ES2683328T3 - Absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical - Google Patents

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ES2683328T3 ES14735588.7T ES14735588T ES2683328T3 ES 2683328 T3 ES2683328 T3 ES 2683328T3 ES 14735588 T ES14735588 T ES 14735588T ES 2683328 T3 ES2683328 T3 ES 2683328T3
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Abstract

Convertidor de energía undimotriz (100) que comprende: un absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical resonante (122) que comprende un flotador semisumergido (120) acoplado funcionalmente a una masa (125) de referencia ajustable y un lastre (151), presentando el lastre una masa fija y definiendo la masa (125) de referencia ajustable un volumen para alojar agua de mar en la misma, estando el flotador semisumergido, la masa de referencia ajustable y el lastre configurados para elevarse y caer juntos en respuesta al paso de las olas; una cámara (105) prevista dentro del flotador semisumergido y funcionalmente en comunicación fluídica con el agua de mar para llevar a cabo una captura de un volumen de aire entre una superficie superior de una columna de agua de mar y una superficie superior de la cámara, estando la cámara configurada de modo que funcionalmente el absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical resonante (122) expanda y comprima el volumen de aire capturado que, a su vez, expande y comprime la columna de agua de mar; y una toma (140) de fuerza, PTO, en comunicación con y que responde a aire ventilado desde la cámara resultante de una reacción del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical contra la superficie superior de la columna de agua de mar encerrada, y en el que la relación entre la masa de referencia, un periodo de olas y un área de flotación de la boya es sustancialmente representada por la fórmula:**Fórmula** en la que T es el periodo de olas, Mf la masa inercial de agua de mar capturada en la masa (125) de referencia, Mañadida es la masa añadida resultante del desplazamiento del dispositivo dentro del agua de mar y se determina a partir de la geometría y la configuración del dispositivo, ρ es la densidad de agua de mar, g es gravedad y A es el área de flotación del flotador semisumergido (120).

Description

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DESCRIPCION
Absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical.
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un convertidor de energfa undimotriz. En particular, la presente invencion se refiere a un convertidor de energfa undimotriz que comprende un absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical que reacciona contra la superficie de un volumen de agua encerrado por medio de un volumen de aire capturado.
Antecedentes
El mayor recurso de energfa undimotriz esta en lugares en alta mar con exposicion abierta a los vientos predominates y a profundidades de agua mayores que la mitad de una longitud de ola de las condiciones de olas predominantes. En la practica, esto significa que la mejor energfa undimotriz del oceano esta a profundidades del orden de 100 metros o mas.
Muchas tecnologfas de conversion de energfa undimotriz incluyen uno o mas cuerpos que oscilan en uno o mas modos como resultado de fuerzas de excitacion inducidas por el campo de ola incidente y por tanto absorben energfa como energfa cinetica y potencial. Necesariamente, tales sistemas oscilantes deben ser en sf mismos grandes y masivos y capaces de reaccionar contra otro cuerpo masivo y grande o la Tierra por medio de una toma de fuerza si va a convertirse una cantidad significativa de energfa en potencia util. El tamano optimo de un sistema oscilante de este tipo se define por la longitud de ola predominante, y la econoirna. Para ser comercialmente viable a escala de utilidad, un convertidor de energfa undimotriz debe funcionar eficazmente en grandes grupos en los entornos en alta mar mas energeticos.
Los absorbedores puntuales de energfa undimotriz axisimetricos son muy adecuados para el despliegue en alta mar en grandes grupos; la mayona de estos son absorbedores puntuales de boya de desplazamiento vertical que oscilan o presentan desplazamiento en modo vertical. Estos pueden reaccionar normalmente contra el fondo marino por medio de amarres tensos o una pertiga, o reaccionar por sf mismos comprendiendo mas de un cuerpo oscilante grande, o reaccionan contra una masa interna, o una placa o masa inercial externa. Reaccionar contra el fondo marino requiere que la pertiga o el amarre tenso se fije o se ancle suficientemente al fondo marino de manera que soporte las fuerzas que corresponden a salidas de potencia del orden de un megavatio o mas.
Tales sistemas de anclaje son caros de instalar y mantener en aguas profundas. Las alternativas a un enfoque de este tipo incluyen proporcionar dos o mas cuerpos grandes que reaccionan entre sf a traves de una toma de fuerza. Tales sistemas oscilantes plantean importantes desaffos de ingeniena para garantizar que pueden mantener la alineacion y continuar funcionando durante muchos millones de ciclos y soportar condiciones tormentosas. Esta necesidad esencial de reaccionar contra algo ha planteado un desaffo significativo al desarrollo de absorbedores de energfa undimotriz oscilantes practicos, aptos para el mar y rentables, y en particular aquellos dispositivos que pueden clasificarse como que reaccionan por sf mismos.
Un requisito esencial adicional de un absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical es que su periodo de oscilacion natural en el modo vertical o de desplazamiento vertical debe poder coincidor con el de la ola incidente si va a absorberse la energfa maxima, una condicion conocida como resonancia.
Un absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical tiende a presentar un periodo natural bien definido en desplazamiento vertical y como resultado responde mejor y absorbe energfa eficazmente de una banda estrecha de la distribucion de energfa total. Por tanto, es ventajoso que pueda ajustarse el periodo natural del dispositivo. Se han propuesto varias soluciones conciliatorias, tales como un enclavamiento, (en el que la oscilacion se mantiene o “enclava” momentaneamente para simular un periodo natural mas largo) o amortiguacion aumentada de manera que se extienda la respuesta del absorbedor, pero a costa de reducir el pico.
Las columnas de agua oscilantes (OWC) comprenden una clase bien establecida de convertidores de energfa undimotriz y esta tecnologfa se ha aplicado tanto en sistemas en alta mar como en tierra. La columna de agua dentro de una OWC se activa por las olas incidentes. Como con otros absorbedores de energfa undimotriz oscilantes, la absorcion de energfa maxima se produce cuando la oscilacion natural de la columna de agua, con el aire capturado por encima de la misma, esta al mismo nivel que el tren de olas entrante. Esta condicion se define con precision por la geometna de la camara que encierra la columna de agua oscilante y el aire por encima de la misma.
Una implementacion bien conocida adicional es incluir una OWC como parte integral de una boya de pertiga de desplazamiento vertical. Una boya de pertiga es una en la que la anchura es pequena en comparacion con el calado. La anchura de cualquier absorbedor puntual debe ser pequena con respecto a la longitud de ola
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predominate, no mucho mas de 20 m de diametro para un lugar del oceano tfpico. Durante periodos en el intervalo de 8 a 14 segundos, una OWC de 10 metros de radio requerira longitudes de columna de agua de desde 8 hasta 40 metros para garantizar que la columna de agua interior pueda resonar. Un intervalo de calados de este tipo es diffcil de implementar en la practica. Ademas, la energfa undimotriz disponible esta muy disminuida en profundidades de aproximadamente 40 metros. Un problema adicional es la necesidad de garantizar que las oscilaciones de la boya de pertiga de desplazamiento vertical y las OWC encerradas estan fuera de fase, de otro modo es diffcil recuperar potencia ya que no hay desplazamiento relativo entre los dos sistemas oscilantes.
Por tanto, el desarrollo de un convertidor de energfa undimotriz de absorbedor puntual viable disponible comercialmente se ha obstaculizado por varios desaffos significativos, por ejemplo:
- La reaccion contra el fondo marino es costoso de instalar y mantener en aguas profundas en alta mar.
- Los absorbedores puntuales de boya de desplazamiento vertical resonantes que reaccionan por sf mismos han requerido hasta ahora al menos dos cuerpos masivos articulados por medio de la toma de fuerza, requiriendo alineacion cuidadosa y control de parada.
- Los dispositivos articulados tienden a ser menos aptos para el mar, mas propensos al fallo y mas costosos de fabricar y mantener.
- El rendimiento de un absorbedor puntual de OWC resonante flotante esta limitado por las dimensiones de la columna de agua; adecuar esto a las condiciones de olas variables implica complicaciones o, alternativamente, una multiplicidad de diferentes columnas de agua.
- Un absorbedor puntual que incorpora una OWC en una boya semisumergido puede presentar la dificultad de garantizar una diferencia de fase adecuada entre la oscilacion de la superficie de agua interna y la boya de desplazamiento vertical para la recuperacion de potencia eficaz a traves de una distribucion de energfa undimotriz tipica.
Un ejemplo particular de un dispositivo de energfa undimotriz se describe en el documento US5770893.
Por tanto, existe la necesidad de un convertidor de energfa undimotriz que aborde al menos algunos de los inconvenientes de la tecnica anterior.
Sumario
Estos y otros problemas se abordan mediante un convertidor de energfa undimotriz que comprende un absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical resonante que presenta una boya o flotador semisumergido acoplado funcionalmente a una masa de referencia ajustable que define un volumen para alojar agua de mar en la misma. Se proporciona una camara dentro de la boya de desplazamiento vertical y esta en comunicacion flmdica con el mar para capturar un volumen de aire por encima de una columna de agua encerrada, variando funcionalmente la altura de la columna de agua encerrada a medida que el absorbedor puntual reacciona contra el volumen de aire capturado. Un mecanismo de control esta configurado para ajustar una o mas caractensticas funcionales del absorbedor puntual.
Por consiguiente, la presente ensenanza proporciona un convertidor de energfa undimotriz como se detalla en la reivindicacion 1. En las reivindicaciones dependientes se proporcionan caractensticas ventajosas.
Estas y otras caractensticas se entenderan mejor con referencia a las siguientes figuras que se proporcionan para ayudar a comprender la presente ensenanza.
Breve descripcion de los dibujos
La presente ensenanza se describira ahora con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 es una vista en perspectiva de un convertidor de energfa undimotriz segun la presente ensenanza.
La figura 2 es una vista en seccion transversal lateral del convertidor de energfa undimotriz de la figura 1.
La figura 3 es una vista en perspectiva de un detalle del convertidor de energfa undimotriz de la figura 1.
La figura 4 es una vista en perspectiva de un detalle del convertidor de energfa undimotriz de la figura 1.
La figura 5 es un modelo informatico de un convertidor de energfa undimotriz.
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La figura 6 es un grafico generado utilizando el modelo informatico de la figura 5.
La figura 7 es una representacion esquematica de una toma de fuerza.
La figura 8 es un diagrama de bloques de una pluralidad de convertidores de ene^a undimotriz acoplados
funcionalmente entre sf
La figura 9 es una vista en perspectiva de un detalle de un convertidor de energfa undimotriz.
Descripcion detallada de los dibujos
La presente ensenanza se describira ahora con referencia a un convertidor de energfa undimotriz a modo de ejemplo. Se entendera que el convertidor de energfa undimotriz a modo de ejemplo se proporciona para ayudar a comprender la presente ensenanza y no ha de interpretarse como limitativo en modo alguno. Ademas, los elementos o componentes que se describen con referencia a cualquier figura pueden intercambiarse con los de otras figuras sin apartarse del espmtu de la presente ensenanza. Se apreciara que por simplicidad y claridad de ilustracion, cuando se considere apropiado, pueden repetirse los numeros de referencia entre las figuras para indicar elementos correspondientes o analogos.
Haciendo referencia a los dibujos, se ilustra un convertidor de energfa undimotriz 100 a modo de ejemplo para aprovechar la energfa undimotriz. El convertidor de energfa undimotriz 100 a modo de ejemplo comprende un absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical resonante 122 que incluye un flotador semisumergido 120 acoplado funcionalmente a una masa 125 de referencia ajustable y un lastre 151. En el aspecto a modo de ejemplo, el flotador semisumergido 120, la masa 125 de referencia ajustable y el lastre 151 se proporcionan como un solo cuerpo que reacciona contra la superficie del mar en respuesta al paso de las olas. Una camara 105 esta formada dentro del flotador semisumergido 120 y define una region interior hueca que esta en comunicacion flrndica con el mar por medio de entradas 110 ubicadas adyacentes a la base de la camara 105. La camara 105 encierra una columna de agua y como resultado un volumen de aire se captura por encima de la columna de agua. El volumen de aire se ventila a la atmosfera por medio de una pluralidad de orificios 115 de ventilacion a traves de los que aire puede exhalarse o inhalarse.
El convertidor de energfa undimotriz 100 oscila en desplazamiento vertical de modo que la superficie superior interna de la camara 105 reacciona contra la superficie de agua interna en la camara 105 por medio de la atenuacion del aire capturado por encima de la columna de agua, es decir, entre la superficie superior interna de la camara y la superficie superior interna de la columna de agua. El periodo natural del desplazamiento vertical del absorbedor puntual 122 (convertidor de energfa undimotriz 100) puede cambiarse por uno o mas de:
- controlar la cantidad de agua capturada en la masa de referencia y al mismo tiempo la masa anadida asociada,
- controlar el resorte de restablecimiento asociado con la presion del volumen de aire capturado por encima de la columna de agua interna.
Esta optimizacion de la resonancia de la boya de desplazamiento vertical se logra a traves de la utilizacion de la masa de referencia que puede ajustarse para ajustar el periodo de oscilacion natural. Se estima que el 90% de la energfa undimotriz del Atlantico Norte se produce con periodos de olas en el intervalo 8 a 14 segundos, presentando un pico cerca de los 10 segundos. Una boya de desplazamiento vertical flotante de necesitara presentar una masa de referencia del orden de cinco veces el desplazamiento del flotador de superficie si va a presentar un periodo natural en desplazamiento vertical del orden de 10 segundos.
Aunque la columna de agua encerrada puede parecerse superficialmente a una OWC, de hecho no funciona como un dispositivo de OWC tradicional. En el funcionamiento de una OWC, las olas de superficie hacen que la columna de agua interna se eleve y caiga. El flotador de superficie puede presentar un desplazamiento vertical por sf mismo en respuesta a la accion de las olas o la presion del aire ejercida por la OWC, pero tal desplazamiento vertical no da como resultado que el absorbedor puntual que expanda y comprima el volumen de aire capturado que a su vez expande y comprime la columna de agua de mar. La columna de agua oscilante se acciona por las olas (y no el absorbedor puntual) y asf es como estos dispositivos absorben energfa. Sin embargo, en la presente ensenanza, el nivel de la superficie de agua interna oscilara principalmente como resultado de la fuerza ejercida sobre la superficie de agua interna por el volumen de aire por encima de la misma que se comprimira y expandira por las oscilaciones del convertidor de energfa undimotriz 100. Todo el convertidor 100 oscila en resonancia en respuesta al paso de las olas de modo que un techo de la camara 105 actua como un piston para comprimir el volumen de aire capturado. En un dispositivo de OWC tradicional es el volumen de agua el que oscila y se comporta como un piston. Se apreciara por tanto que funcionalmente los dos es diametralmente opuesto.
El flotador semisumergido 120 es preferiblemente axisimetrico y es solidario con la superficie externa de la
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camara 105. El flotador semisumergido 120 es de calado suficiente y de borda libre para alojar la respuesta de desplazamiento vertical anticipada de todo el convertidor de ene^a undimotriz 100. El calado del flotador semisumergido 120 es normalmente de unos pocos metros, lo que significa que esta bien adaptado para beneficiarse de las fuerzas ejercida por las olas de superficie. El termino de borda libre es un termino nautico que se refiere a la altura del flotador semisumergido 120 que esta por encima del nivel de agua. Se pretende que el termino calado se refiera a la profundidad de un flotador semisumergido 120 cargado en el agua, tomada desde el nivel de la lmea de flotacion hasta el punto mas bajo del flotador semisumergido 120.
La masa 125 de referencia ajustable esta configurada para capturar un volumen de agua de mar en la misma con el fin de proporcionar una masa de flotabilidad neutra que puede funcionar de manera conjunta con el flotador semisumergido 120. La masa de flotabilidad neutra junto con la masa anadida asociada favorece que el convertidor de energfa undimotriz 100 oscile a una frecuencia que corresponde a o esta cerca de la frecuencia pico del clima de olas predominante.
El lastre 151 se requiere para garantizar que el flotador semisumergido 120 se asiente en la lmea de flotacion/calado correcto en agua en calma y para ayudar a estabilizar el convertidor de energfa undimotriz 100 en el agua. Para el fin de estabilizacion, el lastre debe colocarse por debajo de, preferiblemente bastante por debajo de, el centro de flotabilidad. Puede observarse a partir de las figuras que el lastre se coloca preferiblemente en la parte inferior de un soporte 132 central alargado.
Tambien es esencial que el lastre sea de densidad relativa significativamente mayor que el agua. Tal como conoce el experto en la materia, varios materiales son adecuados para el lastre. Preferiblemente se utiliza plomo. Tambien puede utilizarse hierro, pero es propenso a oxidarse. Opciones practicas son hierro incluido en hormigon u hormigon de alta densidad solo. Algunos o todos estos lastres 151 pueden colocarse en el punto mas bajo del absorbedor puntual 122 (parte inferior del soporte 132 alargado) o distribuirse verticalmente (a lo largo del soporte 132) ya que pueden requerirse para mejorar la estabilidad y evitar o mitigar oscilaciones no deseadas tales como balanceo parametrico.
Tal como se menciono anteriormente, el lastre proporcionado en el convertidor 100 dicta lo alto/bajo que esta el flotador semisumergido y de manera correspondiente el convertidor en su totalidad se asienta en el agua.
La posicion del flotador semisumergido en agua en calma debe ser de modo que, en funcionamiento normal, la respuesta de desplazamiento vertical del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical al resonar esta dentro de la longitud disponible de calado mas la borda libre, lo que garantiza que el convertidor desplaza un volumen de agua en cada ciclo que es adecuado para el campo de ola incidente, conocido como el volumen de participacion. Esta respuesta de desplazamiento vertical esta muy relacionada con la totalidad de la masa de referencia, la fuerza de restablecimiento de flotabilidad del flotador, el resorte neumatico asociado a la camara de sobrepresion por encima de la columna de agua, y la reaccion o la amortiguacion ejercida por la toma de fuerza neumatica.
Se apreciara que el lastre 151 y la masa 125 de referencia son entidades independientes que realizan diferentes funciones. El lastre es un lastre fijo, presenta peso en agua y presenta una masa mucho menor que la de la masa de referencia. La masa de referencia comprende masa inercial (agua capturada) y masa anadida al desplazarse y es de flotabilidad neutra. Puede variarse desde un valor grande (normalmente de varios miles de toneladas) hasta practicamente nada.
La columna alargada de la camara 105 esta cerrada en el extremo superior de la misma por una cubierta 130. El soporte 132 central alargado se extiende desde la cubierta 130 hasta un extremo inferior de la masa 125 de referencia ajustable. La camara 105, el flotador 120 y la masa 125 de referencia ajustable preferiblemente estan montados en y conectados de manera ngida al soporte 132 central. El soporte 132 central define un eje longitudinal 134. Los orificios 115 de ventilacion definen ejes transversales 136 que son sustancialmente perpendiculares al eje longitudinal 134. Dado que el convertidor 100 presenta un desplazamiento vertical en respuesta a las olas del mar incidentes, tiende a comprimir y expandir el volumen de aire sobre la columna de agua en la camara 105 y esto tambien provoca que el nivel de la columna de agua (que se abre al mar por medio de las entradas 110 inferiores) oscile con respecto a la boya de desplazamiento vertical 120. Una toma 140 de fuerza (PTO) esta dispuesta funcionalmente con respecto a los orificios 115 de ventilacion de modo que una corriente de aire puede exhalarse hacia o inhalarse de la atmosfera a traves de conductos a la PTO 140. En la disposicion a modo de ejemplo, la PTO 140 incluye turbinas de aire 142 que accionan generadores 144, mejor ilustrados en la figura 7, para generar electricidad cuando el aire se fuerza hacia fuera o se introduce a traves de los orificios 115 de ventilacion. En la disposicion a modo de ejemplo, las turbinas 142 son turbinas de impulso unidireccionales porque un conjunto de turbina-generador puede accionarse por una corriente de aire que se fuerza hacia fuera a traves de un primer conjunto de orificios 115 de ventilacion cuando la presion de aire se eleva en la camara 105 y otro conjunto de turbina-generador similar se acciona por una corriente de aire inhalada a traves de un segundo conjunto de orificios 115 de ventilacion cuando la presion de aire cae en la camara 105.
Los generadores 144 pueden controlarse para variar la reaccion contra el par aplicado a los arboles de las
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turbinas 142. Esto modifica la resistencia de amortiguacion ofrecida por las turbinas 144 a la corriente de aire que pasa y a su vez altera la velocidad de cambio de la presion de aire por encima de la columna de agua encerrada en la camara 105. En una disposicion a modo de ejemplo, las corrientes de campo de generador se controlan por un controlador que determina la reaccion apropiada que optimizara el rendimiento global del absorbedor puntual de desplazamiento vertical 122 y lo hara asf en respuesta a caractensticas funcionales detectadas proporcionadas a bordo y/o externamente. Las caractensticas funcionales detectadas pueden incluir uno o mas de los siguientes, pero sin limitarse a, la velocidad y amplitud de la elevacion o cafda de la superficie de agua interna en la camara 105, la velocidad y amplitud de oscilacion del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical 120 y la presion de aire en la camara 105 por encima de la columna de agua oscilante. La combinacion de una boya de desplazamiento vertical 120 que esta configurada para resonar u oscilar con un periodo natural cercano al del clima de olas predominante y su columna de agua oscilante encerrada que tambien oscila en relacion con la boya de desplazamiento vertical puede controlarse de modo que los dos sistemas oscilantes pueden mantenerse fuera de fase. Una disposicion de este tipo mejora la cantidad de potencia que puede recuperarse del sistema en su totalidad.
La masa 125 de referencia ajustable proporciona una masa grande y de flotabilidad neutra de agua de mar capturada. Un convertidor 100 absorbera la mayor parte de la energfa cuando su periodo natural coincide con el del campo de ola incidente y puede lograrse resonancia. Es la utilizacion de masa de referencia la que garantiza principalmente que el convertidor 100 presente un periodo natural en desplazamiento vertical que puede corresponder (puede ajustarse para que corresponda) con la frecuencia pico espectral de las olas incidentes. La masa de referencia comprende masa inercial y anadida (cuando se mueve). La masa anadida se determina a partir de la geometna y la configuracion del dispositivo y puede requerir un analisis complejo para determinar su valor. Este puede determinarse a partir de modelado convencional tal como dinamica de fluidos computacional. La masa de referencia puede variarse normalmente para adecuarse a la meteorologfa predominante (control “tormenta por tormenta”) sin alterar la flotabilidad del convertidor.
La relacion entre masa de referencia, periodo de olas y area de flotacion se representa aproximadamente por la formula:
Mf +Manadida
I = 2tt -----------------------------
V PgA
donde T es el periodo de olas, Mf la masa inercial (es decir, el agua de mar capturada), Manadida es la masa anadida y se determina a partir de la geometna y la configuracion del dispositivo, pes la densidad de agua de mar, g es gravedad, y A es el area de flotacion del flotador semisumergido 120. Valores tfpicos para diferentes periodos son aproximadamente tal como sigue, para un absorbedor puntual con un flotador semisumergido de unos 16 metros de diametro:
Periodo de olas (segundos)
Masa total + masa anadida [Kg] de la que, masa inercial [Kg]
10
5,1193e+006 4,8156e+006
12
7,3719e+006 7,0681e+006
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Por tanto, es evidente que esta disposicion de la masa de referencia variable se beneficia de una masa anadida variable de manera correspondiente. La proporcion de masa anadida puede aumentarse alterando la geometna de los depositos. Tanto el agua de mar como la masa anadida estan disponibles libremente. El clima de olas conocido del lugar seleccionado ayudara a decidir sobre la combinacion optima de area de flotacion (fija) y masa de referencia (variable).
Hay una fuerte variacion estacional en el flujo de energfa undimotriz (cambio en el periodo de olas) en los lugares mas energeticos tales como los del noroeste de Europa y la costa oeste americana. El cambio de la masa de referencia, tal como se describe, da como resultado la misma curva de respuesta del absorbedor puntual que se desplaza en proporcion a la rafz cuadrada del cambio en masa. Esto facilita la mayor absorcion de energfa global. Espedficamente, la masa de referencia puede ajustarse cuando el periodo de olas cambia para mantener la eficacia de absorcion de energfa undimotriz.
En otro ejemplo, utilizando la ecuacion anterior, con una ola de periodo de 10 segundos, esto indica que se requiere una masa total de aproximadamente 8.000 kg para un flotador semisumergido 120 de 10 metros de radio. Un calado de flotador de 5 metros sera practico en esta escala, es decir desplazando 1.570 m3 en agua en calma. Garantizar que un desplazamiento de 1.570 m3 puede soportar una masa de 8.000 toneladas puede lograrse presentando una masa de referencia que esta cerca de la flotabilidad neutra. La masa de agua capturada no pesa en el agua, pero su masa es del orden de cinco veces el desplazamiento de la boya de desplazamiento vertical semisumergido 120, haciendo posible por tanto que el absorbedor puntual 122 presente un periodo natural en desplazamiento vertical similar al de las olas incidentes. Esta masa inercial puede alterarse
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facilmente ajustando el volumen de agua en la masa 125 de referencia ajustable y por tanto alterando la frecuencia natural del absorbedor de desplazamiento vertical. Un mecanismo de control puede funcionar de manera conjunta con la masa de referencia ajustable para controlar el volumen de agua capturada en la misma.
La masa 125 de referencia ajustable comprende una pluralidad de volumenes que facilita la configuracion de la masa de flotabilidad neutra del agua capturada que va a ajustarse al regimen de olas predominante en el que esta funcionando el absorbedor de energfa undimotriz 100. En la disposicion a modo de ejemplo, la masa 125 de referencia ajustable comprende una pluralidad de elementos tubulares huecos alargados 146 que presentan un primer elemento de valvula 148 y un segundo elemento de valvula 150 acoplados funcionalmente en extremos opuestos respectivos de los mismos. Las longitudes de los elementos tubulares 146 no son todas iguales porque al menos dos de los elementos tubulares 146 son de diferentes longitudes entre su Dotar a los elementos tubulares 146 de diferentes longitudes significa que la masa 125 de referencia ajustable presenta varios volumenes de tamano diferentes que pueden utilizarse para capturar agua de mar. Por tanto, la masa 125 de referencia presenta varios volumenes de tamano diferentes que pueden cargarse selectivamente con agua para ajustar la masa de flotabilidad neutra del agua capturada al regimen de olas predominante. En la disposicion a modo de ejemplo, los extremos respectivos de los elementos tubulares 146 estan inclinados y los elementos de valvula 148, 150 se proporcionan como pestanas pivotantes. Cada primer elemento de valvula 148 puede hacerse rotar alrededor de un primer eje de rotacion 156, y cada segundo elemento de valvula 150 puede hacerse rotar alrededor de un segundo eje de rotacion 158. La masa 125 de referencia ajustable es una combinacion beneficiosa de masa inercial real y masa anadida (masa virtual) y pueden simplificarse con el fin de reducir las perdidas que surgen del arrastre viscoso. El termino masa anadida se utiliza habitualmente en mecanica de fluidos y se refiere a la inercia anadida a un sistema debido a que un cuerpo que acelera o decelera debe desplazar un volumen de fluido circundante a medida que se mueve a traves del fluido circundante. Ventilar los elementos tubulares 146, al mismo tiempo que se libera una fraccion del agua capturada reduce mucha de la masa anadida asociada con la seccion transversal de los elementos tubulares 146. Esto facilita una respuesta resonante en diversas posiciones en la distribucion de energfa undimotriz.
Los elementos de valvulas 148, 150 pueden controlarse normalmente en respuesta a los cambios en las condiciones meteorologicas. La respuesta de desplazamiento vertical del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical 120 se minimiza cuando todos los elementos de valvula 148, 150 se abren. Por ejemplo, durante el mantenimiento puede desearse minimizar la respuesta de desplazamiento vertical del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical 120 abriendo los elementos de valvula 148, 150. Los elementos de valvula 148, 150 estan preferiblemente compensados de modo que se requieren su traccion y que se mantengan cerrados (“cerrados energizados”) y entonces se abriran en la ausencia de una fuerza aplicada. De esta manera, el convertidor 100 se dispondra para estar a prueba de fallos automaticamente con todas las valvulas abiertas en el caso de un fallo tecnico a bordo, o mares turbulentos, o un fallo en la conexion de la red, por ejemplo.
El mecanismo de control (no mostrado) esta acoplado funcionalmente a los elementos de valvula primero y segundo 148, 150 para abrir y cerrar las valvulas. Los elementos de valvula primero y segundo 148, 150 funcionan en pares de modo que ambos se abren o ambos se cierran simultaneamente.
Cuando un par de elementos de valvula primero y segundo se cierra, se captura un volumen de agua en el elemento tubular 146 correspondiente. El tamano del volumen de agua que se captura depende del volumen definido por la region interior hueca del elemento tubular 146 respectivo.
De manera correspondiente, cuando se abre un par de valvulas primera y segunda, no se captura agua de mar en el elemento tubular 146 correspondiente. Por tanto, se apreciara que funcionar selectivamente las valvulas primera y segunda 148, 150 en pares permite que la masa de flotabilidad neutra del agua capturada se ajuste a una caractenstica funcional del absorbedor puntual 122. La masa anadida asociada con la seccion transversal del tubo ventilado tambien se reducira siempre y cuando el tubo sea de diametro adecuado en proporcion a su longitud. Puede proporcionarse un sensor (no mostrado) para detectar una caractenstica funcional del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical 120 y el correspondiente patron de ola incidente a lo largo de un periodo de tiempo predeterminado. Puede incorporarse un circuito logico programable (PLC) a bordo para analizar los datos detectados/datos grabados y para determinar que el par de elementos de valvula 148, 150 se abre o se cierra. La masa inercial puede alterarse facilmente controlando los elementos de valvula 148, 150, facilitando asf una respuesta resonante a diferentes frecuencias pico espectrales dentro de la distribucion de energfa undimotriz. Se apreciara por tanto que la respuesta resonante del convertidor de energfa undimotriz 100 puede ajustarse para adecuarse a las condiciones meteorologicas.
Cuando dos sistemas oscilantes se combinan como en un dispositivo proporcionado segun la presente ensenanza, el control de amortiguacion presenta la ventaja adicional de poder afectar tanto a la respuesta de la columna de agua como a la estructura de desplazamiento vertical que encierra, alterando esta ultima la presion de aire por encima de la superficie de agua interna, alterando eficazmente su constante de resorte. El analisis de hidrodinamica ha confirmado que puede lograrse el angulo de fase maximo de 180° entre la columna de agua oscilante y la estructura de desplazamiento vertical.
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Un convertidor de energfa undimotriz de la presente ensenanza esta configurado de modo que el cuerpo soportado por el flotador semisumergido 122 y que contiene la camara 105 oscila en respuesta al paso de las olas. Por tanto, la presente ensenanza combina dos cuerpos oscilantes, concretamente, el absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical 120 que presenta un desplazamiento vertical en respuesta a las olas de superficie y una columna de agua que puede oscilar dentro de la camara 105 encerrada al menos parcialmente en respuesta a variaciones en la presion de aire por encima de la misma provocadas por fuerzas ejercidas por el absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical 120. La presion de aire por encima de la columna de agua puede modificarse variando la resistencia de par de los generadores 144 y, por lo tanto, el efecto de amortiguacion de las palas de turbina rotatorias 142. Esto presenta la ventaja adicional de poder afectar tanto a la respuesta de la columna de agua como a la estructura de desplazamiento vertical que encierra, modificando esta ultima eficazmente la constante de resorte del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical.
Por tanto, la presente ensenanza hace posible alterar las dos variables clave en un absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical, la masa 125 de referencia y aquella parte del resorte de restablecimiento asociada con el aire encerrado en la camara 105. En funciones habituales, la masa de referencia se ajustara cuando hay cambios significativos en la meteorologfa (conocido como control “tormenta por tormenta”) y el resorte neumatico se modificara de manera continua (conocido como control “ola por ola”).
Las ventajas de la presente ensenanza son muchas y pueden demostrarse utilizando modelado informatico.
Se desarrollo un modelo hidrodinamico del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical y a partir de el un programa informatico que calcula las respuestas en un clima de olas dado. El modelo se extendio para tener en cuenta de las interacciones de la boya de desplazamiento vertical y la columna de agua capturada y la camara de aire por encima de la misma. Se incorporaron la masa dependiente del tiempo de la columna de agua capturada, su masa anadida, la rigidez debido a su area de flotacion en contacto con el aire capturado, la amortiguacion hidrodinamica, la fuerza de arrastre y la fuerza inercial del fluido. Se determino una matriz de potencia para un clima de olas a modo de ejemplo, del condado de Mayo, Irlanda.
Los resultados de la solucion numerica del modelo hidrodinamico se compararon entonces con los de un paquete de hidrodinamica convencional industrial WAMIT, y un analisis de dinamica de fluidos computacional (CFD) que utiliza Flow-3D, adecuado para estructuras flotantes semisumergido. Los resultados demuestran que el convertidor de energfa undimotriz 100 funciona bien como una boya de desplazamiento vertical que reacciona contra una superficie de agua interna de la columna de agua encerrada. Los resultados del WAMIT se describiran ahora. El absorbedor de energfa undimotriz 100 se modelo utilizando el modelo de la figura 5 como una boya de desplazamiento vertical semisumergido axisimetrica de amarre flojo que incorpora un amortiguador de aire por encima de una columna de agua abierta al mar por debajo. Se proporcionaron una masa de referencia grande y un lastre en la base 160 para representar la masa 125 de referencia ajustable. Las dimensiones a modo de ejemplo del modelo se ilustran en la figura 5. Se definio que el modelo presentaba las siguientes caractensticas:
- Calado: 60 metros
- Masa seca: 550 toneladas
- Masa total: 8200 toneladas
- Volumen: 9200 m3
- Altura metacentrica (GM): 9,5 metros
Masa seca es la masa estructural real de todo el dispositivo incluyendo el lastre. Masa total incluye el peso del agua de mar capturada pero excluye la masa anadida
Se simulo un modelo de diseno asistido por ordenador (CAD) del convertidor de energfa undimotriz 100 para las dimensiones a modo de ejemplo proporcionadas en la figura 5. Los valores de masa apropiados se asignan a los componentes individuales y se resolvio la hidrostatica. Estos valores, junto con un archivo de geometna apropiado, se pasaron al WAMIT para la simulacion de rendimiento del dispositivo en olas de aguas profundas monocromaticas lineales de 3 m de alto y a lo largo de un intervalo de periodos de olas de 4-15 segundos. Se registro la respuesta del dispositivo para los 6 modos de desplazamiento de cuerpo ngido y dos modos adicionales (desplazamiento vertical y paso) para la superficie libre dentro de la columna de agua oscilante tal como se caracterizo por un parche de superficie libre sin masa. La simulacion de WAMIT emite datos no dimensionales pertenecientes a la masa anadida dependiente de frecuencia y los valores de amortiguacion para la plataforma, la rigidez hidrostatica y los operadores de amplitud de respuesta para cada uno de los 8 modos de desplazamiento. Estos valores se importaron a MatLab™ para el redimensionamiento y la evaluacion de caractensticas.
La figura 6 muestra las relaciones de fase entre el modo de desplazamiento vertical estructural (lmea A), el modo de desplazamiento vertical de superficie de agua interna (lmea B) y el modo de oleaje estructural (lmea C). La amplitud de respuesta de oleaje fue pequena. Estas lmeas ilustran que a lo largo de un intervalo de periodos de olas de desde aproximadamente 8 segundos hasta 13 segundos, la superficie de agua interna y los modos de
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desplazamiento vertical estructural son de -180° fuera de fase. Esto significa que hay potencial de generacion potencia significativa para esta geometna a modo de ejemplo en un clima de olas del Atlantico Norte tfpica, por ejemplo.
La PTO 140 se ilustra en mas detalle en la figura 7. Esta ilustra una configuracion preferible que incorpora al menos un par de turbinas de impulso unidireccionales, una para inhalacion, una para exhalacion, cada una acoplada a un generador de reluctancia conmutado rotatorio. Una configuracion alternativa puede utilizar una o mas turbinas bidireccionales tales como las turbinas de Wells o Dennis-Auld y generadores smcronos de imanes permanentes convencionales. Preferiblemente, se conectan generadores 144 de reluctancia conmutados directamente (sin cajas de engranajes) a las turbinas de impulso de entrada y salida. Los generadores de reluctancia conmutados son muy adecuados para las cargas variables habituales de recursos energeticos renovables. Estos son robustos, tolerantes a fallos y eficaces incluso a rpm muy bajas. Permiten el control rapido del par de arbol para la absorcion de energfa undimotriz optima. Al aumentar o disminuir el par de arbol aplicado por los generadores, el efecto de amortiguacion ejercido por las turbinas de aire puede ajustarse para controlar la respuesta de la camara 105. Un circuito 171 de control puede funcionar para controlar los modos de funcionamiento de los generadores 144 de reluctancia conmutados. La figura 8 ilustra un parque 182 de energfa undimotriz a modo de ejemplo que incluye cinco absorbedores de energfa undimotriz 100 que proporcionan potencia a la red 180 electrica.
Haciendo referencia ahora a la figura 9, se proporciona un mecanismo 200 de almacenamiento de energfa a corto plazo que presenta una pluralidad de depositos de aire 202 incorporados como secciones con mamparo estancas dentro de la boya de desplazamiento vertical 120. Por motivos de claridad, solo se ilustra un unico deposito de aire 202. Sin embargo, se apreciara que pueden proporcionarse una pluralidad de tales depositos de aire 202 uno al lado del otro a lo largo de la circunferencia de la camara 105. Este mecanismo de almacenamiento de energfa esta configurado para un suministro de potencia uniforme y un rendimiento global para mares irregulares, y puede emplearse como mecanismo adicional para controlar la respuesta de la boya de desplazamiento vertical 120. Los depositos de aire 202 pueden funcionar para almacenar la presion de aire en exceso que puede aparecer en la camara 205. Los depositos de aire 202 estan en comunicacion flmdica con el volumen de aire capturado por encima de la columna de agua en la camara 105. Se proporcionan valvulas 205 en el extremo superior de los depositos de aire 202 que pueden activarse para controlar el flujo de aire que entra o que sale de los depositos 202.
Puede funcionar un mecanismo de control para controlar selectivamente las valvulas 205 para facilitar la carga de aire a o desde la camara 105 a los depositos de aire 202 con el fin de almacenar y recuperar energfa en exceso. En periodos de olas mas energeticas e irregulares, la presion de aire dentro de la camara 105 durante cualquier ciclo puede superar a la que se requiere para el funcionamiento eficaz de las turbinas. En lugar de malgastar esta energfa ventilando a la atmosfera, puede almacenarse temporalmente en los depositos de aire 205. El mecanismo de control puede funcionar para controlar selectivamente las valvulas 205 para liberar aire presurizado desde los depositos de aire 202 al interior de la camara 105 con el fin de potenciar el rendimiento cuando se producen olas mas pequenas.
Aunque no se pretende limitar la presente ensenanza a ningun conocimiento tecnico espedfico, se apreciara a partir de lo mencionado anteriormente que puede considerarse que el volumen de aire capturado forma o define un resorte. Esto forma parte de la PTO. Como resultado del desplazamiento de las olas, la boya de desplazamiento vertical reacciona contra la columna de agua. Dado que la columna de agua presenta inercia y masa sustanciales, intenta resistir esta reaccion. Como resultado, se fuerza a la oscilacion de la masa de agua parcialmente capturada y puede hacerlo asf fuera de fase con la boya de desplazamiento vertical. La dinamica de desplazamiento de interaccion se detecta por el resorte neumatico definido por el volumen de aire y se utiliza para accionar la PTO.
Las palabras comprende/que comprende cuando se utilizan en esta memoria descriptiva son para especificar la presencia de caractensticas establecidas, numero enteros, etapas o componentes pero no excluyen la presencia o adicion de una o mas de otras caractensticas, numeros enteros, etapas, componentes o grupos de los mismos.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Convertidor de ene^a undimotriz (100) que comprende:
    un absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical resonante (122) que comprende un flotador semisumergido (120) acoplado funcionalmente a una masa (125) de referencia ajustable y un lastre (151), presentando el lastre una masa fija y definiendo la masa (125) de referencia ajustable un volumen para alojar agua de mar en la misma, estando el flotador semisumergido, la masa de referencia ajustable y el lastre configurados para elevarse y caer juntos en respuesta al paso de las olas;
    una camara (105) prevista dentro del flotador semisumergido y funcionalmente en comunicacion flmdica con el agua de mar para llevar a cabo una captura de un volumen de aire entre una superficie superior de una columna de agua de mar y una superficie superior de la camara, estando la camara configurada de modo que funcionalmente el absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical resonante (122) expanda y comprima el volumen de aire capturado que, a su vez, expande y comprime la columna de agua de mar; y
    una toma (140) de fuerza, PTO, en comunicacion con y que responde a aire ventilado desde la camara resultante de una reaccion del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical contra la superficie superior de la columna de agua de mar encerrada, y
    en el que la relacion entre la masa de referencia, un periodo de olas y un area de flotacion de la boya es sustancialmente representada por la formula:
    en la que T es el periodo de olas, Mf la masa inercial de agua de mar capturada en la masa (125) de referencia, Manadida es la masa anadida resultante del desplazamiento del dispositivo dentro del agua de mar y se determina a partir de la geometna y la configuracion del dispositivo, p es la densidad de agua de mar, g es gravedad y A es el area de flotacion del flotador semisumergido (120).
  2. 2. Convertidor de energfa undimotriz segun la reivindicacion 1, en el que funcionalmente el volumen de agua de mar alojada definido por la masa (125) de referencia ajustable, presenta una masa que es del orden de cinco veces el desplazamiento del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical resonante (122) de manera que pueda lograrse resonancia.
  3. 3. Convertidor de energfa undimotriz segun la reivindicacion 1, que ademas comprende un mecanismo de control configurado para ajustar una o mas caractensticas funcionales del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical resonante, y en el que el mecanismo de control puede funcionar para:
    variar la amortiguacion ejercida por la PTO; o
    puede funcionar para llevar a cabo una variacion selectiva del volumen de agua de mar contenido dentro de la masa (125) de referencia ajustable; o
    puede funcionar para controlar el volumen de agua de mar dentro de la masa (125) de referencia ajustable de modo que las frecuencias naturales de cada uno del absorbedor puntual (120) y la columna de agua encerrada dentro de la camara esten fuera de fase.
  4. 4. Convertidor de energfa undimotriz segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la masa (125) de referencia ajustable comprende por lo menos una abertura para alojar agua de mar a traves de la misma, en el que opcionalmente dicha por lo menos una abertura presenta un elemento de valvula (148, 150) asociado.
  5. 5. Convertidor de energfa undimotriz segun la reivindicacion 4, que comprende una pluralidad de aberturas, presentando cada una unos elementos de valvula asociados y en el que la pluralidad de elementos de valvula (148, 150) pueden funcionar selectivamente para controlar el volumen de agua en la masa de referencia ajustable.
  6. 6. Convertidor de energfa undimotriz segun la reivindicacion 5, en el que la masa de referencia ajustable comprende por lo menos uno de entre:
    a) define una pluralidad de volumenes individuales;
    b) define una pluralidad de volumenes individuales alargados;
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    c) una pluralidad de elementos tubulares (146).
  7. 7. Convertidor de ene^a undimotriz segun la reivindicacion 6, que comprende una pluralidad de elementos tubulares, en el que cada elemento tubular (146) se extiende entre un primer elemento de valvula (148) y un segundo elemento de valvula (150) u opcionalmente, en el que la longitud de por lo menos dos de los elementos tubulares (146) son diferentes entre st
  8. 8. Convertidor de energfa undimotriz segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la PTO comprende una o mas turbinas de aire (142) y opcionalmente en el que:
    a) dicha una o mas turbinas de aire presentan una resistencia asociada al flujo de aire;
    b) dicha una o mas turbinas de aire pueden estar configuradas de modo que su resistencia asociada al flujo de aire sea ajustable;
    c) dicha una o mas turbinas de aire estan acopladas funcionalmente a uno o mas generadores (144).
  9. 9. Convertidor de energfa undimotriz segun la reivindicacion 8, en el que dicha una o mas turbinas de aire estan acopladas funcionalmente a uno o mas generadores (144) y por lo menos uno de entre dicho uno o mas generadores es un generador de reluctancia conmutado y en el que:
    a) por lo menos uno de entre dicho uno o mas generadores (144) puede funcionar para controlar la resistencia al flujo de aire asociado con dicha una o mas turbinas de aire; o
    b) el convertidor de energfa undimotriz comprende ademas un sensor para detectar una caractenstica funcional del absorbedor puntual de boya de desplazamiento vertical (120); o
    c) la resistencia al flujo de aire de dicha una o mas turbinas es variada en respuesta a la caractenstica funcional detectada.
  10. 10. Convertidor de energfa undimotriz segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que ademas comprende un mecanismo de almacenamiento de aire para almacenar aire a presion, en el que el mecanismo de almacenamiento de aire esta en comunicacion flrndica con el volumen de aire capturado en la camara, y opcionalmente en el que el mecanismo de almacenamiento de aire comprende uno o mas depositos.
  11. 11. Convertidor de energfa undimotriz segun la reivindicacion 10 cuando esta subordinada a la reivindicacion 3, en el que el mecanismo de control puede funcionar para por lo menos uno de entre:
    facilitar selectivamente la carga de aire desde la camara hasta el mecanismo de almacenamiento de aire; facilitar selectivamente la liberacion de aire desde el mecanismo de almacenamiento de aire hasta la camara.
  12. 12. Convertidor de energfa undimotriz segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la camara (105) esta abierta al agua de mar en una parte inferior del flotador semisumergido (120).
  13. 13. Convertidor de energfa undimotriz segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el volumen de aire capturado esta intercalado entre una superficie superior de la columna de agua de mar encerrada y el absorbedor puntual.
  14. 14. Convertidor de energfa undimotriz segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el volumen de aire capturado forma un resorte neumatico ajustable.
  15. 15. Convertidor de energfa undimotriz segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el lastre esta posicionado en la parte inferior del convertidor de energfa undimotriz y opcionalmente, en el que el lastre comprende por lo menos uno de entre plomo, hierro y hormigon.
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