACÍAS,Aide Aracely, HERNÁNDEZ ARELLANO,Juan Luis, ALVARADO INIESTA,Alejandro.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • E02B9/08 SECCION E — CONSTRUCCIONES FIJAS.E02 HIDRAULICA; CIMENTACIONES; MOVIMIENTO DE TIERRAS.E02B HIDRAULICA (elevación de barcos E02C; dragado E02F). › E02B 9/00 Instalaciones hidráulicas; Proyecto, construcción, equipo, procedimientos o aparatos para su realización (motores hidráulicos F03B). › Instalaciones para la utilización de la energía de las olas o de las mareas (máquinas mediante presión de agua, motores que utilizan la energía de las olas o de las mareas F03B).
  • F03B13/26 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR.F03B MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS (máquinas o motores de líquidos y fluidos compresibles F01; motores de líquidos, de desplazamiento positivo F03C; máquinas de líquidos de desplazamiento positivo F04). › F03B 13/00 Adaptaciones de las máquinas o de los motores para una utilización particular; Combinaciones de las máquinas o de los motores con los aparatos accionados o que ellos accionan (si es el aspecto relativo a los aparatos lo que predomina, véanse los lugares apropiados para los aparatos considerados, p. ej. H02K 7/18 ); Estaciones motrices o conjuntos máquina-aparato (aspectos hidráulicos E02B; implicando nada más que máquinas o motores del tipo de desplazamiento positivo F03C). › Utilización de la energía de las mareas.
  • F03B17/02 F03B […] › F03B 17/00 Otras máquinas o motores. › que utilizan el empuje hidrostático.

Fragmento de la descripción:

Dispositivo sumergible (1) para aprovechamiento energético de la diferencia de nivel de agua, para un sistema y procedimiento de bombeo, almacenamiento y turbinado, con el fin de obtención de energía eléctrica. 5

Objeto y sector de la técnica al que se refiere la invención

El objeto que reivindica la invención es presentar un dispositivo sumergible (1) que capta la energía generada por una diferencia de nivel de un fluido (Î"H) , normalmente agua, y la utiliza 10 para bombear agua con una altura de bombeo Hb (siendo normalmente Hb > Î"H) a un depósito elevado (401) , para posteriormente turbinarse con el fin de obtener energía eléctrica.

La invención es aplicable a cualquier emplazamiento, tanto natural como artificial (p.ej. mar, lago, embalse, contra-embalse, depósito, canal, etc.) , dónde se produzca una diferencia de 15 nivel en la lámina libre de un fluido (Î"H) , normalmente agua, resultando especialmente idónea para la ubicación en un lecho marino, lacustre o fluvial.

La invención se sitúa en el sector técnico de captación y almacenamiento de energía renovable para producción de energía eléctrica. 20

Estado de la técnica anterior

Un recurso energético importante es la captación de la energía potencial contenida en el agua marina, lacustre o fluvial. Se presenta variación vertical del nivel del agua: 25

a) En el mar, debido a las mareas;

b) En los embalses, debido a la estacionalidad en su volumen almacenado;

c) En los ríos, debido a la estacionalidad en su caudal.

d) En depósitos, balsas, etc., debido a su diferencia de volumen almacenado.

Los embalses, p.ej., tienen una periodicidad entre su nivel bajo y alto normalmente anual; pero 35 los denominados contra-embalses (embalses que se construyen aguas abajo de un embalse que disponga de central hidroeléctrica con el fin de absorber las variaciones en el caudal turbinado para mantener el caudal constante en el río) tienen una periodicidad diaria.

A continuación y debido a su importancia se va a definir el concepto marea y su terminología. 40

Marea

Según el diccionario de la lengua española (DRAE 2001, 22ª edición) , se define marea como el movimiento periódico y alternativo de ascenso y descenso de las aguas del mar, producido por 45 la atracción del Sol y de la Luna.

El crecimiento de las aguas provocada por la marea llegará a un punto máximo denominado pleamar para comenzar a descender hasta llegar a un nivel mínimo llamado bajamar. Considerando que la Luna al girar alrededor de la Tierra en su órbita tarda 24 h 50 m en 50 completar una vuelta, las diferencias con respecto al giro de la Tierra sobre su eje, de aproximadamente 24 horas, provocan que las pleamares y las bajamares no se perciban a la misma hora un día y otro y que haya días particulares en que no existan los dos ciclos de pleamares y bajamares. Estos ciclos considerando el día lunar de 24 h 50 m teóricamente deberían cumplirse cada 6 h 13 m. La velocidad máxima del movimiento de aguas se registra en la mitad horaria del período de 6 h 13 m reduciendo la misma hasta llegar a la pleamar o la 5 bajamar donde el nivel de las aguas permanece estacionario; este periodo que algunos lugares puede ser de más de una hora se denomina estoa.

Las dos pleamares no llegan a los mismos niveles en el mismo día, Jo mismo sucede con las dos bajamares, esta desigualdad se denomina desigualdad diurna. 10

Términos empleados en la descripción de las mareas

Marea alta o pleamar: momento en que el agua del mar alcanza su máxima altura dentro del ciclo de las mareas. 15

Marea baja o bajamar: momento opuesto, en que el mar alcanza su menor altura.

El tiempo aproximado entre una pleamar y la bajamar es de 6 horas, completando un ciclo de 24 h 50 m. 20

Flujo: el flujo es el proceso de ascenso lento y continuo de las aguas marinas, debido al incremento progresivo de la atracción lunar o solar o de ambas atracciones en el caso de luna nueva y de luna llena.

Reflujo: el reflujo es el proceso de descenso de las aguas marinas, lento y progresivo, debido a la decadencia de la atracción lunar o solar.

Carrera o amplitud de marea: diferencia de altura entre pleamar y bajamar.

Rango micromareal: cuando la carrera de marea es menor de 2 metros.

Rango mesomareal: cuando la carrera de marea está comprendida entre los 2 metros y los 4 metros.

Rango macromareal: cuando la carrera de marea es mayor de 4 metros.

Semiperíodo de marea: diferencia en el tiempo entre pleamar y bajamar.

Estoa de marea: es el momento en el que el nivel permanece fijo en la pleamar o en la 40 bajamar.

Estoa de corriente: es el instante en que la corriente asociada a la marea se anula.

Establecimiento del puerto: es el desfase existente, debido a la inercia de la hidrosfera, entre el 45 paso de la Luna por el meridiano del lugar y la aparición de la pleamar siguiente.

Edad de la marea: es el desfase existente, por la misma razón, entre el paso de la Luna llena por el meridiano del lugar y la máxima pleamar mensual siguiente.

Unidad de altura: promedio durante 19 años (un ciclo nodal o ciclo de metón) de las dos máximas carreras de marea (equinoccios) de cada año del ciclo.

Marea viva, alta o sizigia: son las mareas que se producen con la luna llena y la luna nueva, cuando el Sol, la Luna y la Tierra se encuentran alineados. La Marea Viva que se produce 5 durante la fase de Luna Nueva se denomina "Marea Viva de Conjunción"; y la que se produce mientras tiene lugar la fase de luna llena se llama "Marea Viva de Oposición".

Marea muerta, baja o de cuadratura: son las mareas que se producen durante las fases de Cuarto Creciente y Cuarto Menguante, cuando las posiciones de la Tierra, el Sol y la Luna 10 forman un ángulo aparente de 90º .

Líneas cotidales: las líneas cotidales (del inglés tide: marea) son las líneas que unen los puntos en los cuales la pleamar es simultánea.

Puntos anfidrómicos o puntos de anfidromia: son zonas hacia las cuales convergen las líneas cotidales y en las que la amplitud de la marea es cero.

Puerto patrón: son los puntos geográficos para las cuales se calcula y publica la predicción de fecha y altura de marea. 20

Puerto secundario: son puntos geográficos de interés para el navegante pero que no tienen publicado un cálculo de predicción de mareas, pero sí una corrección en cuanto a hora y altura que los refiere a un puerto patrón y mediante la cual se pueden determinar igualmente los datos de marea. 25

Tablas de marea: son las publicaciones anuales con la predicción diaria de las alturas de marea. Suministran, entre otros datos, fecha, hora y altura de marea para diferentes puntos a lo largo del litoral marítimo.

En España se registran las mayores mareas en la cornisa cantábrica, siendo la amplitud máxima de 5 m. En el mundo se registran en Mont Saint-Michel, Francia, mareas con una amplitud máxima de 15, 5 m y en la bahía de Fundy, Canadá, con una amplitud máxima de 17 m.

Existen en el estado de la técnica actual sistemas de aprovechamiento tanto de la energía cinética como potencial del agua; así como sistemas de bombeo y almacenamiento de agua. Hay sistemas de aprovechamiento de la energía de las mareas en sus movimientos de ascenso (flujo) y descenso (reflujo) . También hay sistemas de obtención de energía de las olas marinas. 40

En el documento de patente ES-2149684 A1, con año de presentación 1998, y que tiene por título: "Sistema de aprovechamientos hidroeléctricos", se reivindica un sistema de producción de electricidad mediante el aprovechamiento de las aguas potables en su curso hacia las depuradoras. Implementa un sistema de turbinas en los tubos conductores de agua potable. 45 Aprovecha la energía cinética del agua fluvial.

En el documento de patente ES-2338744 B1, con año de presentación 2009, y que tiene por título: "Sistema de producción de energía mareomotriz", se reivindica un sistema de producción de energía mareomotriz mediante la instalación de un depósito en forma de burbuja, que se 50

llena de agua en marea alta y se vacía en marea baja. Aprovecha la energía potencial del agua marina.

En el documento de patente ES-2334089 B1, con año de presentación 2008, y que tiene por título: "Sistema mareomotriz de generación de energía mediante diferencia de potencial.", se 5 reivindica un sistema que consta de una plataforma hueca con capacidad de flotar, sustentada mediante unos engranajes anclados a ésta pero dejando libre su giro, que a su vez encajan en unos pilares dentados permitiendo el movimiento vertical...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo sumergible (1) para aprovechamiento energético de la diferencia de nivel de agua, para un sistema y procedimiento de bombeo, almacenamiento y turbinado, con el fin de obtención de energía eléctrica y que se caracteriza por constar de:

- una campana de fijación por vacío (105) para la fijación del dispositivo sumergible (1) al lecho marino, lacustre, o fluvial (100) ;

- una carcasa (101) con forma hidrodinámica en la que se sitúa en su parte inferior una rejilla inferior (103) y en su parte superior una rejilla superior (102) , y de la que sale una válvula 10 de retención (104) que dejará salir agua cuando se alcance una presión requerida a una tubería de bombeo general (400) pero que impedirá el retorno de agua;

- una cámara inferior (200) con forma cilíndrica y cuya finalidad es llenarse de agua a través de un rejilla inferior (103) cuando una electroválvula inferior (300) está abierta y cuando la 15 lámina libre del agua está a su nivel máximo (N.Máx) y vaciarse a través de una rejilla inferior (103) cuando una electroválvula inferior (300) está abierta y cuando la lámina libre del agua está a su nivel nulo (N.0) ;

- una cámara superior (201) con forma cilíndrica en su base inferior y en su cuerpo central y 20 cuya finalidad es llenarse de agua a través de una rejilla superior (102) cuando una electroválvula superior (301) está abierta y cuando la lámina libre del agua está a su nivel mínimo (N.Mín) y vaciarse por un tubo de salida (207) cuando una electroválvula salida (302) está abierta y cuando la lámina libre del agua está a su nivel máximo (N.Máx) , a fin de bombear agua por una tubería de bombeo general (400) hasta un depósito elevado (401) y con el fin de 25 mediante una tubería de turbinado (402) turbinar el agua procedente del depósito elevado (401) en una central hidroeléctrica (403) devolviendo el agua turbinada mediante una tubería de aspiración (404) cuando la lamina libre del agua esté a su nivel nulo (N.0) ;

- un émbolo (202) con un extremo inferior de forma plana circular estando éste extremo en 30 el interior de una cámara inferior (200) y con un extremo superior de forma semiesférica estando éste extremo en el interior de una cámara superior (201) y cuya finalidad es ser impulsado en su extremo inferior para transmitir una fuerza en su extremo superior que se convertirá en una presión en el seno del agua, siendo esta presión la que genera una altura de bombeo (Hb) , y siendo esta presión cuando el extremo semiesférico recorre la parte cilíndrica 35 de la cámara superior (201) constante y proporcional al cuadrado de la relación del diámetro cámara inferior (d0) y del diámetro cámara superior (d1) , y siendo ésta presión cuando el extremo semiesférico recorre la parte semiesférica de la cámara superior (201) variable incremental cuadrática a fin de conseguir un óptimo empuje final del agua para el bombeo.

2. Dispositivo sumergible (1) , según la reivindicación 1, que se caracteriza porque la cámara superior (201) tiene forma de semiesfera en su base superior.

3. Dispositivo sumergible (1) , según la reivindicación 1, que se caracteriza porque la cámara superior (201) tiene forma cilíndrica también en su base superior. 45

4. Dispositivo sumergible (1) , según la reivindicación 1, que se caracteriza porque se pueden disponer una pluralidad de dispositivos sumergibles (1A-1N") dispuestos en una pluralidad de ramas de tuberías de bombeo (400A-400N) con el fin de aumentar el caudal bombeado por una tubería de bombeo general (400) . 50

5. Dispositivo sumergible (1) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque se dota al distribuidor inferior (203) , mediante una electroválvula, de una toma a presión atmosférica, con la finalidad de funcionar con nivel de agua mínimo (N.mín) y de agua máximo (N.máx) continuos en el tiempo.

6. Procedimiento de bombeo, almacenamiento y turbinado, que emplea el dispositivo sumergible (1) , caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

- Llenado de la cámara superior (201)

- La lámina libre del agua está a nivel mínimo (N.Mín) ;

- Se abre la electroválvula superior (301) ;

- Vaciado de la cámara superior (201) , llenado de la cámara interior (200) y bombeo desde el 15 dispositivo sumergido (1) hacia el depósito elevado (401)

- La lámina libre del agua está a nivel máximo (N.Máx) ;

- Se abre la electroválvula salida (302) ; 20

- Se abre la electroválvula inferior (300) ;

- Vaciado de la cámara inferior (200) y turbinado desde el depósito elevado (401) hacia la central hidroeléctrica (403) 25

- La lámina libre del agua está a nivel nulo (N.0) ;

- Se abre la electroválvula inferior (300) .


 

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