ES3000015A2 - Dispositivo de propulsion eolica para una embarcacion - Google Patents

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Abstract

La invención corresponde a un dispositivo de propulsión eólica que utiliza alas giratorias, adaptable en una embarcación en transformación/renovación además de en una de nueva construcción, que permite reducir el consumo de combustible fósil de dicha embarcación en aproximadamente un 50%.

Description

DESCRIPCIÓN
DISPOSITIVO DE PROPULSIÓN EÓLICA PARA UNA EMBARCACIÓN
CAMPO TÉCNICO
La presente invención pertenece al campo de la propulsión marítima, más concretamente al campo de la propulsión eólica, como un medio de propulsión principal o suplementario.
La invención puede ser adaptada a una embarcación ya existente o bien puede ser implementada como parte de la construcción de un barco, y puede también ser implementada gradualmente para reducir el consumo de combustible fósil de la embarcación.
TÉCNICA ANTERIOR
El 90% del comercio mundial se transporta en barcos, los cuales son propulsados mediante combustibles fósiles y son responsables de aproximadamente el 3% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero.
Aproximadamente el 7% del petróleo mundial se utiliza, por tanto, en la actualidad para propulsar estos barcos.
La normativa internacional tiene como objetivo reducir el CO2 por tonelada/kilómetro en al menos un 40% para 2030, un 70% para 2040 y cerca del 100% para 2050, en comparación con el año 2008 como referencia.
[0006] Sin embargo, el consumo total de energía del transporte marítimo, casi 3000 TWh por año, es tal, que las soluciones basadas en combustibles de baja emisión de carbono, tales como los agrocombustibles o los combustibles sintéticos, deben ser complementadas con soluciones que tengan como objetivo reducir el consumo de energía de los barcos.
[0007] Se contempla el uso de la propulsión eólica como una solución que se encuentra en desarrollo, sin embargo se enfrenta a diversas dificultades.
[0008] En primer lugar los tonelajes, ya que los barcos en cuestión presentan una capacidad de carga cientos de veces mayor que los barcos veleros más grandes construidos en el pasado.
[0009] Restricciones logísticas: Los barcos deben entregar sus productos dentro de unos márgenes de tiempo predecibles que no tienen en cuenta los peligros del viento.
Por tanto, las soluciones implementadas hasta la fecha consisten más bien en utilizar los medios de propulsión eólica como un medio suplementario a la propulsión, manteniéndose en el barco unos medios motores principales.
Los sistemas de propulsión implementados a día de hoy incluyen esencialmente: cometas o "kites”, velas rígidas, velas desplegables (de forma clásica o por inflado), perfiles aerodinámicos gruesos y rotores Flettner que utilizan el efecto Magnus.
Estos sistemas hacen posible reducir el consumo de un barco, pero también muestran limitaciones técnicas y operativas: requieren grandes superficies para producir una fuerza de propulsión, pueden requerir muchos mástiles que dificultan las operaciones portuarias, pueden limitar la visibilidad, pueden generar dificultades de acceso en determinados puertos y áreas de navegación, debido al paso bajo puentes, pueden requerir operaciones de mantenimiento y reemplazo de piezas sujetas a un desgaste significativo, y resultan poco efectivos para ángulos pequeños de viento relativo y en particular para barlovento. Cuando no pueden bajarse o replegarse, pueden constituir una resistencia aerodinámica adicional significativa y dar como resultado un consumo adicional bajo estas condiciones, siendo entonces el barco propulsado mediante el motor principal.
Algunos sistemas tales como los rotores Flettner o los perfiles aerodinámicos gruesos requieren energía para operar, bajo la mayoría de condiciones operativas, lo que limita su eficiencia total.
Por tanto, estos sistemas de propulsión eólica de la técnica anterior cuando se utilizan en buques de carga de un tamaño significativo, pueden presentar cierta eficiencia en condiciones de viento favorables (las cuales pueden obtenerse en determinadas rutas marítimas y/o reduciendo la velocidad operativa de la embarcación), pero no pueden lograr un ahorro en el consumo de más del 30%, y mantener a la vez una velocidad operativa aceptable por una variedad de rutas.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene como objetivo resolver las desventajas de la técnica anterior, y está destinada a lograr una reducción en las emisiones mayor que los dispositivos de la técnica anterior, bajo condiciones de viento más diversas y condiciones operativas más amplias, y para esta finalidad hace referencia a una embarcación que comprende un casco de desplazamiento y medios de propulsión motorizada, donde el barco produce una resistencia hidrodinámica para una velocidad de avance de referencia, que comprende un dispositivo de propulsión eólica que consta de un mástil que se extiende en una dirección vertical, un rotor que consta de un ala giratoria capaz de girar alrededor de un eje secante con respecto a la dirección vertical, donde el rotor es portado por el mástil, y que comprende un dispositivo de orientación configurado para orientar el rotor alrededor de la dirección vertical, en donde el ala giratoria tiene la capacidad, cuando se encuentra sometida a viento, de producir un empuje vélico para propulsar la embarcación y un par motor alrededor del eje de rotación.
Por tanto, el presente dispositivo de propulsión eólica es similar a un aerogenerador, con la diferencia de que es utilizado simultáneamente y de forma óptima para su empuje vélico y para su par motor, lo que reduce el consumo de combustible del barco generando un empuje vélico orientable para hacer avanzar el barco, mientras mantiene la posibilidad de generar un par motor, con la finalidad, en particular, de producir una energía que pueda, a su vez, ser utilizada para la propulsión del barco o para otros propósitos. Por lo tanto, este dispositivo de propulsión eólica puede seguir siendo efectivo a la hora de reducir el consumo de combustible, como un dispositivo de propulsión principal o bien como un dispositivo suplementario, cualquiera que sea la dirección del viento.
Estas características permiten que el dispositivo de propulsión eólica produzca una asistencia a la propulsión, o incluso que produzca la totalidad de la propulsión de una embarcación, en una variedad más amplia de condiciones de viento que los sistemas de la técnica anterior, en particular, pero no exclusivamente, para un viento relativo a barlovento en un ángulo pequeño e incluso en condiciones de viento en contra, a la vez que deja una huella de carbono reducida en comparación con dispositivos de propulsión eólica de la técnica anterior que generan un empuje vélico equivalente.
La obstrucción de la visibilidad por parte del dispositivo es significativamente menor en comparación con los dispositivos de la técnica anterior, y su resistencia aerodinámica puede reducirse enormemente cuando el dispositivo no se encuentra en uso.
La embarcación puede ser implementada de acuerdo con algunas realizaciones y variantes expuestas más adelante en el presente documento, las cuales han de ser consideradas individualmente o de acuerdo con cualquier combinación técnicamente operativa.
De acuerdo con un ejemplo de realización, la longitud del casco es menor de 150 metros, la velocidad de avance de referencia se encuentra comprendida entre 5 nudos y 20 nudos y el dispositivo de propulsión eólica se encuentra configurado de manera que el empuje vélico, bajo viento de cola con una velocidad real del viento 2,5 veces la velocidad de avance de referencia, pueda ser igual o mayor al 50% de la resistencia hidrodinámica a la velocidad de avance de referencia.
De acuerdo con otra realización, la longitud del casco es mayor de 150 metros, la velocidad de avance de referencia se encuentra comprendida entre 5 nudos y 20 nudos, y el empuje vélico, bajo viento de cola con una velocidad real del viento igual a 2,5 veces la velocidad de avance de referencia, es igual o mayor al 30% de la resistencia hidrodinámica a la velocidad de avance de referencia.
El dispositivo de propulsión eólica puede consistir en dos mástiles distantes a una distancia longitudinal.
Los dos mástiles pueden encontrarse distantes también a una distancia transversal.
De acuerdo con un ejemplo de realización, el mástil puede portar un único rotor con un ala giratoria que consiste en dos palas, una pala que comprende una sección de perfil aerodinámico del ala, donde el rotor comprende un mecanismo para orientar las palas alrededor de un eje en relación al rotor.
La embarcación puede comprender una batería eléctrica y el dispositivo de propulsión eólica puede comprender un generador eléctrico accionado por el ala giratoria.
De acuerdo con una realización, el dispositivo de propulsión eólica comprende una góndola conectada al mástil y que porta el rotor, estando el generador eléctrico alojado en la góndola.
De acuerdo con otra realización, el generador eléctrico puede encontrarse alojado en el interior del mástil o en una cubierta, y puede conectarse al rotor mediante una unión mecánica o hidráulica que tiene la capacidad de transmitir una potencia de rotación mecánica del ala giratoria para accionar el generador eléctrico.
El medio de potencia propulsora puede comprender un motor eléctrico.
El motor eléctrico puede ser reversible y tener la capacidad de generar electricidad cuando se encuentra accionado.
El dispositivo de propulsión eólica puede comprender un accionamiento eléctrico configurado para accionar el ala giratoria, para hacer funcionar dicha ala giratoria como una hélice aérea.
De acuerdo con una realización, el dispositivo de propulsión eólica puede comprender una pluralidad de rotores distribuidos en el mástil según la dirección vertical.
El mástil puede comprender una parte telescópica.
De acuerdo con una variante, el mástil puede comprender una parte basculante alrededor de un eje de basculación perpendicular a la dirección vertical.
Una sección del mástil puede tener un perfil para reducir la resistencia aerodinámica del mástil.
La anterior configuración también permite un empuje vélico adicional utilizando el mástil como un ala rígida y orientándola de forma apropiada según el viento y las condiciones de navegación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La invención puede complementarse de acuerdo con las realizaciones expuestas en el presente documento, no limitativas en modo alguno, en referencia a la Figura 1 a la Figura 14D, en las cuales:
Fig. 1
La Figura 1 muestra, de acuerdo con una vista esquemática en corte, una embarcación que implementa un dispositivo de propulsión eólica en una configuración de navegación con viento de cola;
Fig. 2
La Figura 2 muestra, de acuerdo con una vista esquemática en corte, una embarcación que implementa un dispositivo de propulsión eólica en una configuración de navegación con viento en contra;
Fig. 3
La Figura 3 es un ejemplo de un diagrama de flujo que representa un método para seleccionar un dispositivo de propulsión eólica adaptado a un barco;
Fig. 4
La Figura 4 muestra, de acuerdo con una vista lateral, una embarcación del tipo buque de carga que implementa un ejemplo de un dispositivo de propulsión eólica, con una vista aumentada de una sección del perfil de una pala del dispositivo de propulsión eólica;
Fig. 5
La Figura 5 muestra, de acuerdo con una vista lateral, una embarcación de tipo petrolero, que implementa un ejemplo de un dispositivo de propulsión eólica;
Fig. 6
La Figura 6 es una vista esquemática en corte transversal longitudinal de un ejemplo de un dispositivo de propulsión eólica en el que un generador eléctrico se aloja dentro de un mástil;
Fig. 7
La Figura 7 es una vista superior del buque de carga de la FIG. 4 en el que los mástiles del dispositivo de propulsión eólica se encuentran tumbados sobre la cubierta;
Fig. 8
La Figura 8 es una vista frontal que muestra la equivalencia en términos de empuje vélico de un único rotor y una pluralidad de rotores;
Fig. 9
La Figura 9 es un ejemplo de un dispositivo de propulsión eólica que comprende mástiles multi-rotores de acuerdo con una vista en perspectiva;
Fig. 10
La Figura 10 muestra el barco de la FIG. 9 con los mástiles replegados;
Fig. 11
La Figura 11 muestra esquemáticamente el flujo y distribución de la potencia entre los medios de propulsión de una embarcación que implementa un dispositivo de propulsión eólica.
Fig. 12
Las figuras FIG. 12A FIG. 12B, FIG. 12 C y FIG. 14D muestran de forma esquemática, desde arriba, algunas configuraciones del sistema de propulsión eólica en respuesta a una dirección del viento;
Fig. 13
La Figura 13 muestra el barco de la Figura 14 desde arriba, con los rotores orientados en relación a la dirección longitudinal del barco;
Fig. 14
Las Figuras FIG. 14A, FIG. 14B y FIG. 14C muestran de forma esquemática desde arriba, algunas configuraciones de un sistema de propulsión eólica que comprende dos mástiles, en respuesta a una dirección del viento;
DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES
Definiciones
El término embarcación hace referencia a un barco cuyo uso habitual consiste en desplazarse para cubrir una distancia en un tiempo predecible y/o a una velocidad controlada, en particular para transportar carga o pasajeros, o para llevar a cabo operaciones específicas durante dicho viaje tales como pesca, exploración o la colocación de cables submarinos, sin que estos ejemplos sean limitativos, independientemente de las condiciones del viento.
El término dirección vertical se refiere a la dirección perpendicular con respecto al plano de flotación de la embarcación.
El término empuje vélico define un empuje mecánico generado por un ala giratoria, perpendicular a su eje de rotación, cuando se somete a viento, independientemente de la producción de un par motor y la producción de electricidad. Este empuje mecánico se produce cuando el ala giratoria se encuentra libre para rotar alrededor de su eje, también se produce cuando el ala giratoria, sometida al viento, genera un par motor y opera como un aerogenerador.
El término hélice de aire hace referencia a un modo operativo en el que un ala giratoria es accionada para entrar en rotación por un motor, y actúa como la hélice de una aeronave.
El término viento real hace referencia al viento tal como sopla, caracterizado por un vector cuya dirección es la del viento y la magnitud es la velocidad del mismo.
El término viento relativo hace referencia a la suma vectorial del viento real y el vector de la velocidad de avance del barco, estando esta última representada por un vector cuya dirección es la del barco y la magnitud es la velocidad de avance del barco, es el viento que se siente sobre la cubierta del barco.
El término resistencia, ya sea hidrodinámica o aerodinámica, hace referencia a una fuerza que se opone al desplazamiento del barco.
El término fuerza propulsora hace referencia a la proyección de la dirección de desplazamiento del barco y el resultado del empuje producido por los medios de propulsión menos las resistencias.
Aunque el dispositivo de propulsión eólica puede, bajo determinadas condiciones específicas, proporcionar el 100% de las necesidades de propulsión de un barco, en el contexto de la conversión/renovación de un barco existente, ya equipado con medios de propulsión, habitualmente mediante un motor de combustión interna, el objetivo es proporcionar una asistencia a la propulsión, lo que permite que el consumo total se reduzca en al menos un 30%, preferiblemente en al menos un 50%.
Por tanto, el dispositivo de propulsión eólica está destinado a trabajar en conjunto con los medios de propulsión ya existentes en la embarcación, con el objetivo de reducir su consumo.
La Figura 1 de acuerdo con un ejemplo de realización esquemático representa una embarcación (100) que implementa el dispositivo de propulsión eólica, comprende un casco (10) de desplazamiento que porta medios de propulsión motorizada, por ejemplo en forma de un motor (20) de combustión interna que acciona una hélice (21) marina.
La embarcación se caracteriza en particular por su resistencia que depende de la velocidad de avance del barco y del viento al que se encuentra sometido. La resistencia total del barco comprende:
- la resistencia del casco, superestructuras y apéndices;
- la resistencia de su medio de propulsión hidrodinámico;
- la resistencia de los dispositivos de propulsión eólica.
Los expertos en la técnica entienden que los medios de propulsión, ya sean hidrodinámicos (hélice 21) o aerodinámicos (115), son susceptibles de producir principalmente una fuerza propulsora y/o una resistencia dependiendo de la forma en que se utilicen.
La embarcación comprende un dispositivo (101) de propulsión eólica que comprende un mástil (111) que se extiende en una dirección (110) vertical en relación al casco, en el que se ajusta un ala (115) giratoria que tiene la capacidad de girar alrededor de un eje (116) secante con respecto a la dirección (110) vertical.
De acuerdo con este ejemplo esquemático, el ala giratoria se instala en una góndola (120) en una conexión pivotante alrededor del eje vertical en la parte superior del mástil (111).
El ala giratoria comprende palas (1151, 1152) con un perfil de ala, que pueden orientarse mediante un mecanismo adecuado alrededor de un eje (117) sustancialmente perpendicular a un eje (116) de rotación del ala giratoria, para cambiar un paso de dicha ala giratoria.
De acuerdo con este ejemplo de realización, la góndola (120) comprende un generador (121) eléctrico, conectado a una batería (130).
Por tanto, de acuerdo con este ejemplo de realización, la propulsión eólica parece un aerogenerador pero su uso difiere del de un aerogenerador.
Cuando el dispositivo de propulsión eólica se encuentra sometido a un viento (190) que presenta una velocidad Vo, esta última tiende a hacer girar el ala giratoria, produciendo una potencia rotacional proporcional tanto a la superficie barrida por las palas (1151, 1152) durante su rotación, como a Vo3, además de un empuje vélico sustancialmente perpendicular al plano de rotación del ala giratoria, proporcional al área barrida por las palas y aVo2.
Si las palas se dejan girar libremente, es decir, el generador (121) eléctrico no produce un par de resistencia, la potencia de rotación es cero y la fuerza de propulsión se produce como resultado del empuje vélico.
Por el contrario, si las palas se bloquean para su rotación, la potencia de rotación también es cero y la superficie expuesta al viento se limita a la superficie de las palas. El empuje vélico es entonces una función de la orientación de las palas alrededor de su eje (117).
Entre estos dos casos extremos y en particular, dependiendo de la orientación (paso) de las palas alrededor de su eje (117) y la orientación del viento relativo en relación al eje de rotación del ala giratoria, es posible ajustar la proporción de empuje vélico y potencia de rotación, haciendo posible esta última generar energía eléctrica para alimentar la batería (130).
El empuje vélico permite propulsar el barco a una velocidadV(150) de manera que el empuje vélico y la potencia de rotación sean realmente proporcionales a la velocidad del viento relativo(Vo-V)(en una relación vectorial) y se ajustarán de forma correspondiente.
Por tanto, el empuje vélico en el ala (115) giratoria puede utilizarse para complementar la propulsión de la embarcación, a la vez que produce electricidad que puede ser almacenada en la batería.
De acuerdo con una realización sencilla, el dispositivo de propulsión eólica asiste, mediante el empuje vélico, a un motor de propulsión reduciendo su consumo, la energía producida por la potencia de rotación puede almacenarse en la batería y puede ser utilizada para propósitos distintos a la propulsión del barco, por ejemplo para alimentar los medios de refrigeración o cualquier otro equipo a bordo de dicho barco.
FIG. 2: En una configuración en la que el barco se está desplazando con viento en contra (290), con el ala giratoria de cara al viento, el barco se desplaza a una velocidad (250 de avance mediante el motor de propulsión. El empuje vélico sobre el ala giratoria produce una resistencia aerodinámica que se opone al desplazamiento del barco.
Sin embargo, de acuerdo con una primera configuración, esta resistencia puede reducirse de forma significativa bloqueando la rotación del ala giratoria y orientando las palas de forma apropiada.
De acuerdo con una segunda configuración, la embarcación está provista de un motor de propulsión eléctrico para asistir a la propulsión de la embarcación bajo estas condiciones.
De acuerdo con una primera variante, el generador (221) accionado por el ala giratoria es reversible y puede ser utilizado como un motor eléctrico para accionar el ala giratoria.
[0084] El generador/motor (221) es alimentado por la batería, la cual puede cargarse previamente mediante dicho generador/motor (221) operando en modo generador y accionado por el ala giratoria.
De este modo, de acuerdo con este método, el ala giratoria puede utilizarse como una hélice aérea, haciendo posible generar una fuerza propulsora y asistir al motor de propulsión, o incluso reemplazarlo para la propulsión del barco.
De acuerdo con otra configuración, compatible con la anterior, el barco está equipado con un motor (230) eléctrico de propulsión que permite que la hélice (21) marina sea accionada sola o en combinación con el motor (20) de combustión interna.
En este caso, en la configuración de la Figura 2, en condiciones de viento en contra, el ala giratoria puede hacerse girar por el viento, generando energía eléctrica, suministrada al motor (230) eléctrico de propulsión a través de la batería, donde el motor eléctrico de propulsión asiste al motor (20) de combustión interna en la propulsión del barco, reduciendo de este modo el consumo de combustible.
Por tanto, este dispositivo de propulsión eólica puede asistir a la propulsión del barco, independientemente de la dirección del viento, incluyendo el viento en contra.
Este dispositivo tiene también la capacidad de producir y almacenar energía eléctrica incluso cuando la embarcación se encuentra anclada, y puede disponerse en una configuración de mínima resistencia aerodinámica si fuera necesario,
FIG. 3: el dispositivo de propulsión eólica puede adaptarse a una embarcación existente para lograr una reducción en el consumo de combustible en tasas de al menos un 30%, hasta un 50% en las así denominadas configuraciones simplificadas y cerca de un 100% en las denominadas configuraciones completas.
Por tanto, ofrece una gran flexibilidad a la hora de adaptarlo a una embarcación ya existente, dependiendo del uso de dicha embarcación y a un coste de renovación predecible.
Con esta finalidad, de acuerdo con una primera etapa (310) de recolección de datos, puede recogerse la información técnica relevante sobre la embarcación, en particular con respecto a las características geométricas, hidrodinámicas y aerodinámicas de la embarcación, tales como:
- las características del casco: longitud, desplazamiento, posición del centro de gravedad y el centro de flotabilidad;
- resistencia hidrodinámica y aerodinámica en función de la velocidad de crucero.
Estas características hacen posible construir un modelo del barco que pueda ser utilizado para simulaciones.
En una etapa (320) paralela de recolectar limitaciones operativas, se adquieren elementos tales como altura y ancho máximos permitidos, por ejemplo para el paso bajo puentes o en canales, posicionamiento y la huella de carbono de la carga o el equipo en la cubierta. Esta información hace posible definir la huella máxima del sistema de propulsión eólica además de las posibles técnicas para replegarlo.
Finalmente, la etapa (330) de adquisición de las condiciones de navegación incluye la adquisición de las velocidades objetivo de navegación, en particular al menos una velocidad de crucero de referencia, las características del motor de propulsión y las condiciones de viento en el área habitual de navegación.
Por ejemplo, como una primera aproximación, la dirección del viento es principalmente del oeste en el Atlántico, con velocidades de viento comprendidas entre 11 m/s y 21 m/s, se encuentran disponibles datos similares para todas las áreas de navegación.
La mayor parte de buques de carga o de barcos de pasajeros viajan a velocidades comprendidas entre 5 nudos y 20 nudos (2,57 m/s a 10,29 m/s).
Aunque puede haber casos especiales, la instalación de un sistema de propulsión eólica de este tipo en un barco representa un coste que puede recuperarse en un periodo de tiempo razonable en operación, a través de los ahorros de combustible logrados.
El dispositivo de propulsión eólica puede adaptarse a diferentes configuraciones.
En una primera revisión de viabilidad, para asegurar un nivel suficiente de asistencia que conduzca a una reducción en las emisiones del orden del 50% en un amplio rango de condiciones de viento y de rutas, con viento de cola, estando orientada el ala giratoria de forma perpendicular al viento, para una velocidadVoimedia del viento y una velocidadVide avance de referencia de la embarcación, el empuje vélico debería ser al menos igual a una proporción de la resistencia hidrodinámica (D<h>) de la embarcación a esta misma velocidad, cuando la velocidadV01del viento real sea igual a 2,5 veces la velocidadVide desplazamiento de avance (Voi=2,5. Vi).
Además, cuando la embarcación está equipada o está destinada a estar equipada con medios de propulsión eléctrica, ya sean aerodinámicos o hidrodinámicos, la energía eléctrica generada por los rotores para una segunda velocidadV2de avance de la embarcación, con una velocidadV02media del viento, es proporcional a (V02 ± V2)3 de acuerdo con la orientación del viento con respecto a la velocidad de desplazamiento, donde las dos velocidades se suman en condiciones de viento en contra.
Estas condiciones conducen a una superficie mínima barrida por las alas giratorias del dispositivo de propulsión eólica que puede determinarse mediante las siguientes ecuaciones:
Ecuación 1
Ecuación 2
DondeAes una superficie barrida por las alas giratorias del dispositivo de propulsión eólica,pes la densidad del aire,Tes el empuje vélico yPes la potencia de rotación,CtyCpson coeficientes que pueden ser obtenidos mediante tablas, bases de datos o cálculos numéricos para las diferentes realizaciones del sistema de propulsión eólica.
Por tanto, en una situación de navegación general donde las alas giratorias están orientadas de manera distinta a la perpendicular del viento, la operación del dispositivo consiste en determinar una posición óptima de los rotores y el paso de las palas para producir una fuerza propulsora máxima.
En el contexto del pre-dimensionamiento y elección de las características del dispositivo de propulsión eólica, el empuje vélico bajo el viento de cola se considera un parámetro de dimensionamiento.
Tal como se mostrará más adelante, esta configuración en realidad se utiliza poco en una situación real de navegación, solo se utiliza para determinar una mínima configuración del funcionamiento del dispositivo de propulsión eólica, para una elección inicial del mismo.
La proporción puede ser igual a un 50% (T>0,5D<h>) para embarcaciones con una longitud menor de 150 metros y un 30% (T>0,3D<h>) para embarcaciones con una longitud de más de 150 metros. Estos límites son teóricos y se utilizan para un primer dimensionamiento.
Una de las razones es que, en barcos grandes, es posible instalar dos mástiles que portan un rotor. Aparte de puntos operativos en particular, incluyendo el punto mencionado anteriormente, debido a las perturbaciones aerodinámicas entre los rotores, únicamente un rotor es realmente efectivo. En otras situaciones, el nivel de asistencia producido por el dispositivo de propulsión eólica será significativamente mayor.
Sin embargo, tener más de dos mástiles plantea dificultades tanto con respecto a la ocupación de la cubierta como a las perturbaciones aerodinámicas de un rotor al otro.
[0116] Para embarcaciones pequeñas de menos de 100 metros de longitud, resultará en general difícil, pero no siempre imposible, instalar 2 mástiles, para embarcaciones de una longitud intermedia entre 100 m y 150 m, es generalmente preferible inclinarse hacia una solución técnica que comprenda 2 mástiles que portan rotores, dadas las ventajas de esta solución.
Los ejemplos expuestos a continuación muestran que estos requisitos mínimos se superan con facilidad.
La integración de otros condicionantes hace posible seleccionar la realización más apropiada.
Un rotor por mástil
De acuerdo con una primera realización, el dispositivo de propulsión eólica comprende un único rotor por mástil, tal como se muestra en la FIG. 4 y en la FIG. 5, la FIG.4 para un ejemplo de una embarcación (400) de carga a granel y la FIG. 5 para un ejemplo de un buque cisterna (500) del tipo Suez.
En referencia a la FIG. 4 y a la FIG. 5, para una embarcación con una longitud mayor o igual a 150 m, el dispositivo de propulsión eólica consiste en 2 mástiles (411, 412, 511, 512), cada uno de los cuales porta un único rotor y distantes longitudinalmente en el casco.
Los dos mástiles (411, 412, 511, 512) se encuentran separados a una distancia(l)longitudinal. Preferiblemente, esta distancia se maximiza teniendo en cuenta los condicionantes estructurales de la implantación y otros condicionantes específicos de la embarcación.
La distancia total entre los dos mástiles es al menos 1,5 veces el diámetro del ala giratoria que tiene el diámetro más grande, para limitar así las perturbaciones aerodinámicas entre los rotores, sabiendo que, durante su operación (véase la FIG.
13), los rotores se encuentran generalmente orientados a un ángulo (1320) con respecto a la dirección longitudinal (1310).
De acuerdo con este ejemplo de realización, los rotores se encuentran conectados de forma pivotante en la parte superior de los mástiles, y comprenden una góndola que contiene diversos mecanismos de control, en particular para el control del paso de las palas del ala giratoria, además de un generador eléctrico accionado por dicha ala giratoria. El generador eléctrico puede ser reversible y ser utilizado como un motor eléctrico para accionar el ala giratoria, la cual opera entonces en modo de hélice aérea.
De forma alternativa, o adicionalmente, puede establecerse una conexión pivotante alrededor del eje vertical en la base del mástil o en una parte del mástil cerca de su base.
Una sección (413) de mástil puede tener un perfil que limite su resistencia aerodinámica.
El ala giratoria consiste, para cada rotor, en 2 palas (4151, 4152 , 5151, 5152), cuya sección (415, 416) sigue un perfil aerodinámico del ala, que se muestra aquí macizo pero que puede ser hueco.
El perfil aerodinámico de las palas es optimizado para producir un empuje vélico y para su control con el mecanismo de paso variable.
En el caso en el que el ala giratoria se utiliza únicamente accionada por el viento, una sección de las palas (415) puede ser asimétrica y las palas pueden torcerse a lo largo de su longitud.
En el caso en el que el ala giratoria se utiliza también como una hélice aérea, una sección (416) de las palas puede ser simétrica y las palas pueden estar libres de torsión.
Esta configuración de dos palas permite:
- reducir la huella lateral del dispositivo de propulsión eólica además de su resistencia aerodinámica, alineando las palas con el mástil,
- reducir la altura total del dispositivo de propulsión eólica orientando las palas perpendicularmente con respecto al mástil.
Por tanto, la alineación de las palas con el mástil hace posible reducir el impacto del dispositivo de propulsión eólica sobre la visibilidad, en particular durante las maniobras, para no dificultar las operaciones de carga y descarga por parte de la grúa o para colocar los dispositivos en una configuración en la que pueden tumbarse hacia la cubierta del barco, por ejemplo para el paso bajo un puente.
El área mínima de la superficie barrida determinada previamente proporciona el diámetro mínimo del ala giratoria y en consecuencia una primera altura del mástil.
Esta área mínima de la superficie barrida y la correspondiente altura del mástil ser puede aumentada, aumentando así la eficiencia potencial del dispositivo de propulsión eólica, siempre que la estabilidad de la embarcación permanezca dentro de límites aceptables. Los dos mástiles (511, 512) pueden ser de diferentes alturas. De forma similar, los 2 rotores pueden estar equipados con alas giratorias de diferentes diámetros.
La estabilidad de la embarcación depende de su masa, la posición de su centro de gravedad en relación a su centro de flotabilidad, de las características del casco, principalmente con respecto a la altura de aplicación y a la intensidad del empuje vélico y, en menor grado, del desplazamiento del centro de gravedad por la instalación de los rotores.
FIG. 6: De acuerdo con una implementación, el generador (621) eléctrico, ya sea del tipo de solo generador o del tipo generador/motor, puede colocarse en el interior del mástil (611) en la plataforma (630) para bajar el centro de gravedad del dispositivo de propulsión eólica. Una conexión mecánica que comprende una junta (625) homocinética permite accionar el generador eléctrico mediante el ala (615) giratoria, y también accionar el ala giratoria en un modo de hélice aéreo cuando es un generador/motor.
De acuerdo con una realización (no se muestra), el generador o generador/motor puede colocarse en la cubierta del barco y conectarse al ala giratoria mediante una unión mecánica o hidráulica.
De acuerdo con otra realización, el generador y el motor que accionan el ala giratoria para su operación como una hélice aérea pueden ser dos entidades distintas situadas en diferentes localizaciones elegidas de entre la góndola, el interior del mástil o la cubierta del barco.
La envolvente del volumen que cubre el dispositivo de propulsión eólica que depende de la dirección del viento es una esfera (490); debería verificarse que no pueda colisionar con estructuras del barco o con su carga.
FIG.7: Cuando se pasa bajo un puente o en otras situaciones similares, aparte de la solución de orientar las alas giratorias de manera que las palas estén perpendiculares al mástil, y de este modo reducir la altura total del dispositivo de propulsión eólica, de acuerdo con una realización, los mástiles (411, 412) pueden comprender una parte basculante alrededor de un eje perpendicular a la dirección vertical, en relación a una parte del mástil que está conectada al casco.
De acuerdo con unas variantes, esta unión basculante puede situarse en la base o cerca de la base del mástil y de la cubierta del barco, o bien a más altura en el mástil.
De acuerdo con una variante de realización, esta unión basculante permite la basculación de la parte superior del mástil con respecto a una parte inferior en un ángulo comprendido entre 0° y 180°. Para un ángulo de 0°, el mástil es vertical, las dos partes están alineadas, para un ángulo de 180° las dos partes son paralelas.
Para realizar estas basculaciones, las palas se alinean previamente con el mástil.
En el ejemplo que se muestra en la FIG. 7 la unión basculante se sitúa en el nivel de la cubierta y la parte superior puede bascular en un ángulo de 90° para bajar los dispositivos de propulsión eólica cerca de la cubierta del barco (400).
Con esta finalidad, los dos mástiles que portan los rotores se encuentran separados por una distancia (e) transversal a lo largo del ancho del casco. La separación transversal también permite limitar el impacto del dispositivo de propulsión eólica en la visibilidad y además reducir las perturbaciones aerodinámicas entre los rotores en los mástiles.
Mástiles multi-rotores
FIG. 9: De acuerdo con una realización, el dispositivo (900) de propulsión eólica puede comprender una pluralidad de rotores, en este caso 5, por mástil (911, 912), distribuidos en la dirección vertical del mástil.
Esta configuración hace posible distribuir el empuje vélico por la altura del mástil y permite, para un empuje vélico equivalente, afectar en menor medida a la estabilidad de la embarcación, o para un límite de estabilidad determinado, obtener un empuje vélico mayor.
La envolvente del volumen que cubre el dispositivo de propulsión eólica que depende de la dirección del viento es un elipsoide (690), lo que también puede ser favorable para una implementación en determinados tipos de embarcaciones.
Esta configuración también permite reducir la distancia requerida entre los mástiles con respecto a las perturbaciones aerodinámicas, en comparación con la solución que cuenta con un solo rotor por mástil.
Por tanto, cuando se adapta una configuración de la embarcación, el uso de mástiles multi-rotores puede permitir establecer más de dos mástiles.
Fig. 8: Como una primera aproximación, desde el punto de vista del empuje vélico, una pluralidad de N rotores con diámetro d superpuestos en un mástil, con la condición de que las trayectorias de las alas giratorias se crucen o casi se crucen, produce un empuje vélico del mismo orden de magnitud que una única ala giratoria cuyo diámetro D es la suma (en este caso N.d) de los diámetros de las alas giratorias de la pluralidad de rotores.
Por tanto, 4 rotores superpuestos en los que cada ala giratoria de un rotor tiene un diámetro de 15 metros, pueden generar un empuje vélico del mismo orden de magnitud que el de un único rotor con un ala giratoria de 60 metros de diámetro.
Alternativamente, las alas giratorias de la pluralidad de rotores pueden no tener todas el mismo diámetro, siempre que las trayectorias de las alas giratorias superpuestas, no obstante, se crucen o casi se crucen, donde la distancia mínima entre los extremos de las palas de dos alas giratorias superpuestas es menor o igual que 1/20 del diámetro de un ala giratoria.
FIG. 10: Los mástiles (611, 612) que portan la pluralidad de rotores pueden comprender una o más partes telescópicas, lo que permite replegar dichos mástiles a una altura más baja, por ejemplo para pasar bajo un puente, después de haber orientado las palas de las alas giratorias perpendiculares al mástil.
Un experto en la técnica entiende que un mástil, ya sea que comprenda un único rotor o una pluralidad de rotores, puede comprender tanto una como más partes telescópicas y una parte en conexión basculante con respecto a otra parte, donde dicha parte en conexión basculante y/o una parte no basculante pueden comprender una parte telescópica.
Al igual que la configuración que comprende un rotor por mástil, una unión pivotante alrededor del eje vertical permite orientar los rotores en relación al viento. Dicha unión pivotante de los rotores alrededor de la dirección vertical del mástil, en caso de un mástil multi-rotor, puede ser implementada individualmente para cada rotor o bien la unión pivotante alrededor del eje vertical puede situarse en la base del mástil, orientando de este modo todos los rotores al mismo tiempo, donde estas dos variantes de realizaciones no son exclusivas una de la otra. Esta configuración en la que cada rotor de la pluralidad de rotores en un mástil puede ser orientado individualmente, tiene en cuenta en particular el hecho que para un mástil cuya altura es de alrededor de 100 metros, en determinadas aplicaciones, las condiciones del viento, en particular la velocidad, no son las mismas en la parte superior del mástil que cerca de la cubierta del barco.
Mástiles
FIG. 4: Independientemente de la realización, mono-rotor o multi-rotor, una sección (413) de los mástiles puede tener un perfil para limitar su resistencia aerodinámica, o los mástiles pueden comprender un carenado aerodinámico para este propósito.
En una realización en particular, el mástil, particularmente cuando tiene un dispositivo de orientación en su base además de un dispositivo para orientar la góndola en su parte superior, puede ser utilizado como una vela rígida orientándola de forma apropiada con respecto al viento, proporcionando de este modo un empuje vélico adicional.
En el caso de un mástil multi-rotor, la operación de los rotores en modo hélice aérea puede cooperar con el mástil con perfil para producir una fuerza de empuje mediante el mástil que actúa como un ala bajo el efecto del flujo aerodinámico causado por dichos rotores, además del empuje de propulsión aérea generado por los propios rotores.
De acuerdo con una realización, los mástiles consisten en una estructura reticular sobre la que se acopla un carenado aerodinámico.
Motor eléctrico
De acuerdo con unas realizaciones, la embarcación puede comprender medios de propulsión eléctrica.
De acuerdo con una realización, estos medios de propulsión eléctrica (221, FIG. 1) pueden accionar el ala giratoria, operando de este modo como una hélice aérea. Este modo operativo puede implementarse tanto en la configuración de un solo rotor como en la configuración multi-rotor.
De acuerdo con otra realización, en lugar de o además de la anterior, los medios de propulsión eléctrica comprenden un motor (230 FIG. 1) eléctrico configurado para accionar, por sí solo o como asistencia de un motor de combustión interna, al menos una hélice marina (21 FIG. 1), proporcionando una propulsión hidrodinámica de la embarcación.
De acuerdo con un ejemplo de realización, el motor eléctrico que acciona la hélice marina puede ser pre-existente, por ejemplo cuando el barco comprende un motor de combustión interna (turbina diésel o de gas) acoplada a un motor eléctrico, o bien, el motor eléctrico se instala durante una modificación del barco y la instalación del dispositivo de propulsión eólica.
Como ejemplo no limitativo, un dispositivo eléctrico de este tipo conocido como PTI/PTO puede instalarse en el eje de una hélice existente y tiene la capacidad de trabajar en conjunto con el motor de combustión interna, o como asistencia a éste, proporcionando hasta un 100% de la potencia de propulsión requerida. Puede también ser utilizado en un frenado regenerativo absorbiendo la energía mecánica y convirtiéndola en energía eléctrica que puede ser almacenada en una batería o utilizada directamente a bordo. También puede utilizarse en modo generador accionado por el motor de combustión interna o por la rotación libre de la hélice marina bajo el efecto del flujo hidrodinámico generado por el desplazamiento del barco o la corriente marina.
Dichos dispositivos PTI/PTO adecuados para su instalación en una embarcación existente son comercializados por ejemplo por la compañía sueca Asea Brown Boveri Ltd (ABB®) para potencias de hasta 6 MW.
FIG. 11: En un caso correspondiente al denominado sistema completo, la electricidad producida por un rotor mediante un generador pasa a través de un rectificador (720) de corriente y a continuación es orientada hacia un divisor (730) de potencia.
El divisor de potencia puede distribuir la energía eléctrica desde y hasta el dispositivo PTI/PTO, desde y hacia la batería y hacia los usos (740) a bordo si fuera aplicable.
El divisor de potencia puede también dirigir la energía eléctrica hacia un motor eléctrico o un generador/motor para accionar el ala giratoria que opera en modo de hélice aérea.
El dispositivo PTI/PTO puede tener la capacidad de accionar la hélice (21) marina y distribuir la energía a la misma a través de un eje (750) de transmisión, solo o asistiendo a un motor de combustión interna.
El dispositivo PTI/PTO puede también generar energía eléctrica, siendo accionado por el eje (750) de transmisión, donde este último es accionado bien por la hélice (21) marina, por ejemplo en una situación de frenado regenerativo, o bien por un motor de combustión interna.
La energía eléctrica generada por el dispositivo PTI/PTO puede ser dirigida al divisor (730) de potencia y enviada de acuerdo con las necesidades asociadas a las condiciones de navegación.
Para este fin, un dispositivo (790) de control, que comprende un programa de control, controla las diversas fuentes de energía y su distribución de acuerdo con las condiciones de navegación para mantener unas condiciones que minimicen las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).
Operación
Las FIG. 12A a FIG. 12B muestran ejemplos de la operación de un dispositivo de propulsión eólica en diferentes condiciones de viento, correspondiente con las condiciones operativas habituales del dispositivo, distintas de viento de cola y viento en contra; donde los rotores están orientados en un ángulo a con respecto al viento relativo. Las condiciones de viento de cola y ciento en contra se citan esencialmente como bases de pre-dimensionamiento, ya que aunque el dispositivo de propulsión eólica pueda operar bajo estas condiciones, no son condiciones operativas habituales.
Aunque no es una regla absoluta, los mejores resultados pueden obtenerse habitualmente cuando el ala giratoria se orienta sustancialmente perpendicular al viento real en condiciones de viento en contra, viento de cola, a sotavento y viento transversal. Bajo condiciones de barlovento, el ala giratoria puede orientarse sustancialmente paralela al eje de la embarcación.
FIG. 13: Cuando el dispositivo de propulsión eólica comprende dos mástiles con rotores, la orientación de las alas giratorias distinta a la perpendicular a la dirección longitudinal (1310) del casco, limita considerablemente las perturbaciones aerodinámicas de los rotores de un mástil en los rotores del otro mástil, incluyendo las condiciones de navegación por viento de cola y viento en contra.
Los medios de direccionamiento del rotor en relación al mástil permiten orientar el ala giratoria en cualquier dirección en relación al viento. Actuando sobre esta orientación y sobre el paso de las palas, es posible encontrar condiciones optimizadas para generar una fuerza propulsora, cualesquiera que sean las condiciones del viento.
En todos los casos que se muestran, el ala (115) giratoria se orienta en un ángulo a con respecto a la dirección del viento (1195) relativo. El vector que representa el viento relativo es la suma vectorial del vector (1190) del viento real y el vector (1150) de la velocidad de la embarcación.
FIG. 12A: el vector representativo del viento (11951) relativo es perpendicular a la dirección (150) de desplazamiento y a la velocidad (11501) de la embarcación. Bajo dicha condición el ala giratoria puede, por ejemplo, dejarse rotar libremente y genera un empuje vélico (11911) que se proyecta sobre la dirección (150) de desplazamiento como una fuerza T<a>propulsora.
FIG. 12B: la proyección del vector (11952) representativo del viento relativo en la dirección de desplazamiento del barco es paralela al vector (11502) de velocidad del desplazamiento. Bajo dicha condición, el ala giratoria puede actuar tanto como una vela que produce un empuje vélico (11912) y como un aerogenerador que produce un par motor (11922) y una potencia giratoria, transformada en energía eléctrica, que puede alimentar un motor eléctrico de tipo PTI/PTO para generar un empuje hidrodinámico accionando la hélice marina de los medios de propulsión motorizados. La fuerza T<a>propulsora es la suma de este empuje hidrodinámico de la hélice marina y la proyección del empuje vélico (119E) en la dirección (150) de desplazamiento del barco. Alternativamente, toda o parte de la producción de electricidad de los rotores puede ser utilizada para cargar una batería.
FIG. 12C: En una condición de navegación a barlovento, la proyección del vector (11953) del viento relativo en la dirección (150) de desplazamiento de la embarcación es en la dirección opuesta a la velocidad (11503) de la embarcación. Bajo dicha condición, el dispositivo de propulsión eólica se utiliza como un aerogenerador que produce un par motor (11923) y una potencia de rotación que, transformada en energía eléctrica, tiene la capacidad de alimentar al motor eléctrico de tipo PTI/PTO como asistencia a los medios de propulsión motorizada. El dispositivo de propulsión eólica genera un empuje vélico (11913) que, proyectado en la dirección de desplazamiento del barco, se opone a su progresión. La potencia de resistencia generada por esta resistencia aerodinámica es menor que la energía eléctrica generada, de manera que el dispositivo de propulsión eólica genera una asistencia.
En un caso extremo, especialmente en condiciones de viento en contra, el dispositivo de propulsión eólica puede configurarse en una configuración de mínima resistencia aerodinámica, por ejemplo alineando las palas del ala (115) giratoria con el mástil y deteniendo su rotación. La embarcación puede entonces desplazarse mediante el motor eléctrico extrayendo su energía de la batería.
La mayoría de las embarcaciones en las que puede establecerse el dispositivo de propulsión eólica, pueden alojar una batería con una capacidad de varios MWh y una batería de ese tipo tiene la capacidad de alimentar el dispositivo PTI/PTO durante varias horas, a la vez que este último se utiliza como asistencia o para la propulsión directa de la embarcación.
La FIG. 12D se corresponde con una situación de navegación bajo condiciones de poco viento. El ala giratoria puede ser activada para que gire, por ejemplo, extrayendo energía de la batería y puede generar un empuje (11914) aerodinámico que produce una fuerza propulsora, además de con los medios motorizados, accionada por el dispositivo PTI/PTO o un motor de combustión interna, que puede producir una fuerza propulsora adicional.
Cuando la embarcación está equipada tanto con un dispositivo PTI/PTO como con un dispositivo de propulsión eólica capaz de operar en modo de hélice aérea, ambos dispositivos pueden ser utilizados al mismo tiempo.
Además, el objetivo que va a producir una asistencia a la propulsión para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes, el motor de combustión interna puede ser utilizado en conjunto con el dispositivo de propulsión eólica para propulsar la embarcación o bien para producir electricidad, a través del dispositivo PTI/PTO, en particular para recargar la batería.
En la práctica, los motores de combustión interna grandes no pueden detenerse y reiniciarse repetidamente. En consecuencia, el dispositivo de propulsión eólica, en particular cuando se adapta a una embarcación grande, puede tener como objetivo mantener la operación de un motor de combustión interna por debajo de un umbral de potencia.
El cambio de un modo operativo al otro se realiza según el viento, en particular dirigiendo la orientación de los rotores, y por la distribución de las potencias producida y consumida por parte del divisor de potencia.
Las FIG. 14A a FIG. 14C muestran ejemplos de operación bajo diferentes condiciones de viento y velocidad para una embarcación que comprende 2 mástiles mono-rotor similares a la embarcación que se muestra en la FIG. 4, cuyas características se proporcionan en la Tabla 1. En particular, estas figuras muestran ejemplos de la orientación de los rotores bajo estas condiciones. En todos los casos la resistencia hidrodinámica del casco a 12 nudos es 153 kN.
La FIG. 14A se muestra que en condiciones de navegación a barlovento, la velocidad de avance del barco (1150) es 12 nudos, bajo un viento (1191) real de 20 nudos, orientados a 40° en comparación con la dirección de desplazamiento del barco.
Bajo tales condiciones los rotores se encuentran girando y generan 1 MW de energía eléctrica. Los rotores están orientados en un ángulo a del orden de 30° con respecto al viento (1195) relativo, y su resistencia aerodinámica es del orden de 8 kN, en la dirección de desplazamiento del barco, donde el efecto de esta fuerza en el casco produce una resistencia adicional del casco de 11 kN, debido a la deriva y la escora. La energía eléctrica suministrada puede ser complementada por la batería, y también puede ser complementada por un motor de combustión interna, para alimentar 1,1 MW a la hélice marina que produce una fuerza propulsora de 172 kN. Teniendo en cuenta las pérdidas eléctricas y mecánicas, en tales condiciones, el ahorro en la energía de propulsión provista por el dispositivo de propulsión eólica puede alcanzar un 46%.
FIG. 14B: En condiciones de navegación a barlovento, la velocidad de avance del barco (1150) es de 12 nudos, bajo un viento (1191) real de 30 nudos, orientado a 35° en comparación a la dirección de desplazamiento del barco.
Los rotores están orientados a un ángulo a de 40° con respecto al viento relativo, para limitar su resistencia aerodinámica en la dirección de desplazamiento del barco, donde esta resistencia aerodinámica se encuentra en el orden de 64 kN. Esta fuerza induce una resistencia adicional del casco de 12 kN. Los rotores generan una energía eléctrica de 2,6 MW que es dirigida hacia los medios de accionamiento de la hélice marina que, dadas las pérdidas, proporciona una potencia propulsora de 1,4 MW y un empuje de 230 kN. En una configuración de este tipo, el dispositivo de propulsión eólica puede producir el 100% de la energía que se necesita para propulsar el barco.
FIG. 14C: En condiciones de navegación de viento transversal, la velocidad de avance del barco (1150) es de 12 nudos, la velocidad (1191) del viento es de 30 nudos, orientado a 90° en relación a la dirección de desplazamiento del barco.
Los rotores pueden orientarse a un ángulo a de 42° con respecto a la dirección del viento (1195) relativo. Los rotores generan un empuje vélico total de 165 kN; esta fuerza introduce una resistencia adicional del casco de 12 kN, de manera que el empuje vélico es lo suficientemente alto para propulsar el barco, pero además, los rotores generan 2,2 MW de energía eléctrica que puede, por ejemplo, ser almacenada en la batería. Por tanto, la asistencia generada por el dispositivo de propulsión eólica puede alcanzar el 243%, teniendo en cuenta las pérdidas eléctricas y mecánicas.
FIG. 14D: En condiciones de navegación a barlovento, la velocidad de avance del barco (1150) es de 12 nudos, con un viento (1191) real de 20 nudos, orientado a 65° en relación a la dirección de desplazamiento del barco.
Los rotores están orientados a un ángulo a de 30° con respecto al viento relativo, los rotores generan un empuje vélico de 73 kN y una energía eléctrica de 0,9 MW. El empuje vélico genera una resistencia adicional del casco de 12 kN. La energía eléctrica generada por los rotores se dirige a los medios de propulsión motorizados que, dadas las pérdidas eléctricas y mecánicas, generan una potencia propulsora de 0,6 MW y una fuerza propulsora de 92 kN. Por tanto, la asistencia puede alcanzar un 99%.
Estos ejemplos muestran que el dispositivo de propulsión eólica asiste a los medios de propulsión del barco en proporciones significativas, que pueden superar el 100% incluso cuando se desplaza a barlovento.
De este modo, seleccionando un modo de operación del dispositivo de propulsión eólica según el viento, puede hacerse funcionar un motor de combustión interna a una potencia operativa por debajo de un umbral específico, reduciendo al mismo tiempo las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes, a la vez que se mantiene la batería a un nivel de carga deseado.
Regresando a la FIG. 3, durante una etapa (340) de pre-dimensionamiento se analizan los condicionantes, y en particular los condicionantes de estabilidad.
Es posible definir un dispositivo de propulsión eólica utilizando uno o dos mástiles provistos de rotores y ofreciendo un área suficiente para producir un empuje vélico al nivel requerido, entonces durante una etapa (350) de diseño las características del dispositivo de propulsión eólica y, si fuera aplicable, el dispositivo PTI/PTO puede reajustarse de acuerdo con las limitaciones iniciales y mediante la simulación de las condiciones operativas.
Como resultado de las etapas de simulación y diseño, el rendimiento del sistema que integra, por ejemplo, un dispositivo de propulsión eólica con dos mástiles con la capacidad o no de operar en modo de propulsión aérea, y que implementa o no un dispositivo PTI/PTO se resume en un diagrama (370) que proporciona el nivel de asistencia para una determinada velocidad de acuerdo con la dirección del viento y su velocidad, cada curva (371, 372, 373, 374) polar correspondiente a una velocidad de viento real.
Este diagrama muestra que los niveles de asistencia que pueden lograrse pueden resultar significativos, del orden del 100% e incluso más, tan pronto como la dirección del viento se desvíe del eje vertical (viento de cola - viento en contra), pero, no obstante, también sigue siendo significativo en unas condiciones tan extremas.
Ejemplos
Los ejemplos expuestos a continuación muestran que se cumplen y se sobrepasan fácilmente las condiciones mínimas cuando la embarcación tiene un tamaño lo suficientemente grande. De hecho, los momentos de basculación y enderezamiento que definen la estabilidad del barco en presencia del dispositivo de propulsión eólica, y en consecuencia limitan estructuralmente la altura y potencia de estos dispositivos, son respectivamente proporcionales al cuadrado y a la 3a potencia de la longitud del casco, de manera que para barcos de más de aproximadamente 100 metros de longitud, los dispositivos instalados pueden producir una asistencia a la propulsión de al menos un 50% en todas las circunstancias, donde las limitaciones restantes conciernen esencialmente a problemas de huella de carbono y coste.
Un primer ejemplo de realización corresponde a un buque de carga a granel que se muestra en la FIG. 4, cuyas características se resumen en la tabla a continuación.
Tabla 1
Para esta embarcación, un ejemplo de un dispositivo de propulsión eólica puede comprender dos mástiles de un único rotor con las siguientes características:
Tabla 2
A una velocidad de avance de 12 nudos, el casco produce una resistencia aerodinámica de 153 kN.
En condiciones de viento de cola (similares a la FIG. 1) con una velocidad del viento real de 30 nudos, o 2,5 veces la velocidad de avance de la embarcación, el dispositivo de propulsión eólica puede producir una fuerza de empuje de 294 kN, o casi el doble de la resistencia de la embarcación; en la práctica puede ser posible utilizar la hélice marina de los medios de motorización en frenado regenerativo para frenar la embarcación y producir energía.
Bajo condiciones de viento de cola con una velocidad de viento real de 20 nudos, es decir, menos del doble de la velocidad de avance del barco, el dispositivo de propulsión eólica genera un empuje vélico de 141 kN, o un 92% de la resistencia del barco.
Debe señalarse que en estas condiciones de viento de cola en las que el eje de rotación de las alas giratorias se orienta paralelo al viento real, las perturbaciones aerodinámicas entre los rotores ocasionan que estos empujes vélicos se obtengan en la práctica con un único rotor.
Para esta misma embarcación, en una situación de viento en contra (similar a la FIG.
2) con una velocidad de avance de la embarcación de 8 nudos y una velocidad del viento de 22 nudos, el dispositivo de propulsión eólica, que actúa como un aerogenerador, produce el 40% de la energía requerida para la propulsión de la embarcación por parte de los medios motorizados eléctricos.
Con una velocidad de avance de la embarcación de 12 nudos y una velocidad de viento real de 25 nudos, el dispositivo de propulsión eólica, que actúa como un aerogenerador, produce el 15% de la energía requerida para la propulsión de la embarcación por parte de los medios de propulsión eléctrica.
De la misma manera que en las condiciones de viento de cola, las condiciones de viento en contra pueden no ser favorables debido a que las perturbaciones aerodinámicas generadas de un rotor al otro, de manera que, en la práctica el dispositivo opera bajo estas condiciones como si solamente tuviera un rotor.
Los siguientes ejemplos muestran un pre-dimensionamiento de un dispositivo de propulsión eólica para diferentes embarcaciones, en base a un mástil de un único rotor. Este pre-dimensionamiento puede entonces reajustarse de acuerdo con las otras limitaciones técnicas.
Según un tercer ejemplo de realización, correspondiente a un buque de carga a granel, con una longitud total de 127 m, una manga de 21,2 m y un tonelaje de peso muerto de 14.130 toneladas métricas, equipado con un motor de combustión interna de 4,4 MW, una velocidad máxima de 16 nudos, se obtienen los siguientes resultados para diferentes velocidades de referencia y diferentes diámetros de ala giratoria:
Tabla 3
Estos resultados muestran que un empuje vélico del 50% de la resistencia puede lograrse con un rotor que comprenda un ala giratoria de 60 metros de diámetro. Aunque un mástil de un solo rotor puede lograr dicho resultado, el uso de 2 mástiles de un solo rotor, posiblemente de un diámetro inferior, puede resultar ventajoso si la distancia de instalación entre los mástiles puede respetarse.
De acuerdo con un cuarto ejemplo de realización sobre un buque de carga a granel de una longitud total de 171,7 m, una manga de 27 m, un tonelaje de peso muerto de 28.356 toneladas métricas, y un motor de combustión interna de 4,95 MW:
Tabla 4
De acuerdo con este ejemplo, un diámetro de ala giratoria de aproximadamente 80 m, o de forma más precisa 60 m y 80 m puede lograr un empuje vélico de aproximadamente el 50% de la resistencia. Sin embargo, debido a la longitud del casco (171 m), puede resultar difícil instalar 2 rotores con alas de 80 m de diámetro, a la vez que respetar una distancia de 1,5 veces el diámetro entre los mismos; sin embargo, dados los modos operativos presentados anteriormente, es preferible en este caso instalar 2 rotores de 60 m, cumpliendo con la condición de un empuje vélico igual al 30% de la resistencia.
De acuerdo con un 5° ejemplo de realización, en referencia a un buque de carga a granel de 285 m de longitud total, una manga de 45 m, un tonelaje de peso muerto de 180.915 toneladas métricas, con un motor de combustión interna de 15,45 MW y una velocidad máxima de 16,7 nudos:
Tabla 5
Por tanto, de acuerdo con este ejemplo, la elección se inclinaría hacia dos rotores con un diámetro de ala comprendido entre 80 m y 100 m, o un equivalente con mástiles multi-rotor.
La descripción anterior y los ejemplos de implementación muestran que la invención logra los objetivos deseados y permite que una embarcación de cualquier tamaño logre una reducción en las emisiones de un motor de combustión interna de al menos el 30%, preferiblemente al menos un 50%, independientemente de las condiciones de viento y de la ruta, utilizando un dispositivo de propulsión eólica que comprende uno o dos mástiles.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Una embarcación (100, 400, 500, 900) que comprende un casco (10) de desplazamiento y medios (20) de propulsión motorizada, donde la embarcación produce una resistencia hidrodinámica para una velocidad (150) de avance de referencia, que comprende un dispositivo de propulsión eólica que comprende un mástil (111, 411, 412, 511, 512, 911, 912) que se extiende en una dirección (110) vertical, un rotor que comprende un ala (115) giratoria configurado para girar alrededor de un eje de rotación (116) secante con respecto a la dirección vertical, donde el rotor es portado por el mástil y comprende un dispositivo de orientación para orientar el rotor alrededor de la dirección vertical, en donde el ala (115) giratoria tiene la capacidad, cuando está sometida a viento, de producir un empuje (1191) vélico para propulsar la embarcación y un par motor (1192) alrededor del eje de rotación.
2. Embarcación según la reivindicación 1, en donde la longitud del casco es menor de 150 metros, la velocidad (150) de avance de referencia está comprendida entre 5 nudos y 20 nudos, y el dispositivo de propulsión eólica está configurado de manera que el empuje (1191) vélico, bajo un viento de cola con una velocidad de viento real 2,5 veces la velocidad de avance de referencia, es igual o mayor del 50% de la resistencia hidrodinámica a la velocidad de avance de referencia.
3. Embarcación según la reivindicación 1, en donde la longitud del casco es mayor de 150 metros, la velocidad de avance de referencia está comprendida entre 5 nudos y 20 nudos, y el empuje (1191) vélico, bajo viento de cola con una velocidad de viento real igual a 2,5 veces la velocidad de avance de referencia, es igual al 30% o más de la resistencia hidrodinámica a la velocidad de avance de referencia.
4. Embarcación según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en donde el dispositivo de propulsión eólica consiste en dos mástiles (411, 412, 511, 512, 911, 912) separados en una distancia longitudinal(l),donde cada mástil porta al menos un rotor.
5. Embarcación según la reivindicación 4, en donde los dos mástiles se encuentran distantes a una distancia (e) transversal.
6. Embarcación según la reivindicación 1, en donde el mástil porta un único rotor con un ala giratoria que consiste en dos palas (4151, 4152), donde una pala comprende una sección (415, 416) de perfil aerodinámico del ala, y el rotor comprende un mecanismo para orientar las palas alrededor de un eje (117) en relación al rotor.
7. Embarcación según la reivindicación 1, que comprende una batería (130) eléctrica y en donde el dispositivo de propulsión eólica comprende un generador (121) eléctrico accionado por el ala (115) giratoria.
8. Embarcación según la reivindicación 7, en donde el dispositivo de propulsión eólica comprende una góndola (120) conectada al mástil y que porta el rotor, estando el generador (121) eléctrico alojado en la góndola.
9. Embarcación según la reivindicación 8, en donde el generador (121) eléctrico se encuentra alojado en el interior del mástil o en una cubierta y está conectado al rotor mediante una unión (625) configurada para transmitir una potencia de rotación mecánica del ala giratoria para accionar el generador eléctrico.
10. Embarcación según la reivindicación 7, en donde los medios de propulsión motorizada comprenden medios (230) de accionamiento eléctrico.
11. Embarcación según la reivindicación 10, en donde los medios de accionamiento eléctrico son reversibles y tienen la capacidad de producir electricidad cuando son accionados.
12. Embarcación según la reivindicación 1, en donde el dispositivo de propulsión eólica comprende una pluralidad de rotores distribuidos en el mástil (911, 912) en la dirección vertical.
13. Embarcación según la reivindicación 1, en donde el mástil (911, 912) comprende una parte telescópica.
14. Embarcación según la reivindicación 1, en donde el mástil (411, 412) comprende una parte que bascula alrededor de un eje de basculación perpendicular a la dirección vertical.
15. Embarcación según la reivindicación 1, en donde una sección del mástil (413) tiene un perfil configurado para reducir la resistencia aerodinámica del mástil.
16. Embarcación según la reivindicación 1, en donde el dispositivo de propulsión eólica comprende un motor (221) eléctrico configurado para accionar el ala (115) giratoria para operar dicha ala giratoria como una hélice aérea.
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