ES2364473T3 - Dispositivo para la conversión de la energía de las olas. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la conversión de la energía de las olas (dispositivo WEC: "Wave Energy Conversión") (151; 171; 181; 211), que comprende una estructura de amortiguación que comprende: un primer órgano móvil (153; 183; 213), un segundo órgano móvil (154; 174; 184; 214) y un órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) unido al primer órgano móvil y al segundo órgano móvil, caracterizado porque el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) es pasivo y tiene una respuesta de tensión-deformación no lineal, reversible y compuesta, comprendiendo el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) una pluralidad de elementos y siendo la respuesta compuesta una combinación de las respuestas de cada uno de los elementos que integran dicha pluralidad.
Description
Dispositivo para la conversión de la energía de
las olas.
La presente invención se refiere a dispositivos
para la conversión de la energía de las olas, que comprenden una
estructura de amortiguación.
La creciente preocupación con respecto a las
fuentes de energía tradicionales ha dado lugar a la investigación de
fuentes de energía alternativas renovables. La energía de las olas
es una fuente de energía renovable y los países con litorales
extensos y fuertes vientos predominantes podrían producir cantidades
considerables de electricidad a partir del oleaje.
La energía de las olas se refiere a la energía
de las olas de la superficie del océano y a la captura de esta
energía con el fin de generar electricidad. En general, cuanto mayor
es la ola tanta más energía contiene y, por lo tanto, tanta más
energía puede obtenerse de la misma. En concreto, la cantidad de
energía que puede obtenerse de las olas se determina por la altura
de la ola, la velocidad de la ola, la longitud de la ola y la
densidad del agua.
Para capturar la energía de las olas pueden
utilizarse diversos tipos de dispositivos. Todos estos dispositivos
funcionan sobre un principio similar. La fuerza de la ola actúa
sobre un órgano móvil que la absorbe y reacciona contra un punto
fijo. El punto fijo puede ser una estructura terrestre o fundada en
el lecho marino u otra estructura móvil pero resistente a la fuerza.
La fuerza de la ola tiene como resultado un movimiento oscilatorio
del órgano que la absorbe y el producto de la fuerza de la ola y el
movimiento correspondiente representa la energía convertida.
El documento WO 2004/085843 da a conocer una
instalación para capturar la energía de las olas en la que una
plataforma, dispuesta de modo que flote sobre la superficie del mar,
está conectada mediante una línea a un generador lineal anclado al
lecho marino. Cuando la plataforma se mueve arriba y abajo debido al
movimiento de las olas sobre la superficie del mar, este movimiento
se transmite mediante la línea al rotor del generador, que adquiere
un movimiento alternativo correspondiente entre las chapas del
estator. Para proporcionar una fuerza adicional descendente y
mantener tensa la línea de conexión se utiliza un muelle tensor.
El documento US 6,857,266 da a conocer un
convertidor de energía de las olas que comprende dos flotadores de
superficie conectados mediante enlaces de toma de fuerza. Los
enlaces incluyen unos cilindros hidráulicos que están conectados a
un árbol central, que está conectado al flotador interior. Tal
disposición de pistones permite cierta libertad de movimiento entre
los dos flotadores oscilantes. La energía puede capturarse a través
de los movimientos de los cilindros hidráulicos.
Existen diversas desventajas asociadas con los
dispositivos de absorción de energía ya conocidos. Durante estados
del oleaje por lo demás benignos pueden producirse olas extremas (es
decir olas excepcionalmente grandes con respecto al estado normal
del oleaje, u olas rápidamente cambiantes). Tales olas de gran
tamaño pueden hacer que la fuerza ejercida sobre el enlace o
acoplamiento entre el órgano móvil y el punto fijo sea excesiva. El
resultado de esto puede ser una rotura del acoplamiento,
especialmente en dispositivos sin una amortiguación natural, como
los convertidores de energía lineales. Por consiguiente, estos
dispositivos tienen poca capacidad de supervivencia, incluso en
condiciones normales del oleaje. Otra desventaja asociada con los
convertidores de energía de las olas ya conocidos es su baja
eficacia en la captura de energía. Los dispositivos típicos son
capaces de capturar energía de las olas sólo dentro de un margen
relativamente estrecho de frecuencias de olas y estados de energía.
Aunque los dispositivos más avanzados pueden ajustar su respuesta
para permitirles optimizar la captura de energía de cualquier estado
dado del oleaje, este ajuste lento proporciona normalmente una buena
respuesta sólo para el espectro medio de energía del estado del
oleaje en cuestión. Pocos dispositivos pueden responder con
suficiente rapidez a las frecuencias individuales dentro de un único
estado del mar.
Un objeto de la invención es proporcionar una
estructura de amortiguación en un dispositivo de conversión de
energía de las olas (dispositivo WEC: "Wave Energy Conversión")
que contrarreste o amortigüe automáticamente toda fuerza extrema de
las olas. Otro objeto de la invención es proporcionar una estructura
de amortiguación en un dispositivo WEC que presente una eficacia
mejorada en la captura de energía. Un objeto más de la invención es
proporcionar una estructura de amortiguación en un dispositivo WEC
que permita una captura de energía adicional en un amplio margen de
frecuencias de olas. Un objeto más de la invención es proporcionar
una estructura de amortiguación en un WEC que permita al WEC
mantener una orientación óptima con respecto a la ola.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de conversión de energía de las olas (WEC) tal y como se
define en la reivindicación 1.
El primer órgano y el segundo órgano presentan
diferentes respuestas de frecuencia al movimiento de las olas, lo
que produce un movimiento relativo entre éstos cuando las olas
inciden en ellos. Tanto el primer como el segundo órgano son órganos
móviles del dispositivo WEC.
El absorbedor de energía de amortiguación u
órgano de amortiguación es pasivo. El término "pasivo", tal y
como se utiliza en la presente memoria, indica que la respuesta de
tensión-deformación del órgano de amortiguación es
una función del material o los materiales comprendidos en el mismo,
o de su diseño, forma o configuración, en lugar de una construcción
mecánica que requiera alguna alimentación adicional, como aire o
presión hidráulica.
Según la invención, el absorbedor de energía de
amortiguación o el órgano de amortiguación tiene una respuesta de
tensión-deformación no lineal, reversible y
compuesta (es decir combinada o acumulativa o híbrida). La respuesta
compuesta la proporcionan una pluralidad de elementos dentro del
órgano de amortiguación, de modo que el órgano de amortiguación
tiene una respuesta de tensión-deformación no lineal
compleja dentro de su intervalo de funcionamiento normal. Así, el
órgano de amortiguación puede comprender una pluralidad de
materiales, cada uno de ellos con una respuesta de
tensión-deformación específica (y convenientemente
cada uno con una respuesta diferente). La respuesta de
tensión-deformación del órgano de amortiguación
resultante es así una combinación de las respuestas de los
materiales individuales o la respuesta de
tensión-deformación acumulativa de los elementos
combinados. Esto permite lograr perfiles de
tensión-deformación más complejos que los que puede
proporcionar un único elemento o material. En una realización, el
órgano de amortiguación podría variar en espesor a lo largo de su
longitud. Por lo tanto, la respuesta de
tensión-deformación del órgano de amortiguación
variaría también a lo largo de la longitud del órgano de
amortiguación. La respuesta de tensión-deformación
del órgano de amortiguación resultante es así una combinación de las
respuestas de las distintas partes de espesor. El órgano de
amortiguación podría comprender igualmente una pluralidad de
componentes de distinta longitud, distintos materiales o distinto
espesor. En todos estos casos, la respuesta global de
tensión-deformación del órgano de amortiguación es
una combinación de las respuestas individuales de las partes que lo
integran.
Un material u órgano con una respuesta de
tensión-deformación no lineal es aquel en el que la
fuerza antagonista ejercida por el material u órgano está
relacionada de forma no lineal con la fuerza aplicada al mismo y con
el grado de aplicación de dicha fuerza. En la presente invención, el
movimiento del órgano móvil en respuesta al movimiento de la ola
ejerce una fuerza en el órgano de amortiguación. La fuerza
antagonista ejercida por el órgano de amortiguación sobre el órgano
móvil está relacionada de forma no lineal con la fuerza aplicada y
el grado de aplicación de esta fuerza. El órgano de amortiguación de
la presente invención presenta una respuesta de
tensión-deformación no lineal reversible. Por
ejemplo, el órgano de amortiguación puede ser capaz de experimentar
un cambio de forma reversible en respuesta a una fuerza aplicada.
Convenientemente presenta una pluralidad de respuestas de
tensión-deformación no lineales dentro de su
intervalo de funcionamiento.
El órgano de amortiguación ejerce
preferentemente una fuerza antagonista pequeña (o nula) hasta que la
fuerza aplicada, o el grado de la fuerza aplicada, sobrepasa un
umbral, por encima del cual la fuerza antagonista ejercida aumenta
rápidamente con el aumento de la fuerza aplicada. En la figura 1 se
muestra un ejemplo de una respuesta de este tipo. El valor umbral se
ha seleccionado de modo que la fuerza antagonista aumente
rápidamente cuando la fuerza aplicada alcance un nivel en el que de
otro modo sería probable que se produjesen daños en el WEC. La
figura 19 muestra algunas respuestas de
tensión-deformación no lineales compuestas o
acumulativas para órganos de amortiguación con una pluralidad de
elementos. Como puede verse en la figura, pueden lograrse más
perfiles de tensión-deformación complejos de lo que
es posible con un único material o elemento. Como puede verse, el
perfil de tensión-deformación compuesto puede tener
cierto número de puntos de no linealidad, de tal modo que el órgano
de amortiguación proporciona un aumento rápido de la fuerza
antagonista en varios umbrales o niveles de fuerza aplicada, con una
respuesta esencialmente lineal entre estos puntos.
Según una realización de la presente invención,
la respuesta de tensión-deformación del órgano de
amortiguación puede adaptarse para cada dispositivo WEC individual
y las condiciones previstas en las que pueda utilizarse el
dispositivo, en lugar de utilizar un único diseño genérico. La
respuesta se adapta seleccionando cuidadosamente el diseño y la
composición del órgano de amortiguación, por ejemplo seleccionando
una combinación de materiales comprendidos en el órgano de
amortiguación, o la forma y la configuración del órgano de
amortiguación, para lograr las características de respuesta
deseadas.
El término "adaptar" tal y como se utiliza
en la presente memoria indica que al material o los materiales
utilizados se les da una forma o configuración que permite que la
respuesta de tensión-deformación satisfaga un perfil
de rendimiento específico deseado. Así, el material o los materiales
deben estar diseñados y modificados para satisfacer la curva deseada
o requerida. Dicha adaptación es necesaria para cada dispositivo con
el fin de optimizar su rendimiento para los estados de oleaje a los
que se espera que vaya a estar sometido.
Según una realización de la presente invención,
el diseño y/o la composición del órgano de amortiguación pueden
permitir una adaptación de la respuesta del dispositivo WEC a la
magnitud de las fuerzas aplicadas al dispositivo y/o el grado de
cambio de las fuerzas aplicadas. El órgano de amortiguación
comprende una pluralidad de componentes, cada uno de los cuales
puede reaccionar a diferentes márgenes de fuerzas aplicadas y/o
grados de la fuerza aplicada.
Según una realización de la invención, puede
preverse una pluralidad de órganos de amortiguación, estando cada
órgano de amortiguación dispuesto para amortiguar el movimiento del
dispositivo esencialmente a lo largo de un solo eje. Como se ha
explicado más arriba, cada órgano de amortiguación tiene un perfil
de tensión-deformación compuesto (que incluye dos o
más respuestas de tensión-deformación distintas). La
orientación y/o el diseño de cada órgano de amortiguación pueden
permitir al amortiguador o la estructura de amortiguación
proporcionar distintas respuestas de
tensión-deformación a lo largo de diferentes ejes.
De este modo es posible adaptar a las condiciones previstas la
respuesta de tensión-deformación de la estructura de
amortiguación en cada dirección. La estructura de amortiguación
puede así adaptarse para tener diferentes respuestas a como mínimo
una de, y convenientemente a todas, las fuerzas de subida y bajada
(verticales), de cabeceo (de rotación) y de deriva (laterales).
Pueden preverse tanto órganos de amortiguación compresivos como de
tracción, así como una combinación de órganos de amortiguación
compresivos y de tracción.
En una realización, un órgano de amortiguación,
dispuesto para amortiguar fuerzas de deriva (laterales), se utiliza
para limitar la respuesta lateral máxima del dispositivo. El órgano
de amortiguación está situado u orientado adecuadamente de modo que
su efecto de amortiguación se aplique en lo posible sólo a las
fuerzas de deriva. Otro órgano de amortiguación, dispuesto para
amortiguar las fuerzas de subida y bajada (verticales) (entre
componentes del dispositivo WEC), puede utilizarse para limitar la
extensión vertical máxima del dispositivo. Análogamente, este órgano
de amortiguación está situado u orientado de modo que su efecto de
amortiguación se aplique sólo a las fuerzas de subida y bajada. Un
control independiente sobre las distintas fuerzas que actúan sobre
el dispositivo permite una mayor precisión a la hora de adaptar la
respuesta global de la estructura de amortiguación a las
condiciones, con el fin de proteger el dispositivo.
La presente invención ofrece diversas ventajas
con respecto a los dispositivos WEC ya conocidos. La naturaleza de
la estructura de amortiguación proporciona una estabilidad
estructural y una resiliencia mejoradas, lo que impide una rotura
del dispositivo WEC causada por olas extremas.
La estructura hace posible también una captura
de energía más eficaz. Las olas del océano no tienen nunca una única
frecuencia y siempre comprenden componentes de frecuencia elevada
además del componente de frecuencia principal. El componente de
frecuencia principal cambia con el estado del mar y algunos
dispositivos pueden ajustar su respuesta para sintonizar esta
frecuencia, pero son pocos los dispositivos WEC capaces de
reaccionar con la rapidez suficiente para capturar la energía de
componentes del oleaje de frecuencia elevada dentro de un único
estado del mar. El órgano de amortiguación es capaz de reaccionar a
los componentes de frecuencia elevada de las olas, permitiendo así
al dispositivo WEC capturar energía de los componentes de frecuencia
elevada de las olas. El órgano de amortiguación puede así funcionar
como un dispositivo de almacenamiento de energía, que almacena
temporalmente la energía capturada de las olas de tal modo que ésta
puede realimentarse a un sistema de toma de fuerza vinculado con el
dispositivo WEC. El aumento adicional de la captura de energía
resulta de los estados del mar adicionales a los que puede accederse
gracias a la estabilidad estructural y la resiliencia
mejoradas.
mejoradas.
La presente invención proporciona también una
ventaja adicional sobre los dispositivos WEC actuales. El órgano (o
los órganos) de amortiguación
aplica(n) convenientemente fuerzas antagonistas con componentes tanto laterales como verticales y de este modo actúa(n) automáticamente para enderezar el órgano móvil, que mantiene así durante su uso una orientación óptima con respecto a las olas, es decir por lo general una orientación perpendicular a la dirección de desplazamiento de las olas. Esto reduce el riesgo de que el sistema de acoplamiento del dispositivo WEC sufra daños causados por una tensión producida por diferencias angulares entre los órganos móviles y fijos del dispositivo WEC.
aplica(n) convenientemente fuerzas antagonistas con componentes tanto laterales como verticales y de este modo actúa(n) automáticamente para enderezar el órgano móvil, que mantiene así durante su uso una orientación óptima con respecto a las olas, es decir por lo general una orientación perpendicular a la dirección de desplazamiento de las olas. Esto reduce el riesgo de que el sistema de acoplamiento del dispositivo WEC sufra daños causados por una tensión producida por diferencias angulares entre los órganos móviles y fijos del dispositivo WEC.
El órgano de amortiguación puede comprender un
material flexible capaz de deformarse de manera reversible en
respuesta a una fuerza aplicada. El material puede ser un material
elástico no lineal. El órgano de amortiguación puede comprender un
material deformable de manera resiliente que presente una respuesta
de tensión-deformación no lineal reversible. Según
diversas realizaciones de la invención, el órgano de amortiguación
puede comprender un muelle que no siga la ley de Hook, un material
de caucho, un material viscoelástico o un biopolímero. Entre los
ejemplos de tales materiales se incluyen poliuretano, Avery FTI 125
y vimentina. El órgano de amortiguación puede comprender un material
dilatante.
El órgano de amortiguación puede comprender un
material que tenga una pluralidad de filamentos en haz,
opcionalmente entretejidos. Los filamentos pueden ser similares a
las fibras musculares. Los filamentos pueden estar formados por una
pluralidad de materiales diferentes, tales que el material compuesto
resultante tenga las características de
tensión-deformación no lineales reversibles
deseadas. El órgano de amortiguación puede comprender una hoja o
membrana de material. La hoja o membrana puede estar perforada. La
hoja o membrana puede comprender una pluralidad de capas. Las capas
pueden formar una estructura tipo colchón. En la hoja pueden
preverse válvulas o dispositivos electrónicos que permitan la
captura de energía o la detección de estados del oleaje.
El órgano de amortiguación puede comprender un
material compuesto. El material compuesto puede comprender múltiples
capas, tales como, por ejemplo, estructuras viscoelásticas de
compuesto epoxi.
El órgano de amortiguación puede comprender
combinaciones de los materiales arriba expuestos, así como otros
materiales que presenten las características de
tensión-deformación no lineales requeridas.
A continuación se describen diversas
realizaciones de un dispositivo de conversión de energía de las olas
según la invención, además de disposiciones no incluidas en el
alcance de la invención que se muestran con fines únicamente de
referencia, aludiendo a los dibujos adjuntos, de los que:
La figura 1 es un gráfico que muestra la fuerza
antagonista en función de la fuerza aplicada para un material que
tiene una respuesta de tensión-deformación no lineal
reversible;
La figura 2 es una vista en perspectiva de un
dispositivo de conversión de energía de las olas, que comprende una
estructura de amortiguación según una disposición no incluida en el
alcance de la invención que se muestra con fines únicamente de
referencia;
La figura 3 es una vista desde arriba del
dispositivo de conversión de energía de las olas de la figura 2;
y
La figura 4 es una vista lateral en alzado del
dispositivo de conversión de energía de las olas de la figura 2;
La figura 5 es una representación esquemática de
un dispositivo de conversión de energía de las olas, que comprende
una estructura de amortiguación según una disposición no incluida en
el alcance de la invención que se muestra con fines únicamente de
referencia;
La figura 6a es una representación esquemática
de las fuerzas aplicadas al flotador del dispositivo WEC en el nivel
máximo de una ola extrema;
La figura 6b es una representación esquemática
de las fuerzas aplicadas al flotador del dispositivo WEC en el nivel
máximo de una ola normal;
La figura 6c es una representación esquemática
de las fuerzas aplicadas al flotador del dispositivo WEC en el seno
de una ola extrema;
La figura 7 es una representación esquemática de
una serie de dispositivos WEC interconectados;
La figura 8 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC, que comprende una estructura de amortiguación
alternativa según una disposición no incluida en el alcance de la
invención que se muestra con fines únicamente de referencia;
La figura 9 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC, que comprende una estructura de amortiguación según
otra disposición no incluida en el alcance de la invención que se
muestra con fines únicamente de referencia;
La figura 10 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC, que comprende una estructura de amortiguación según
otra disposición no incluida en el alcance de la invención que se
muestra con fines únicamente de referencia;
La figura 11 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC, que comprende una estructura de amortiguación
según otra disposición no incluida en el alcance de la invención que
se muestra con fines únicamente de referencia;
La figura 12 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC, que comprende una estructura de amortiguación según
otra disposición no incluida en el alcance de la invención que se
muestra con fines únicamente de referencia;
La figura 13 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC, que comprende una estructura de amortiguación
según otra disposición no incluida en el alcance de la invención que
se muestra con fines únicamente de referencia;
La figura 14 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC de penetración de superficie doble, que comprende
una estructura de amortiguación según una realización de la
invención;
La figura 15 es una vista en corte en
perspectiva del dispositivo WEC de la figura 14;
La figura 16 es una vista en corte en
perspectiva de un dispositivo WEC, que comprende una estructura de
amortiguación según una realización de la invención;
La figura 17 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC, que comprende una estructura de amortiguación según
otra realización de la invención;
La figura 18 es una vista en perspectiva de un
dispositivo WEC, que comprende una estructura de amortiguación según
una realización de la invención; y
La figura 19 es un gráfico que muestra la
tensión en función de la deformación para órganos de amortiguación
que tienen una respuesta de tensión-deformación no
lineal, reversible y compuesta.
En las figuras 2 a 4 de los dibujos se muestra
un dispositivo WEC 1 del tipo absorbedor puntual, que comprende una
estructura de amortiguación 2. Este tipo de dispositivo WEC absorbe
energía producida por el movimiento vertical de la superficie del
océano durante estados de oleaje, es decir altura variable de la
columna de agua en la ubicación del dispositivo. La estructura de la
presente invención es igualmente aplicable a otros tipos de
dispositivo WEC.
El dispositivo 1 comprende un órgano absorbedor
móvil o flotador 3 y un primer órgano fijo 4. El primer órgano fijo
4 puede estar anclado o amarrado al lecho marino o simplemente ser
suficientemente pesado para proporcionar una inercia inherente que
impida un movimiento importante del mismo en respuesta al movimiento
de las olas, como por ejemplo un lastre flotante. Durante el uso, el
primer órgano fijo 4 está sumergido bajo la superficie del océano.
La flotabilidad del órgano móvil 3 se elige de modo que éste flote
sobre o cerca de la superficie del océano. Entre el órgano móvil 3 y
el órgano fijo 4 está previsto un enlace o acoplamiento 5. El enlace
5 comprende un dispositivo de toma de fuerza para convertir el
movimiento relativo entre el órgano móvil 3 y el órgano fijo 4 en
energía eléctrica. El dispositivo de toma de fuerza puede ser, por
ejemplo, un generador eléctrico lineal.
La estructura de amortiguación 2 comprende un
segundo órgano fijo 6 y un órgano de amortiguación 7. El segundo
órgano fijo 6 es un anillo exterior esencialmente rígido dispuesto
de forma esencialmente concéntrica alrededor del flotador 3 del
dispositivo 1. El órgano de amortiguación 7 comprende una pluralidad
de muelles 8 que presentan un comportamiento de tensión en función
de deformación reversible y no lineal, o que no sigue la ley de
Hook, dispuestos entre el flotador 3 y el anillo 6.
Durante el uso, el dispositivo está dispuesto de
tal modo que el órgano fijo o lastre 4 queda sumergido bajo la
superficie del océano. El órgano móvil 3 está dispuesto de tal
manera que flota sobre o cerca de la superficie del océano. Al
aproximarse una ola oceánica 10 al dispositivo 1, la flotabilidad
del órgano móvil hace que éste se mueva hacia arriba con la
superficie del océano. El primer órgano fijo 4 es resistente al
movimiento de las olas y por lo tanto permanece esencialmente
inmóvil. El órgano móvil 3 se mueve por tanto en relación con el
primer órgano fijo 4. El dispositivo de toma de fuerza convierte
este movimiento relativo en energía eléctrica. Al rebasar la ola 10
el dispositivo 1, el órgano móvil 3 se mueve hacia abajo en relación
con el primer órgano fijo 4. El dispositivo de toma de fuerza
convierte también este movimiento relativo en energía eléctrica.
En cada caso, el movimiento del órgano móvil 3
ejerce una fuerza sobre la estructura de amortiguación 2. El anillo
6 es resistente al movimiento de las olas y, por lo tanto, permanece
esencialmente inmóvil. Cuando una ola 10 pasa por el dispositivo 1,
el movimiento ascendente del flotador 3 ejerce una fuerza vertical
hacia arriba Fu sobre los muelles 8 del órgano de amortiguación 7,
como se muestra en la figura 5. El movimiento hacia adelante de la
ola ejerce también una fuerza de deriva lateral FR sobre el
dispositivo WEC. En respuesta a una ola extrema, los muelles 8 del
órgano de amortiguación 7 ejercen una fuerza antagonista de
amortiguación Fe sobre el flotador 3. La fuerza antagonista de
amortiguación comprende una componente vertical Fc, Y y una
componente horizontal Fc, x. La componente vertical de la fuerza
antagonista contrarresta la fuerza vertical hacia arriba Fu,
mientras que la componente horizontal de la fuerza antagonista
contrarresta la fuerza de deriva lateral aplicada por la ola.
La fuerza antagonista de amortiguación aumenta
de forma no lineal con respecto tanto a la fuerza aplicada como al
grado de cambio de la fuerza aplicada. Con olas normales, la fuerza
antagonista de amortiguación es muy pequeña, como se muestra en la
figura 6b, y el movimiento del flotador 3 en respuesta a la ola no
se ve afectado en esencia. Sin embargo, si la fuerza aplicada (o el
grado de cambio de la fuerza aplicada) sobrepasa un umbral, por
ejemplo en el caso de una ola extrema, la fuerza antagonista de
amortiguación es mucho mayor, como se muestra en las figuras 6a y
6c, impidiendo así un movimiento extremo del flotador 3. La
respuesta de tensión-deformación no lineal de los
muelles 8 se elige de modo que el umbral se alcance para las olas
que presenten un tamaño y una velocidad que de lo contrario
causarían probablemente la rotura del dispositivo 1. La aplicación
de una fuerza antagonista de amortiguación apropiada impide así la
rotura del enlace 5 entre el flotador 3 y el primer órgano fijo
4.
La estructura de amortiguación 2 permite también
una captura de energía más eficaz, dado que el órgano de
amortiguación 7 es capaz de reaccionar a los componentes de
frecuencia elevada de las olas incidentes, permitiendo así al
dispositivo WEC capturar energía de los componentes de frecuencia
elevada de las olas. El órgano de amortiguación 7 funciona como un
dispositivo de almacenamiento de energía, que almacena temporalmente
la energía capturada de las olas y la realimenta al sistema de toma
de fuerza del dispositivo WEC 1.
Además, dado que el órgano de amortiguación 7
aplica fuerzas antagonistas que tienen componentes tanto laterales
como verticales, actúa automáticamente para enderezar el órgano
móvil 3. Esto impide al dispositivo WEC 1 permanecer en una posición
u orientación ladeada en el océano, manteniendo así una orientación
óptima con respecto a las olas. Esto reduce el riesgo de que el
sistema de acoplamiento 5 del dispositivo WEC 1 sufra daños causados
por una tensión producida por diferencias angulares entre el órgano
móvil 3 y los órganos fijos 4 del dispositivo WEC.
Como se muestra en la figura 7, es posible
interconectar varios dispositivos WEC, que comprenden estructuras de
amortiguación como las arriba descritas, para formar una estructura
a modo de balsa. Los dispositivos WEC pueden estar interconectados
por medio de órganos fijos, que pueden ser rígidos. Como
alternativa, los dispositivos WEC pueden estar interconectados por
medio de órganos de amortiguación.
En la figura 8 de los dibujos se muestra un
dispositivo WEC 91 del tipo absorbedor puntual, que comprende una
estructura de amortiguación 92. El dispositivo 91 comprende un
órgano absorbedor móvil o flotador 93 y un primer órgano fijo 94,
tal y como se describe más arriba con referencia a las figuras 2 a
4. Entre el órgano móvil 93 y el órgano fijo 94 está previsto un
enlace o acoplamiento 95, también tal y como se describe más arriba.
La estructura de amortiguación 92 comprende un segundo órgano fijo
96 y un órgano de amortiguación 97. El segundo órgano fijo 96 es un
anillo exterior esencialmente rígido dispuesto de forma
esencialmente concéntrica alrededor del flotador 93 del dispositivo
91, tal y como se describe más arriba. El órgano de amortiguación 97
comprende una pluralidad de amortiguadores en forma de muelles 98
que presentan un comportamiento de tensión en función de deformación
reversible y no lineal, o que no sigue la ley de Hook, dispuestos
entre el flotador 93 y el anillo 96.
La estructura de amortiguación 92 de la figura 8
proporciona al dispositivo 91 una protección mejorada contra fuerzas
de subida y bajada (verticales). Cuando el dispositivo está en
reposo, el segundo órgano fijo 96 se halla debajo del flotador 93,
de manera que el órgano de amortiguación está dispuesto en un ángulo
agudo con respecto al flotador 93. De este modo, el órgano de
amortiguación puede ejercer una fuerza antagonista mucho mayor en
dirección vertical que en dirección lateral, proporcionando así al
dispositivo una mayor protección contra fuerzas de subida y bajada
excesivas. Los distintos amortiguadores pueden, de forma similar,
estar colocados u orientados para ser aplicados a movimientos
relativos específicos previstos en el dispositivo.
La figura 9 muestra un dispositivo WEC 101 del
tipo absorbedor puntual, que comprende una estructura de
amortiguación 102. El dispositivo 101 comprende un órgano absorbedor
móvil o flotador 103, un primer órgano fijo 104 y un enlace o
acoplamiento 105 entre los mismos, como se muestra en la figura 9.
La estructura de amortiguación 102 comprende un segundo órgano fijo
106 y un órgano de amortiguación 107. El segundo órgano fijo 106 es
un anillo exterior esencialmente rígido dispuesto de forma
esencialmente concéntrica alrededor del flotador 103 del dispositivo
101 y el órgano de amortiguación 107 comprende, como ya se ha
descrito, una pluralidad de amortiguadores 108, como se muestra en
la figura 9.
La estructura de amortiguación 102 de la figura
9 proporciona al dispositivo 101 una protección mayor contra las
fuerzas de cabeceo. Los amortiguadores 108 están dispuestos por
parejas, de tal modo que un muelle de cada pareja está unido a la
parte superior del flotador 103 y el otro está unido a la parte
inferior del flotador 103. Las fuerzas de cabeceo provocan una
rotación del dispositivo alrededor del centro de gravedad (o la
línea de flotación). Las fuerzas de cabeceo producidas por las olas
hacen que el flotador 103 rote sobre este punto. Con el fin de
contrarrestar estas fuerzas, los amortiguadores 108 se utilizan para
aplicar fuerzas antagonistas a cierta distancia del centro de
rotación. Cuanto mayor es la distancia entre el punto de aplicación
de la fuerza antagonista y el centro de rotación, tanto menor es la
fuerza de amortiguación necesaria para contrarrestar el cabeceo.
La figura 10 muestra un dispositivo WEC 111
similar al mostrado en la figura 8. La estructura de amortiguación
112 de la figura 10 proporciona al dispositivo 111 una protección
mayor contra las fuerzas de deriva (laterales). Los amortiguadores
118 están unidos por uno de sus extremos 119 al segundo órgano fijo
116, como en las realizaciones anteriores. Sin embargo, por el otro
extremo 1110 cada muelle 118 se halla en contacto con el flotador
113, pero no está unido fijamente al mismo. En el extremo 1110 del
muelle está previsto un rodillo 1111, de modo que el flotador 113
puede moverse libremente en dirección vertical (es decir
perpendicularmente al muelle), pero el amortiguador ejerce una
fuerza de amortiguación si el flotador se mueve lateralmente (debido
a la deriva). Esta disposición permite a la estructura de
amortiguación funcionar sólo en una única dirección, dejando al
flotador libre para moverse en otras direcciones. También pueden
utilizarse amortiguadores adicionales para controlar el movimiento
en las otras direcciones.
En disposiciones alternativas, el rodillo puede
sustituirse por otro elemento que permita al muelle deslizarse
libremente en una sola dirección.
La figura 11 muestra un dispositivo WEC 121 que
combina las características de las figuras 8 y 10. La estructura de
amortiguación 122 protege al dispositivo 121 contra las fuerzas de
subida y bajada y de deriva excesivas. Esta disposición permite
adaptar independientemente en distintas direcciones las fuerzas
antagonistas ejercidas por la estructura de amortiguación. Esto
hace posible contrarrestar las fuerzas no deseadas o excesivas en
una dirección concreta sin influir en las fuerzas perpendiculares y
con un menor efecto en las fuerzas no perpendiculares. En esta
realización, el dispositivo 121 incluye dos órganos fijos
adicionales en forma de anillos 126a y 126b.
En disposiciones alternativas, ambos órganos
fijos 126a y 126b pueden combinarse en un solo elemento. Como
alternativa, pueden dividirse en múltiples órganos fijos. La
disposición mostrada en la figura 11 puede adaptarse para su uso en
cualquier orientación.
La figura 12 muestra un dispositivo WEC 131 en
el que la estructura de amortiguación 132 protege al dispositivo
contra las fuerzas de deriva y cabeceo excesivas. En esta
disposición, los amortiguadores 138 están dispuestos en parejas como
en la figura 9. Sin embargo, cada amortiguador 108 está provisto de
un rodillo 1311 en uno de sus extremos, para permitir al flotador
moverse libremente en dirección vertical. Así, los amortiguadores
138 se utilizan para controlar las fuerzas de cabeceo y deriva. En
la realización mostrada, tanto el cabeceo como la deriva se
controlan mediante un solo juego de amortiguadores. Sin embargo, las
dos fuerzas podrían controlarse por separado previendo una
estructura de amortiguación intermedia para separar los
amortiguadores de protección contra la deriva y los amortiguadores
de protección contra el cabeceo. Una estructura de amortiguación
exterior tendría un juego de amortiguadores para proteger a la
estructura intermedia contra la deriva (como se muestra en la figura
10, por ejemplo), mientras que la estructura de amortiguación
intermedia comprendería amortiguadores para proteger el flotador (y
así el dispositivo WEC) contra el cabeceo (como se muestra en la
figura 9, por ejemplo).
La figura 13 muestra un dispositivo WEC 141 que
comprende una estructura de amortiguación 142 que protege al
dispositivo contra las fuerzas de subida y bajada excesivas, así
como las fuerzas de cabeceo y deriva combinadas. Las fuerzas de
cabeceo y deriva se controlan juntas como en la figura 12. Están
previstas parejas de amortiguadores separados verticalmente 148a.
Los amortiguadores 148a están unidos por uno de sus extremos 149 al
órgano fijo 146. En el otro extremo 1411 está previsto un rodillo
1410 para permitir a los amortiguadores 148a moverse libremente en
dirección vertical a lo largo del flotador 143. Las fuerzas de
subida y bajada se controlan mediante unos amortiguadores 148b que
están unidos al flotador 143 y al órgano fijo 146.
Las figuras 14 y 15 muestran un dispositivo WEC
de penetración de superficie doble que incorpora una estructura de
amortiguación según la presente invención. La disposición es similar
a la mostrada en la figura 13. El dispositivo 151 comprende un
flotador central 153 y un órgano exterior o "donut" 154. El
flotador 153 y el donut 154 presentan respuestas de frecuencia al
movimiento de las olas distintas, de modo que responden de forma
diferente a las olas que inciden en el dispositivo. Esto provoca un
movimiento relativo entre los componentes, del que puede capturarse
energía. En esta realización, los órganos de amortiguación 158 están
dispuestos entre el flotador 153 y el donut 154 para amortiguar el
movimiento relativo entre los mismos. Los amortiguadores de esta
realización controlan las fuerzas de subida y bajada, deriva y
cabeceo sobre el dispositivo como se ha descrito más arriba con
referencia a la figura 13. Los amortiguadores protegen al
dispositivo contra las fuerzas de cabeceo y deriva que hacen que el
flotador 153 y el donut 154 choquen uno con otro y también controlan
las extensiones de subida y bajada máximas permitidas entre los
componentes.
La figura 16 muestra un dispositivo WEC 171 que
comprende una estructura de amortiguación que protege al dispositivo
contra las fuerzas de deriva excesivas. La estructura de
amortiguación comprende una pluralidad de i amortiguadores 178, de
modo que se reduce la fuerza máxima aplicada a cualquiera de los
mismos. Los amortiguadores 178 están provistos en sus extremos
interiores 1710 de unos rodillos o dispositivos de baja fricción
1711 (y no están unidos fijamente al flotador) para permitir a los
amortiguadores funcionar en modo compresivo.
La figura 17 muestra un dispositivo WEC 181 que
comprende una estructura de amortiguación 182. El dispositivo WEC es
similar al mostrado en las figuras 14 y 15. La estructura comprende
una pluralidad de muelles de mayor longitud, que se han encajado en
el estrecho espacio que queda entre el flotador central 183 y el
donut 184. Esta disposición resulta particularmente útil en los
casos en que se requiera un amortiguador largo para lograr la
respuesta deseada, pero el estrecho espacio entre los elementos del
dispositivo limite la forma en la que puede disponerse el
amortiguador. Esta disposición requerirá normalmente que los
amortiguadores estén dispuestos en parejas para evitar la aplicación
de fuerzas de rotación entre los flotadores 183 y 184.
La figura 18 muestra un dispositivo WEC de
flotación en superficie 211, que comprende dos órganos flotantes 213
y 214 que están diseñados para flotar sobre la superficie del agua.
Los flotadores pueden girar uno en relación con el otro en todas las
direcciones. Las olas que inciden en el dispositivo hacen que cada
flotador cabecee, suba y baje y derive, produciendo un movimiento
relativo entre los mismos. Entre los flotadores, en el punto de
giro, están previstos unos amortiguadores 218 para controlar la
extensión máxima y el grado de extensión entre los flotadores a
controlar. Los amortiguadores pueden ser de tracción o compresivos,
o una mezcla de ambos.
Claims (16)
1. Dispositivo para la conversión de la energía
de las olas (dispositivo WEC: "Wave Energy Conversión") (151;
171; 181; 211), que comprende una estructura de amortiguación que
comprende:
- un primer órgano móvil (153; 183; 213), un segundo órgano móvil (154; 174; 184; 214) y un órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) unido al primer órgano móvil y al segundo órgano móvil,
caracterizado porque el órgano de
amortiguación (158; 178; 188; 218) es pasivo y tiene una respuesta
de tensión-deformación no lineal, reversible y
compuesta, comprendiendo el órgano de amortiguación (158; 178; 188;
218) una pluralidad de elementos y siendo la respuesta compuesta una
combinación de las respuestas de cada uno de los elementos que
integran dicha pluralidad.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) comprende una
pluralidad de componentes de diferente longitud, material o
espesor.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) comprende un
material flexible capaz de deformarse de manera reversible en
respuesta a una fuerza
aplicada.
aplicada.
4. Dispositivo según la reivindicación 3, en el
que el material es un material elástico no lineal.
5. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) comprende un
material de caucho o poliuretano.
6. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) comprende un
material con una pluralidad de filamentos en haz.
7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el
que los filamentos están formados por una pluralidad de materiales
diferentes, de tal modo que el material compuesto resultante tiene
las características de tensión-deformación no
lineales reversibles deseadas.
8. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) comprende una
hoja de material.
9. Dispositivo según la reivindicación 8, en el
que la hoja de material comprende múltiples capas.
10. Dispositivo según la reivindicación 8, en el
que la hoja está perforada.
11. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) comprende un
material compuesto.
12. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) ejerce una
fuerza antagonista nula hasta que la fuerza aplicada o el grado de
la fuerza aplicada sobrepasa un umbral.
13. Dispositivo según la reivindicación 12, en
el que el órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) ejerce una
fuerza antagonista que aumenta rápidamente con el aumento de la
fuerza aplicada por encima del umbral.
14. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que la estructura de amortiguación comprende una pluralidad de
órganos de amortiguación (158; 178; 188; 218) y en el que cada
órgano de amortiguación (158; 178; 188; 218) está dispuesto para
amortiguar el movimiento del dispositivo esencialmente a lo largo de
un solo eje.
15. Dispositivo según la reivindicación 14, en
el que la orientación y/o el diseño de cada órgano de amortiguación
(158; 178; 188; 218) es tal que la estructura de amortiguación
proporciona distintas respuestas de
tensión-deformación a lo largo de distintos
ejes.
16. Dispositivo según la reivindicación 15, en
el que la estructura de amortiguación está adaptada para tener
distintas respuestas a como mínimo una de, y convenientemente a
todas, las fuerzas de subida y bajada (verticales), de cabeceo (de
rotación) y de deriva (laterales).
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