Sistema de captación de energía undimotriz mediante almacenamiento de aire comprimido en profundidad.

La presente invención describe una solución completa al problema de la extracción de energía a partir del oleaje marino y su almacenamiento en forma de aire comprimido.

El sistema comprende cinco elementos: a) un elemento compresor flotante que utiliza la energía undimotriz para comprimir aire mediante la actuación de un pistón por gravedad; b) un sistema de almacenamiento de aire comprimido, formado por un tanque sumergido en el fondo del mar que contiene el aire comprimido a la presión hidrostática dada por la profundidad; c) un sistema de trasvase, formado por un conjunto de tuberías, de aire desde el compresor flotante hasta el tanque y desde éste hasta una unidad de aprovechamiento en costa, d) un sistema de fondeo; y e) un sistema autónomo de protección a eventos climáticos adversos.

Sistema de captación de energía undimotriz mediante almacenamiento de aire comprimido en profundidad.

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCiÓN

La presente invención se refiere a sistemas de obtención y almacenamiento de energía a partir de fuentes de energía renovables. De forma más concreta se refiere a la extracción de energía a partir del oleaje marino (energía undimotriz) y su almacenamiento en forma de aire comprimido.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Cada día se hace más evidente la necesidad de complementar los sistemas de captación de energías renovables con mecanismos de acumulación energética que permitan hacerlas gestionables. Entre las múltiples alternativas que se barajan se encuentra el almacenamiento de aire comprimido. Una de las características que penalizan esta estrategia frente a otras, como el uso del hidrógeno, es su baja densidad energética. Una posibilidad para superar este inconveniente consiste en utilizar depósitos de gran volumen, lo cual se realiza de hecho en cavernas salinas. En ausencia de condiciones geológicas favorables, la opción de recurrir a tanques artificiales pasa por aumentar la presión de acumulación. Ello supone un inconveniente técnico y de seguridad que afecta seriamente a la viabilidad económica de este tipo de sistemas.

El uso de la energía de origen undimotriz y su acumulación en forma de aire comprimido ha sido analizado en varios documentos patentes, US644093 y G82466480. La posibilidad de almacenar aire comprimido en el fondo del mar surge como una opción natural ya que la presión hidrostática aumenta linealmente con la profundidad. Algunos documentos de patentes, como US2011 070031, US7743609 Y W02011 038140 sólo se refieren a la utilización de un tanque submarino para el almacenamiento de energía en forma de aire comprimido, sin especificar la fuente primaria que genera la compresión del aire. Por el contrario, patentes como US20110266803 o US3879950 sí combinan la captación de energía maremotriz para producir aire comprimido con el que movilizar un generador eléctrico, sin hacer referencia al almacenamiento. En EP2123903A 1 se abordan ambos problemas, es decir la conversión de energía eólica en aire comprimido almacenado en un tanque submarino. Sin embargo, diseño propuesto no está enfocado al almacenamiento de energía a gran escala.

Hay dos características que comparten la gran mayoría de soluciones presentes en el estado de la técnica basadas en la conversión de energía mecánica del oleaje en aire comprimido:

• Por un lado el mecanismo de captación de energía undimotriz se basa en la variación de nivel de un elemento móvil flotante frente a un elemento fijo (anclado al fondo del mar) . Este movimiento relativo empuja un pistón que comprime aire de manera acompasada con el paso de las olas, tal y como se muestra en W02012008993 y W02011056919. Una desventaja común a este tipo sistemas es que si la cota de la ola no es suficiente, el empuje del pistón flotante no consigue vencer la presión interna en el depósito de almacenamiento. Dicho de otra manera, a mayor presión interna, habrá una fracción superior de olas que serán inefectivas. Esta limitación ha sido muy bien expuesta en US5394695, donde se hace un análisis crítico pormenorizado de las patentes previas basadas en el movimiento relativo de elementos flotantes. En la mencionada patente se desarrolla una propuesta para superar este inconveniente mediante la concatenación de compresores por flotación. Pero el número de mecanismos se multiplica y la solución propuesta, globalmente es compleja, algo que debe ser evitado en lo posible en este tipo de dispositivos que deben poder operar con muy bajo mantenimiento.

• Por otro lado en todos los sistemas captadores que trabajan mediante este procedimiento, el elemento fijo se sujeta a una estructura fija anclada rígidamente al fondo del mar, véase por ejemplo W020081 03344, W02011 056919 o US2011266803, de lo contrario, su movimiento de flotación, por ligero que fuese, haría aún más ineficientes las olas que desplazan el elemento móvil al reducirse el desplazamiento relativo. De forma práctica, esta característica encarece mucho la instalación y, de hecho, la hace inviable a profundidades superiores a 100m.

En ES2302619 se propone un dispositivo de captación por rebase compuesto por dos cascos flotantes formando una V, en el que el agua de rebase llena un depósito elevado y su desagüe al mar es utilizado para propulsar microturbinas de generación eléctrica. El problema de este dispositivo es que no permite almacenar energía para su uso posterior.

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

La necesidad de superar las limitaciones presentes en el estado de la técnica impone severas condicionantes sobre las partes que componen el dispositivo, que hacen que el problema deba ser estudiado de manera global: para almacenar energía a gran escala, es necesario trabajar a alta presión y para ello se hace imprescindible trabajar en aguas profundas; en consecuencia, es necesario que el dispositivo disponga de un sistema de captación flotante y no fijo al fondo. La conexión de dicho sistema de captación a un depósito profundo requiere el diseño de un sistema de tuberías y fondeo adecuado; finalmente, en alta mar, el sistema va a trabajar en condiciones adversas, con lo que deberán tener un diseño muy simplificado sin apenas necesidades mantenimiento, y contar con un mecanismo de protección frente a adversos climáticos.

La presente invención describe una solución completa al problema de la extracción de energía a partir del oleaje marino y su almacenamiento en forma de aire comprimido. El sistema comprende cinco elementos: a) un elemento compresor flotante que utiliza la energía undimotriz para comprimir aire mediante la actuación de un pistón por gravedad; b) un sistema de almacenamiento de aire comprimido, formado por un tanque sumergido en el fondo del mar que contiene el aire comprimido a la presión hidrostática dada por la profundidad; c) un sistema de trasvase, formado por un conjunto de tuberías, de aire desde el compresor flotante hasta el tanque y desde éste hasta una unidad de aprovechamiento en costa, d) un sistema de fondeo; y e) un sistema autónomo de protección ante eventos climáticos adversos.

El elemento compresor es un dispositivo flotante que funciona por rebase del oleaje y acumula agua en un depósito elevado sobre el nivel del mar. El aumento de peso del depósito presiona por gravedad un sistema de tipo cilindro-pistón que comprime el aire y lo inyecta en una tubería a través de una válvula de no retorno. Dicho conducto comunica con un tanque depositado en el fondo y convenientemente lastrado, donde el aire comprimido entra y desaloja el agua en su interior. La presión en el tanque es igual a la presión hidrostática dada por la profundidad a la que éste se encuentra sumergido. El aire comprimido puede conservarse todo el tiempo que sea necesario hasta su utilización, para utilizarlo se evacúa a través de otra tubería hasta la unidad de aprovechamiento en superficie, donde, por descompresión, puede utilizarse para diferentes tareas que requieran un trabajo mecánico. Entre ellas cabe destacar la propulsión de una máquina o turbina de generación eléctrica, o su aprovechamiento para desalinizar agua de mar por ósmosis inversa.

El sistema es autónomo y no requiere de aparatos auxiliares eléctricos para su funcionamiento e incorpora de manera natural mecanismos para la variación de su geometría según el estado del oleaje, incluyendo un mecanismo autónomo de auto protección por inmersión en caso de adversos climáticos intensos.

La presente invención se ha llevado a cabo imponiendo una serie de requisitos sobre la configuración de elementos mecánicos que solucionan simultáneamente:

-la posibilidad de trabajar sin soporte rígido, aunque sí con un fondeo de alta profundidad

-la capacidad de comprimir aire a alta presión

-la simplificación extrema de todos los elementos mecánicos activos y pasivos

-la adaptabilidad a las condiciones del oleaje para poder optimizar el rendimiento

-la existencia de un mecanismo de protección ante condiciones adversas extremas

Los dos primeros requisitos ya han sido justificados anteriormente en base a un objetivo de almacenamiento de energía a gran escala. La simplicidad del diseño se sigue ya que el sistema, trabajando en mar abierto, debe precisar un mantenimiento muy escaso y cuantos menos elementos incluya menor será su mantenimiento. En ese sentido, la posibilidad de evitar sistemas auxiliares eléctricos es muy aconsejable. Además, los elementos sumergidos a gran profundidad (tuberías y depósitos) deben poder permanecer...

1. Un sistema de captación de la energía producida por el oleaje marino, energía undimotriz, mediante almacenamiento de aire comprimido en profundidad que comprende:

a. un elemento compresor;

b. un sistema de trasvase de aire comprimindo;

c. un sistema de almacenamiento de aire comprimido;

d. un sistema de fondeo; y

e. un sistema de protección frente a adversos climáticos. 2-El sistema según la reivindicación 1, en el que el elemento compresor comprende:

a. un dispositivo amplificador de doble casco en V (1) que produce un efecto convergente en el flujo de la masa de agua incidente y eleva dicha masa de agua;

b. un depósito (3) acoplado a la parte posterior del dispositivo amplificador que se desliza verticalmente mediante unos raíles con rodamientos (5) y que está conectado mediante un cable (4) a un contrapeso (7) ;

c. un pistón cilíndrico (8) que se mueve solidariamente con el contrapeso, que encaja en un cilindro hueco o cámara de compresión (10) que se conecta a través de una válvula de no-retorno (12) a una tubería submarina (14) ;

d. una válvula (11) conectada a un respiradero (9) que permite el llenado con aire de la cámara de compresión (10) ; Y

e. una electroválvula (15) que alimenta a un cilindro neumático (16) que permite cambiar el ángulo del dispositivo amplificador (1) .

3. El sistema según la reivindicación 2, en el que el depósito (3) comprende una trampilla (17) que desagua su contenido una vez que este ha llegado a la posición más baja de su recorrido.

4. El sistema según la reivindicación 1, en el que el sistema de trasvase de aire comprimido comprende:

a. dos tuberías (14) y (20) que conducen el aire comprimido desde el elemento compresor hasta el sistema de almacenamiento de aire comprimido;

b. una tubería (27) que conduce el aire comprimido desde el sistema de almacenamiento de aire comprimido hasta una unidad de aprovechamiento; y

c. un codo neumático pivotante (23) que conecta las tuberías (14) y (20) .

5. El sistema según la reivindicación 4, en el que el codo neumático pivotante (23) comprende dos vasijas, (34) y (36) , unidas por una junta tórica (38) que pueden girar libremente gracias a un tren de rodamientos (37) ; y un fleje (35) que sirve de amarre del elemento compresor mediante un cable (24) .

6. El sistema según la reivindicación 4, en el que las tuberías comprenden una camisa impermeable (32) de material plástico flexible mediante enrollado de fibra de carbono o una camisa impermeable (32) de material plástico flexible mediante zunchado de cilindros de acero engarzados sucesivamente (33) .

7. El sistema según la reivindicación 1, en el que el sistema de almacenamiento de aire comprimido comprende:

a. un depósito (18) emplazado en el fondo marino; y

b. un lastre (19) que mantiene el depósito en el fondo marino.

8. El sistema según la reivindicación 7, en el que el depósito comprende una abertura conectada a la tubería (20) por la que se introduce el aire comprimido; una abertura conectada a una tubería (27) por la que se envía el aire comprimido a una unidad de aprovechamiento (26) ; y una abertura inferior (28) por la que puede entrar y salir el agua libremente.

9. El sistema según la reivindicación 1, en el que el sistema de fondeo comprende:

a. una boya toroidal semisumergida (22) en cuyo interior se encuentra el codo neumático pivotante (23) ;

b. tres cables catenarios (21) anclados al fondo marino y conectados a la boya (22) ; y

c. un cable de amarre (24) que une la boya con el extremo del compresor flotante (25) .

10. El sistema según la reivindicación 1, en el que el sistema autónomo de protección frente a adversos climáticos comprende una electroválvula (29) que permite inundar los cascos del elemento compresor; una pluralidad de cuerdas (30) de longitud fija ancladas a una boya (31) que permanece flotanto en la superficie para mantener al elemento compresor sumergido a una profundidad dada por la longitud de las cuerdas; una electroválvula de admisión (13) acoplada a la tubería (14) que permite introducir aire comprimido en los cascos del elemento compresor y reflotarlo una vez que el adverso climático ha transcurrido.

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Figura 2 Figura 3

Figura 4

Figura 5

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