ES2645990T3 - Dispositivo de captación de energía de las olas - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de captación de energía de las olas, del tipo de columna de agua oscilante (OWC) caracterizado por que consiste en: - una parte superior que contiene un acumulador (3) de presión conectado a la atmosfera a través de una turbina (4) unidireccional de salida que encierra un volumen de aire con una presión mayor que la presión atmosférica y un acumulador (6) de vacío conectado a la atmósfera a través de una turbina (5) unidireccional de entrada, que encierra un volumen de aire con una presión inferior a la presión atmosférica, - una porción inferior que contiene al menos un bloque, que comprende a su vez una columna (19) estructural que tiene una entrada (16) en la porción inferior, que cuando se sumerge en el agua da lugar a una columna (8) de agua en la porción inferior, y una cámara (1) de aire en el porción superior, sobre la columna (8) de agua, porque la cámara (1) de aire de cada bloque está conectada al acumulador (3) de presión a través de una válvula (2) antirretorno de admisión y al acumulador (6) de vacío a través de una válvula (7) antirretorno de escape, y porque los acumuladores de presión (3) y de vacío (6) actúan como un colector de aire, inhalando y exhalando a través de los bloques, y al mismo tiempo amortiguando los cambios bruscos de presión.

Description

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DESCRIPCION

Dispositivo de captacion de energla de las olas Campo de la invencion

La presente invencion se engloba dentro del campo de la captacion de energla de las olas utilizando la tecnologla de columna de agua oscilante, y mas en concreto, de la disposicion de las camaras en las que se capta la energla en forma de energla neumatica, de las valvulas que direccionan el flujo del aire desde/hacia las camaras y de las turbinas que convierten la energla neumatica en energla electrica.

Antecedentes de la invencion

La tecnologla de columna de agua oscilante (tambien llamada Oscilating Water Column u OWC) consiste en una estructura parcialmente sumergida con una apertura bajo el agua que permite que el movimiento del mar realice la compresion/vaclo del aire encerrado en la cavidad interior o camara de aire. Cuando una ola incide sobre el dispositivo OWC provoca un movimiento del agua contenida en la estructura, que presiona y empuja al aire que esta en la camara haciendolo pasar a traves de una turbina especialmente disenada para este proposito. Una vez que las aguas se retiran, el aire en la camara es descomprimido y succionado a traves de la turbina. Un generador acoplado a la turbina convierte la energla mecanica rotacional de esta ultima en electricidad.

Las turbinas utilizadas normalmente en los dispositivos OWC son de tipo bidireccional como las Wells, Setoguchi o bi- radiales, que estan disenadas para rotar en el mismo sentido independientemente del sentido del flujo de aire. De esta manera, a pesar del movimiento alternativo del oleaje, la turbina y el generador electrico asociado pueden girar a alta velocidad de manera permanente, ya que su sentido de giro es siempre el mismo.

Existe un segundo enfoque que se basa en el uso de turbinas unidireccionales, es decir que solo operan con la entrada de aire en un sentido, lo cual requiere hacer un rectificado del flujo de aire. Este rectificado del flujo de aire es llevado a cabo por un conjunto de valvulas antirretorno. Existen diferentes disenos para dispositivos con este enfoque usando varias disposiciones con mas o menos valvulas y turbinas. Entre los mas documentados se encuentran los siguientes:

- Una turbina, cuatro valvulas, circuito abierto a la atmosfera

- Una turbina, dos valvulas, circuito abierto a la atmosfera

- Una turbina, dos valvulas, circuito cerrado

En este ultimo caso la columna a la entrada de la turbina esta a presion por encima de la atmosferica y la columna a la salida esta a presion inferior a la atmosferica.

Dada la oscilacion natural del oleaje, la seccion horizontal de estas columnas no puede ser muy grande ya que se combinarla en la misma columna el efecto de la cresta y del valle de la ola, con lo que se producirla un efecto de promediado donde la variacion de la altura media de la columna de agua serla cero y no se podrla aprovechar la energla de esta.

Para permitir el aumento de la potencia de los dispositivos y reducir los costes de operation y mantenimiento evitando el efecto de promediado anterior se pueden unir varias columnas en una sola plataforma, distanciadas lo suficiente para que unas no atenuen significativamente el oleaje a las otras, mejorando ademas la estabilidad de la production total de energla. En caso de turbinas bidireccionales o unidireccionales con el flujo de aire rectificado, los dispositivos de la plataforma han de ser independientes tanto en la columna de agua como en las camaras de aire. Esto se debe a que en el caso de que estuvieran unidas, la presion neumatica de una camara serla anulada por el vaclo de la otra.

Una ventaja de situar varios dispositivos en la misma plataforma es que todos ellos comparten los equipos de conversion de la corriente alterna generada en cada uno de ellos en corriente continua para acoplar la energla de todos ellos en un cable unico y convertirla de nuevo en alterna de alta tension para ser transmitida y poder ser inyectada a traves de una subestacion electrica a la red. Ademas la dimension global de esta infraestructura es menor que la suma de cada una de ellas por separado ya que los picos de potencia de los diferentes dispositivos tienden a no coincidir en el tiempo.

En el caso particular de turbinas unidireccionales en circuito cerrado, es posible unir las camaras de presion y vaclo de cada uno de los dispositivos entre si para que alimenten a una unica turbina mas grande y eficiente. En este caso la diferencia de presion y caudal son tambien mas estables al igual que la potencia obtenida.

Las construcciones, que pueden llegar a ser grandes estructuras flotantes o bien estar situadas en el borde costero o en rompeolas, disponen de grandes tubos por donde ingresa el volumen de agua. Dichas construcciones, tienden a variar sus disenos para lograr mayor eficiencia energetica, presentar mayor robustez para aguantar la fuerza del mar, modularidad para abaratar costes y disenos singulares para lograr un buen mantenimiento.

As! los distintos disenos conocidos aportan diferentes soluciones tecnicas al estado de la tecnica. La patente GB 2161544 presenta una plataforma multi-columna con turbina unidireccional funcionando en ciclo cerrado entre dos

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colectores de vaclo y presion alimentados por las diferentes camaras. El dispositivo es suficientemente largo para que en el mismo instante haya columnas comprimiendo y expandiendo. Se usan valvulas anti-retorno mecanicas o de agua para controlar el flujo de la presion creada. Existe una variante que incluye un deposito de presion extra que puede ser fijo o de volumen variable.

Otras patentes presentan ventajas de diseno sobre la misma configuracion, as! la WO 2007057013 disena una configuracion dispuesta hacia la direction de las olas, con una forma de boomerang con anclajes a tierra desde su punta o desde sus extremos. De igual forma, las fuerzas de vaclo ayudan a reducir las cargas en la plataforma logrando reducir su peso, esto anade la posibilidad de que la distribution de las multiples columnas se haga con dos brazos en forma de V y que permita un calado variable por valvulas de aire al exterior.

Y la patente WO 2007131289 presenta un generador que comprende un cuerpo formado por una pluralidad de camaras con valvulas antirretorno. Un primer recipiente recibe el aire de un primer set de camaras y lo pasa por el generador quien lo vierte a un segundo set de camaras que tambien tiene valvulas antirretorno.

Todas las soluciones que utilizan camaras de presion y vaclo disponen de una turbina entre estos dos volumenes cerrados y de tamano limitado con lo que el volumen a turbinar es menor y el caudal es mas variable reduciendose directamente el rendimiento.

Todas estas soluciones conllevan grandes oscilaciones de la potencia neumatica, lo que provoca rendimientos reducidos de los dispositivos, por lo que era deseable desarrollar un dispositivo de captation de energla de las olas que mejorase las prestaciones de los dispositivos existentes.

El nuevo dispositivo, objeto de la invention que aqul se presenta, tiene dos turbinas dispuestas en contacto directo con la atmosfera, una de ellas conectada a un pulmon de presion y otra a uno de vaclo. Dichos pulmones actuan como colectores y amortiguadores, sin la necesidad de ninguna tuberla de conexion ni ningun deposito adicional. Todo ello permite una mejora del rendimiento del dispositivo debido a la reduction de perdidas de carga y a unas condiciones de operation mas estables de las turbinas, as! como una reduccion del costo de la energla generada.

Descripcion de la invencion

La invencion se refiere a un dispositivo de generation de energla de las olas mediante la tecnica OWC en el que los pulmones de presion y de vaclo, las camaras de aire y las columnas de agua estan integrados en la misma estructura, no existiendo tuberlas de conexion entre ellos con lo que se evitan las perdidas de presion.

Es otro objeto de la invencion que los pulmones de presion y vaclo tengan cada uno su propia turbina unidireccional enfocada a la atmosfera, en vez de una unica turbina entre los dos pulmones. Con esto se anade la caracterlstica de que las camaras esten en relation con la atmosfera en vez de camaras relacionadas entre si donde, debido a que hay una turbina que trabaja entre dos volumenes cerrados de tamano limitado, el caudal a turbinar es menor y las turbulencias son mayores, produciendose una reduccion en el rendimiento. Las turbinas necesitan estabilidad y esta estabilidad la proporcionan los pulmones de presion y vaclo asociados cada uno a su propia turbina.

Es otro objeto de la invencion que el pulmon haga la funcion de colector en vez de que el pulmon este situado en un habitaculo externo al colector que recoge la energla neumatica de las camaras de aire, disposition esta que repercute en el coste del equipo.

Es un objeto de la invencion proporcionar al dispositivo de unas columnas de agua, camaras de aire y pulmones de presion y vaclo de dimensiones apropiadas, teniendo en cuenta los requisitos de fabrication y el coste asociado de la estructura, frente a las caracterlsticas tecnicas que se obtienen con la dimension conseguida, ya que los pulmones de mayor volumen permiten conseguir una presion mas estable.

Es otro objeto de la invencion orientar la apertura de las columnas en relacion a la direccion de la ola, para lo que, en el caso de que la plataforma sea flotante, se dotara de un sistema para que el dispositivo objeto de la invencion se oriente adecuadamente al empuje del oleaje.

Es otro objeto de la invencion que la distancia entre dos conjuntos columnas de agua y camaras de aire sea la apropiada para que la captacion de energla de las diferentes camaras sea la mayor y mas homogenea posible a lo largo del tiempo.

Es otro objeto de la invencion que el angulo de la boca de entrada de las columnas de agua y la altura de estas sea tal que se reduzca la atenuacion de la energla de las olas teniendo en cuenta tambien que dotar a la columna sumergida de una termination o boca de entrada con un cierto angulo reduce el efecto “sombra” entre las columnas y se maximice la energla capturada por el dispositivo.

Es otro objeto de la invencion que las columnas de agua tengan separadores verticales que limiten la oscilacion de la superficie de agua en su interior producida entre otras razones por la oscilacion del dispositivo en caso de que fuera flotante.

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Estos y otros objetivos se logran con una plataforma formada por dos pulmones (uno de presion y uno de vaclo), uno o varios bloques compuestos de: columna de agua, camara de aire y valvulas antirretorno que lo conectan con los pulmones, donde los bloques sumergidos finalizan su diseno con un cierto angulo para reducir el efecto sombra de los otros bloques sobre las olas, donde los pulmones de presion/vaclo hacen de colectores de la energla absorbida por las diferentes camaras de aire, y donde en cada pulmon hay dispuesta una turbina unidireccional que lo conecta con la atmosfera.

De la presente invencion se desprenden las siguientes ventajas: un mayor rendimiento del dispositivo debido a la reduccion de las perdidas de carga y a las mejores y mas estables condiciones de operacion de las turbinas, as! como un menor costo de la energla generada. Ademas, el hecho de que el dispositivo tenga las turbinas orientadas hacia el exterior, facilita el intercambio de cualquier pieza utilizada para la reparation y mantenimiento e incluso la sustitucion de una turbina completa.

Breve description de los dibujos

A continuation se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invencion y que se relacionan expresamente con una realization de dicha invencion que se presenta como un ejemplo no limitativo de esta.

Las figuras incluidas en la Figura 1 representan esquematicamente diferentes realizaciones del estado de la tecnica o de sus condiciones de operacion.

La Figura 2 muestra un esquema del dispositivo objeto de la invencion y las turbinas asociadas.

La Figura 3 es una grafica que representa la variation de la potencia neumatica respecto al tiempo en un dispositivo segun la invencion que aqul se presenta, para dos volumenes distintos de pulmon: a y b.

La Figura 4 es una grafica que representa la potencia neumatica respecto al tiempo con un dispositivo con multiples bloques segun la invencion que aqul se presenta (con dos turbinas unidireccionales conectadas a la atmosfera) y la production de un dispositivo con multiples bloques con una turbina unidireccional conectando los pulmones de presion y vaclo en circuito cerrado.

La Figura 5 relaciona el rendimiento del OWC, el rendimiento de la turbina, el coste de la energla y el coste del dispositivo con el volumen de los pulmones.

La Figura 6 muestra una plataforma con diferentes opciones de apertura de las bocas de entrada a las columnas.

La figura 7 muestra un bloque aislado de dispositivo con los elementos que lo conforman.

La figura 8 representa tres realizaciones practicas combinando la disposition de sus toberas con: a) dos bloques, b) con varios bloques escasamente separados y c) con toda la superficie llena de bloques.

En la descripcion detallada de la invencion se muestran dimensiones concretas para las diferentes camaras del dispositivo solamente a efectos orientativos. Sera obligation del disenador el, dadas las necesidades de un proyecto concreto no limitado a potencia objetivo a producir, localization geografica, presupuesto o coste del dinero, buscar el dimensionamiento adecuado que le permita obtener el mejor coste de la energla y un optimo retorno de su inversion.

Descripcion detallada de la invencion

En la figura 1 se muestra el estado de la tecnica conocido donde concretamente:

La figura 1A muestra un dispositivo OWC estandar donde (8) es la columna de agua, (1) es la camara de aire, (24) es la turbina bidireccional y (23) es la atmosfera.

La figura 1B muestra un dispositivo OWC con turbina unidireccional con flujo de aire rectificado con cuatro valvulas antirretorno.

La figura 1C muestra un dispositivo OWC con turbina unidireccional con flujo de aire rectificado con dos valvulas antirretorno.

La figura 1D muestra un dispositivo OWC con turbina unidireccional en circuito cerrado, con flujo de aire rectificado con dos valvulas antirretorno.

La figura 1E muestra un dispositivo OWC estandar de tamano excesivo en el cual, senalando la flecha la direction de la ola (33), se producen en el exterior de este una cresta (31) y un valle (32) con lo que el caudal (Q) recogido por la turbina es casi nulo.

La figura 1F muestra dos opciones de plataforma con varios dispositivos OWC estandar unidos por una estructura rlgida (41).

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La figura 1G es una grafica que relaciona la potencia electrica total respecto al tiempo en caso de dos dispositivos independientes (llnea discontinua) respecto a la capturada por una plataforma como la de la figura 1F (llnea continua). Se aprecia que la tendencia estadlsticamente es a reducir las crestas y los valles de la produccion electrica.

La figura 1H muestra una configuracion estandar de una plataforma con varios bloques conectados a traves de un colector de presion y otro de vaclo unidos a traves de una turbina unidireccional y funcionando en circuito cerrado.

La figura 1I es una grafica que representa la potencia neumatica total respecto al tiempo en caso de dos dispositivos independientes (llnea discontinua) respecto a la capturada por una plataforma como la de la figura 1H (llnea continua). Se aprecia como la potencia neumatica entregada es mas estable al unir los dispositivos, as! como un aumento de la potencia media.

La disposicion del dispositivo de columna de agua oscilante OWC objeto de la presente solicitud de patente, y mas en concreto, de la columna y sus correspondientes camaras internas y pulmones que albergan las turbinas accionadas por la energla capturada de las olas es tal y como se muestra en la figura 2. La ola (22) tiene un movimiento ascendente y descendente que provoca el ascenso y descenso de la columna de agua (8) representada por las flechas continua y discontinua respectivamente. Cuando la columna de agua (8) sube, la presion creada en la camara de aire (1) provoca un flujo de aire que pasa a traves de la valvula anti-retorno de admision (2) y entra en el pulmon neumatico de presion (3) creandose una sobrepresion. All! el aire concentrado tiene suficiente presion para mover la correspondiente turbina unidireccional de salida (4) y verterse a la atmosfera (23). Una vez finalizado este proceso, cuando la columna de agua (8) comienza su descenso, sera el aire de la atmosfera el que pasara a traves de la turbina unidireccional de entrada (5) para rellenar el pulmon de vaclo (6) y de all! se vierte a traves de la valvula anti-retorno de expulsion (7) hacia el interior de la camara de aire (1). Las valvulas antirretorno de admision (2) y de expulsion (7) abren y cierran alternativamente en cada pulmon permitiendo la presion/vaclo en los pulmones.

En la figura 3A se analiza la influencia del volumen de los pulmones. Mostrando la llnea discontinua la potencia neumatica de un pulmon de volumen V, frente a la llnea continua que muestra la potencia neumatica de un pulmon de volumen 7 veces mayor (7V). Se observa que cuanto mayor es el volumen el regimen es mas constante y el rendimiento de la turbina es mejor, aunque sin embargo la potencia promedio es menor y el coste de fabricacion mayor. En la fig. 3B se muestra la potencia electrica generada para un dispositivo con diferentes volumenes de los pulmones mostrados en la fig. 3A. La llnea discontinua muestra un dispositivo con un volumen pequeno del pulmon y turbina de aire de mayor potencia, mientras que la llnea continua muestra un dispositivo con volumenes de los pulmones mayores y turbina de potencia nominal menor, pero mayor rendimiento. Se aprecia en este caso como la produccion electrica del dispositivo completo es mayor. Es obligacion del disenador el buscar una dimension intermedia ideal con el menor coste de la energla producida.

Anteriormente se ha mencionado la disposicion en la cual las camaras pulmon de presion (3) y vaclo (6) tienen cada una su propia turbina unidireccional (4 y 5) enfocada a la atmosfera, en vez de una unica turbina entre las dos camaras pulmon de presion (3) y vaclo (6) La figura 4 muestra con llnea continua el comportamiento de la solucion con dos turbinas unidireccionales enfocadas a la atmosfera, frente a la llnea discontinua de una unica turbina unidireccional entre las dos camaras.

La caracterlstica clave del pulmon (3 o 6) es su volumen. Cuanto mayor sea este, mayor es el amortiguamiento que provoca sobre la variacion de la presion neumatica a la entrada del pulmon (3 o 6), con lo que a la salida la presion sera mas constante. Este amortiguamiento mejora el rendimiento de la turbina y del alternador porque ambos son tanto mayores cuanto mas estable sea la presion a la entrada. Sin embargo el aumento del volumen produce una reduccion en la energla neumatica disponible por la turbina y aumenta los costes de fabricacion. Por ello el correcto dimensionamiento de los pulmones se basa en buscar un volumen en que la reduccion de rendimiento neumatico y el aumento de los costes de fabricacion sean compensados por el aumento del rendimiento de la turbina. En ese punto el coste de la energla tendra un mlnimo. Tal y como se muestra en la figura 5 donde el eje de abscisas es el volumen de los pulmones y el eje de ordenadas el rendimiento y los costes. La llnea continua es el rendimiento neumatico (12), la discontinua el rendimiento de la turbina (13) y la llnea continua es el coste del dispositivo (15). La curva superior es el coste de la energla generada (14) y su punto mlnimo senala el volumen ideal de diseno del pulmon.

La figura 6 muestra la realization de un dispositivo cuya parte inferior esta formada por la union de distintos bloques donde cada bloque esta conectado con el pulmon de presion (3) y el de vaclo (6) de los que sobresalen las correspondientes turbinas de salida (4) y de entrada (5). Todo el conjunto forma una plataforma flotante que incluye sistemas de amarre y orientation para direccionarse respecto de la ola (22). Las columnas estructurales (19) disponen de bocas de entrada (16) en su parte inferior. Dichas bocas de entrada pueden tener diferente altura y/o inclination para optimizar la captura de la ola (22) y reducir el apantallamiento entre bloques. La orientacion habitual de las bocas de entrada (16) es en contra del oleaje, aunque puede que en algunas implementaciones se elija una orientacion opuesta, como en los dispositivos situados en la costa.

La figura 7 muestra un bloque aislado, en el que se aprecian los elementos que lo componen: una columna estructural (19), que al estar sumergida en la ola (22) forma una columna de agua (8) y una camara de aire (1). El bloque se completa con dos valvulas antirretorno (2 y 7), la boca de entrada (16) y en algunas configuraciones una o varias paredes intermedias (18) para minimizar las turbulencias de la ola en el interior de la columna estructural, as! como una mayor rigidez del bloque.

La figura 8 muestra otras realizaciones con el mismo dispositivo que muestra un pulmon de presion (3) y otro de vaclo (6) de los que sobresalen las correspondientes turbinas de salida (4) y de entrada (5). La diferencia esta en el numero de bloques que incorpora cada dispositivo. La opcion (a) es la ya comentada en la figura 6, la opcion (b) es similar a la anterior pero intercalando aun mas bloques con las mismas dimensiones de columna estructural (19) gracias a 5 reducir el hueco entre ellos, y por ultimo, la opcion (c) es la que incorpora tal numero de bloques que cubre la totalidad de la superficie del dispositivo objeto de la invencion. De esta forma pueden existir varias configuraciones posibles para un dispositivo de las mismas dimensiones globales donde el numero de bloques y por tanto la distancia entre ellos pueda variar hasta incluso llegar a ser nula. El sistema indicado es valido para ser aplicado en dispositivos flotantes y fijos (habitualmente cerca de la costa, en la costa o en rompeolas).

Claims (9)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un dispositivo de captation de energla de las olas, del tipo de columna de agua oscilante (OWC) caracterizado por que consiste en:

   - una parte superior que contiene un acumulador (3) de presion conectado a la atmosfera a traves de una turbina (4) unidireccional de salida que encierra un volumen de aire con una presion mayor que la presion atmosferica y un acumulador (6) de vaclo conectado a la atmosfera a traves de una turbina (5) unidireccional de entrada, que encierra un volumen de aire con una presion inferior a la presion atmosferica,

   - una portion inferior que contiene al menos un bloque, que comprende a su vez una columna (19) estructural que tiene una entrada (16) en la porcion inferior, que cuando se sumerge en el agua da lugar a una columna (8) de agua en la porcion inferior, y una camara (1) de aire en el porcion superior, sobre la columna (8) de agua, porque la camara (1) de aire de cada bloque esta conectada al acumulador (3) de presion a traves de una valvula (2) antirretorno de admision y al acumulador (6) de vaclo a traves de una valvula (7) antirretorno de escape,

   y porque los acumuladores de presion (3) y de vaclo (6) actuan como un colector de aire, inhalando y exhalando a traves de los bloques, y al mismo tiempo amortiguando los cambios bruscos de presion.
2. 2. El dispositivo para capturar energla de las olas de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque la parte inferior comprende una pluralidad de bloques.
3. 3. El dispositivo para capturar energla de las olas de acuerdo con la reivindicacion separaciones entre los bloques de la parte inferior.
4. 4. El dispositivo para capturar energla de las olas de acuerdo con la reivindicacion 2, separaciones entre los bloques de la parte inferior
5. 5. El dispositivo para capturar energla de las olas de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque cada bloque tiene una pared (18) intermedia.
6. 6. El dispositivo para capturar energla de las olas de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque las entradas (16) estan dispuestas con diferentes angulos y longitudes.
7. 7. El dispositivo para capturar energla de las olas de acuerdo con las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo es fijo.
8. 8. El dispositivo para capturar energla de las olas de acuerdo con las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo es un dispositivo flotante.
9. 9. El dispositivo para capturar energla de las olas de acuerdo con la reivindicacion 8, caracterizado porque tiene un sistema de orientation y anclajes que mantienen todo el conjunto orientado en la direction de la ola (33).

   2, caracterizado porque hay caracterizado porque no hay