ES2284411B2 - Sistema sumergible para el aprovechamiento energetico de las corrientes marinas. - Google Patents
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Abstract
Sistema sumergible para el aprovechamiento energético de las corrientes marinas. Se trata de un sistema sumergible compuesto por una hélice con varias palas, que accionan un generador eléctrico, situado en un domo central del que salen tantos brazos como palas, existiendo al final de cada brazo un flotador. La distribución de pesos y flotaciones permite que en operación, el par de giro y el momento de inclinación se compensen hidrostáticamente. El conjunto se une por un sistema de cables de fondeo al fondo. El conjunto de brazos y flotadores puede ser lastrado y vaciado con lo que puede cambiarse su posición de vertical sumergida durante la operación a otra horizontal flotando para facilitar el mantenimiento.
Description
Sistema sumergible para el aprovechamiento
energético de las corrientes marinas.
La invención se encuadra dentro del sector de la
"Tecnología fuera-costa marina" (Offshore
technolo-
gy) y específicamente dentro las plantas de aprovechamiento de energías renovables.
gy) y específicamente dentro las plantas de aprovechamiento de energías renovables.
En la actualidad, existe un marcado interés en
el aprovechamiento de las energías renovables, que dentro del campo
marino se centran en los siguientes tipos de plantas
generadoras:
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
- \+ Eólicas\cr - \+ Hidrotermales\cr - \+ De las olas\cr - \+
De las corrientes
\hskip3cm \cr}
El aprovechamiento de la energía de las
corrientes (tanto las constantes y de tipo estacional, de origen
térmico) como las de las producidas por las mareas (de ciclo
bidiurno y origen gravitacional), está suscitando un interés
especial por sus grandes posibilidades de desarrollo.
El diseño más extendido consiste en una
estructura fijada al fondo sobre la que se fijan los generadores
(de tipo eléctrico), movidos por hélices con palas de gran
esbeltez, similares a las de los generadores eólicos.
La mayor parte de la estructura está sumergida
(incluyendo generadores y hélices), sobresaliendo sobre la
superficie del mar una parte pequeña, que permite el acceso al
interior de la planta y, eventualmente al izado de los elementos
activos para labores de mantenimiento de mayor envergadura.
Con este diseño la profundidad de la zona de
operación está limitada, siendo apropiado sólo para mares de tipo
pre-continental como el Mar del Norte. No siendo
posible el uso de este tipo de plantas con láminas de agua por
encima de los 100 m como ocurre, por ejemplo, en el Estrecho de
Gibraltar.
La solución planteada hasta la fecha para el uso
de generadores en mares más profundos, consiste en el uso de
generadores submarinos, de flotabilidad controlada, compuestos por
un cuerpo cilíndrico donde se aloja el generador. Por su parte
delantera dispone de un sistema de enganche a un cable o cadena,
ligada al fondo de forma elástica, por medio de un sistema de
anclaje similar al utilizado en plataformas offshore. Por su parte
trasera se coloca la hélice, que es movida por la corriente
marina.
Este sistema presenta dos problemas: La
dificultad de contrarrestar el momento de giro de reacción en el
generador y el problema de cómo realizar el mantenimiento de un
sistema que está sumergido.
Para solventar estos problemas, la empresa
Hydrovisión (del Reino Unido) ha desarrollado un diseño con 2
hélices girando en sentido contrario, uniendo dos generadores con
una riostra de gran longitud. Deslastrando el conjunto y soltando
el cable de anclaje, la planta puede salir a la superficie para
efectuar tareas de mantenimiento.
Su aplicación industrial es clara ya que existen
prototipos de otros tipos de generadores submarinos que están
siendo probados y un importante desarrollo de los parques eólicos
marinos.
El objeto de la presente invención es un
generador de energía eléctrico submarino, como el que se aprecia en
la figura 1, compuesto por un rotor o hélice con varias palas, que
acciona un generador eléctrico, situado en un domo central (POD),
del que salen, de forma radial o en estrella, varios brazos o
columnas, situados en un plano perpendicular al eje del rotor,
existiendo al final de cada brazo un flotador (torpedo), con su eje
paralelo al del rotor.
Todos los elementos tendrán una forma
hidrodinámica adecuada para reducir su resistencia viscosa y de
presión, ya que estarán sometidos a la velocidad de la corriente,
por lo que producirán una fuerza de arrastre que debe ser soportada
por el sistema de fondeo.
El conjunto de elementos descrito constituyen lo
que se denomina una unidad generadora, pudiendo disponerse un
conjunto de las mismas en una zona, para el aprovechamiento de la
energía, formando un "parque de generadores submarinos" que
pueden compartir la unidad de control y el sistema de transporte de
la energía hasta tierra o una unidad de conversión.
A partir de este diseño base, pueden proyectarse
diferentes variantes, cambiando la longitud de las columnas (mayor
o menor que la de las palas), la proporción entre el volumen de los
torpedos y de los brazos, la posición relativa entre estos (torpedo
centrado o desplazado en el sentido de la corriente) y las
dimensiones relativas de cada elemento.
El conjunto tendrá un equilibrio hidrostático,
de tal forma que el peso total sea ligeramente inferior al del
volumen de agua desplazada. Esta pequeña diferencia será compensada
por el sistema de fondeo.
La distribución de pesos y flotaciones permite
que en operación, el par de giro y el momento de inclinación se
compensen hidrostáticamente. El conjunto se une por un sistema de
cables de fondeo al fondo.
La distribución de pesos y empujes será
modificable, por un sistema de lastrado telecontrolado por medio
bombas, válvulas y botellas de aire de soplado, controladas a
distancia por medio de un sistema de control automático y enlaces
acústicos y/o de cable, de tal forma que en la posición de
operación, en el torpedo y columna del brazo inferior sea mayor el
peso que el empuje y en los superiores ocurrirá lo contrario.
De esta forma el centro de gravedad del conjunto
estará por debajo del centro de empuje, produciendo esta "altura
metacéntrica" los momentos de estabilización necesarios para que
la unidad generadora mantenga la posición vertical, mostrada en la
figura 1, que es la óptima para el trabajo de la hélice, al
predominar la componente horizontal en las corrientes marinas.
Con este sistema se compensan de forma simple,
tanto el par de giro, producido por la reacción mecánica en el
generador, como el de inclinación que se produce si el sistema de
fondeo no está equilibrado con respecto al domo central.
Vaciando el agua de los tanques de lastrado se
logrará que el conjunto tenga una flotabilidad positiva, con lo que
liberando o aflojando el sistema de fondeo, saldrá a la superficie
y al igualar las posiciones verticales de los centros de gravedad y
empuje que el conjunto emergerá en posición horizontal, tal como
puede apreciarse en las distintas fases de la figura 2.
Este procedimiento se podrá invertir para la
puesta en operación de la unidad, pasando desde la posición
horizontal flotando, hasta la vertical sumergida de trabajo.
Estos procesos, de puesta en operación y
flotación para mantenimiento, deben ser realizados cuando la
velocidad de la corriente sea reducida, y serán ayudados por
sistemas telemandados de enganche y liberación entre la unidad
generadora y el sistema de fondeo, complementado con un cable de
guiado entre ambas partes.
Controlando la posición relativa longitudinal de
los centros de gravedad y de empuje, se puede lograr que el
conjunto salga a la superficie con la hélice hacia arriba, para
facilitar su mantenimiento, o hacia abajo, con objeto que quede
accesible el extremo libre del domo (el opuesto al del rotor) con lo
se podrá acceder a su interior para realizar el mantenimiento del
generador.
La disposición de los brazos en forma de
estrella, saliendo como radios desde el domo central, permite que
cuando el conjunto está flotando, para realizar las tareas de
mantenimiento, se facilite el acceso con embarcaciones al domo, al
mismo tiempo que se logra una buena estabilidad. Si el número de
palas de la hélice es igual al de columnas, se podrán estibar unas
encima de las otras, mejorando la accesibilidad, la autoprotección
de los elementos más sensibles y facilitando las labores de
traslado, instalación y mantenimiento.
Con respecto a las disposiciones de fondeo el
sistema propuesto permite varias opciones como: la sujeción por un
cable del extremo libre del POD central, quedando la hélice "aguas
abajo" de la estructura, la sujeción multipunto, en los extremos
de los torpedos, o la sujeción en un extremo del torpedo
inferior.
Gracias a esta asimetría, el conjunto puede
fondearse con un único punto de enganche en el extremo exterior del
torpedo inferior (figura 4), reduciendo la longitud de las líneas
de fondeo. De esta forma se puede situar la hélice por delante de
la estructura (con respecto al sentido de la corriente), se elimina
la interferencia hidrodinámica de los cables y del sistema de
enganche y se facilita el proceso de sujeción y liberación entre la
estructura y el sistema de fondeo.
El sistema de fondeo puede estar basado en
varias líneas (cables o cadenas) unidas a puntos fijos del fondo.
De esta forma el punto de unión a la estructura permanece casi
fijo. En ese punto se dispondrá de un elemento pasivo de
flotabilidad positiva que permitirá que el punto de enganche no se
desplace cuando la estructura esté flotando. En este flotador
pueden instalarse los elementos de enganche y liberación con la
unidad generadora
Con esta disposición, el cable entre el flotador
pasivo y el torpedo puede ser de longitud reducida y el giro de
cada unidad generadora, para acomodarse a la fuerza y dirección de
las corrientes, no produce desplazamientos importantes en su
posición, permitiendo una mayor densidad de unidades dentro del
parque de generadores.
En la figura 1 se muestra el diseño básico del
sistema que consta de los siguientes elementos:
- (1)
- Hélice con varias palas.
- (2)
- Domo central en el que se aloja el generador eléctrico, movido por la hélice.
- (3)
- Brazos de la estructura, de sección ovalada para reducir la resistencia a la corriente. Alojaran elementos auxiliares y tanques de lastrado auxiliar.
- (4)
- Flotadores de los extremos, de forma similar a los torpedos que alojan lastre fijo y tanques de lastrado.
En la figura 2 se describe (de derecha a
izquierda y de arriba abajo) el proceso para sacar a flote el
generador, que consiste en liberar el enganche entre el generador y
el sistema de fondeo, reducir la cantidad de agua de lastre, con lo
que se obtiene una flotabilidad positiva y redistribuir la posición
del lastre, con objeto de que la posición de equilibrio pase de la
posición vertical a la horizontal de la plataforma.
Para la instalación del sistema, una vez situado
el sistema de fondeo, y con el generador flotando en la superficie,
se lastrará de forma inversa, para que quede vertical, y con la
ayuda de un cable de guiado que unido a un punto de la estructura,
pase por el flotador del sistema de fondeo, que al ser arrastrado
desde una maquinilla en la superficie, una el sistema de generación
con el de fondeo.
En la figura 3 se muestra la variante del
generador denominada Y-Z. Consta de tres brazos,
con lo que se optimizan las cualidades en flotación horizontal con
la simplicidad de construcción y la reducción de la fuerza de
arrastre. Como puede apreciarse en la figura 3, el centro de
flotación de cada torpedo está desplazado del eje de su columna (en
sentido de la corriente en los superiores y en el contrario en el
inferior) lo que produce una "asimetría longitudinal". De esta
forma se simplifica el sistema de fondeo y se facilita que la
estructura permanezca vertical cuando está soportando la fuerza de
la corriente.
En la figura 4 se propone una variante del
sistema de fondeo, compuesto por al menos tres puntos de sujeción
al fondo (5) que unidos a un flotador pasivo (6) permiten que el
punto de enganche con el generador (7) esté próximo y el conjunto
tenga un desplazamiento pequeño, con respecto a la posición de
equilibrio sin corrientes.
El sistema descrito está formado por distintos
elementos conocidos en el estado de la técnica que se acoplan de
una manera específica y que le confiere características novedosas.
En concreto:
El Rotor será de un tipo similar a los de los
generadores eólicos y las hélices de grandes buques, pudiendo
construirse con materiales compuestos (fibra de carbono por
ejemplo) combinado con bronce.
El diseño del domo será similar al de los
sistemas de propulsión POD para buques, integrando dentro del mismo
el generador eléctrico, acoplado al rotor a través de una bocina
estanca, y con un soporte que integre la chumacera de empuje.
El domo se soporta con una estructura de tipo
tubular (básicamente de acero), similar a las utilizadas en
instalaciones offshore. En su interior se alojarán los tanques de
lastre y elementos auxiliares.
El control de lastrado y deslastrado utilizará
técnicas de soplado, similares a las usadas en submarinos
controlado por sistemas de telemando subacuático (acústico y por
cable).
Como sistema de fondeo puede utilizarse
cualquiera de desarrollados para las plataformas de extracción de
petróleo y las jaulas de acuicultura. Por ejemplo el punto de unión
podría estar unido por tres cables a sendos puntos de fijación en
el fondo.
Todos los elementos fijos (domo, brazos y
torpedos) están unidos por soldadura. El estator del generador se
unirá a su bancada, por medio de pernos, estando esta soldada al
domo. El rotor del generador y las palas de la hélice se unirán a
través de un núcleo por medio de pernos.
La estructura se unirá al flotador por medio de
un cable terminado en una pieza de acoplamiento que encastrará en
otra del flotador. El flotador se unirá a las fijaciones del fondo
por medio de cables o cadenas.
Claims (4)
1. Sistema sumergible para el aprovechamiento
energético de las corrientes marinas caracterizado por estar
compuesto por un rotor, tipo hélice, que acciona un generador
eléctrico, soportado por una estructura sumergida con forma de
estrella o radial, con una serie de brazos situados en un plano
perpendicular al eje del rotor terminados en expansiones en forma
de torpedo con su eje paralelo al rotor, unido a un sistema de
fondeo en un punto de enganche dispuesto en un flotador auxiliar y
con un control de lastres para colocar el generador sumergido en
vertical en operación y colocarlo flotando en horizontal para
mantenimiento.
2. Sistema sumergible para el aprovechamiento
energético de las corrientes marinas, según reivindicación 1,
caracterizado porque se pasa de la posición a flote a la
posición vertical sumergido en operación mediante el control de
lastres, que cambian la flotabilidad y el centro de gravedad, al
vaciar parte del agua de los tanques y cambiar su posición, ayudado
por un cable de guiado telecontrolado entre la plataforma de
generación y el sistema de fondeo.
3. Sistema sumergible para el aprovechamiento
energético de las corrientes marinas, según reivindicación 1 y 2
caracterizado porque el generador tiene una estructura con
una hélice de tres palas y tres brazos de estructura, con los
torpedos desplazados asimétricamente con respecto al eje de cada
columna en la dirección de la corriente, de tal forma que el
conjunto de fuerzas hidrostáticas compensan el efecto de vuelco de
la resistencia producida por la corriente y el conjunto permanece
en posición vertical.
4. Sistema sumergible para el aprovechamiento
energético de las corrientes marinas, según reivindicación 1 a 3
caracterizado porque el sistema de fondeo para la estructura
tiene varias líneas de cable o cadena, unidas a un elemento de
enganche (flotador pasivo), permitiendo su giro sobre el punto de
enganche que permanece fijo mediante 3 o más líneas de fondeo.
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