ES2594864B1

ES2594864B1 - Device for the generation of electrical energy by controlled sinking in aquatic environment

Info

Publication number: ES2594864B1
Application number: ES201530887A
Authority: ES
Inventors: Theo Hernando Olmo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2035-06-22
Also published as: ES2594864A1

Abstract

Dispositivo para la generación de energía eléctrica mediante hundimiento controlado en medio acuático. La invención consiste en un "módulo" o unidad generadora (FIG.1) que se compone preferentemente por una estructura flotante (7 y 8), con dos boyas sumergibles (1) interconectadas por una cadena o cable (2) que, al hundirse por gravedad una de ellas, genera un movimiento giratorio en una rueda y un eje de giro (3) que hacen girar el rotor de un generador eléctrico (5), pasando previamente por un sistema de control del sentido y velocidad de la rotación (4). Con esta invención, se podrá generar electricidad de forma limpia y económica, constante y totalmente controlable, sin la variabilidad que presentan otras fuentes de energías renovables.Device for the generation of electrical energy by controlled sinking in aquatic environment. The invention consists of a "module" or generating unit (FIG. 1) that is preferably composed of a floating structure (7 and 8), with two submersible buoys (1) interconnected by a chain or cable (2) that, when sinking by gravity one of them, generates a rotating movement in a wheel and a rotation axis (3) that rotate the rotor of an electric generator (5), previously passing through a system of control of the direction and speed of rotation (4 ). With this invention, electricity can be generated in a clean and economical, constant and fully controllable way, without the variability of other renewable energy sources.

Description

DESCRIPCIÓN DESCRIPTION

Dispositivo para la generación de energía eléctrica mediante hundimiento controlado en medio acuático. Device for the generation of electrical energy by controlled sinking in aquatic environment.

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Sector de la técnica. Technical sector

Generación de energía a través de fuentes de energías renovables en medio marino. Power generation through renewable energy sources in the marine environment.

Uno de los principales problemas que presentan las denominadas “energías renovables” es su variabilidad en la generación energética, al depender de fuerzas naturales no controlables como el viento, el sol o las olas, que en muchas ocasiones sirven de inconvenientes para su 10 conexión directa a las redes de transmisión de la electricidad o a la generación de energía en horas del día con bajo consumo energético. One of the main problems presented by the so-called “renewable energies” is its variability in energy generation, as it depends on uncontrollable natural forces such as wind, sun or waves, which often serve as inconveniences for its direct connection. to the electricity transmission networks or to the generation of energy in hours of the day with low energy consumption.

Estado de la técnica. Antecedentes de la invención. State of the art Background of the invention.

En el caso de la generación de energía en el mar, la mayor parte de los sistemas desarrollados 15 se basan en la fuerza undimotriz (olas) o en el aprovechamiento del movimiento generado por las mareas o las corrientes. Estos sistemas son igualmente incontrolables, presentando la misma variabilidad que los dispositivos desarrollados en tierra. In the case of the generation of energy at sea, most of the systems developed 15 are based on wave force (waves) or on the use of movement generated by tides or currents. These systems are equally uncontrollable, presenting the same variability as the devices developed on the ground.

Se han encontrado sistemas para el aprovechamiento de la presión en profundidad y sistemas 20 en flotación estáticos que aprovechan la variación en altura por las mareas, pero no se han encontrado referencias de sistemas basados en la generación de movimiento mediante caída por hundimiento tal y como se desarrolla en esta invención. Systems have been found to take advantage of the pressure in depth and systems 20 in static flotation that take advantage of the variation in height by the tides, but we have not found references of systems based on the generation of movement by sinking fall as it is develops in this invention.

El concepto más importante de la presente invención es su nula variabilidad así como su alto 25 grado de control mediante el hundimiento controlado, pudiendo gestionar la velocidad de hundimiento, profundidad de hundimiento, etc. que hacen que este sistema de generación energética sea totalmente automatizable y manejable, asemejándose a la energía hidráulica (presas), pero, en este caso, sin afectar al medio ambiente en ningún aspecto. The most important concept of the present invention is its zero variability as well as its high degree of control by controlled sinking, being able to manage the sinking speed, sinking depth, etc. that make this power generation system fully automated and manageable, resembling hydraulic energy (dams), but, in this case, without affecting the environment in any way.

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Otro aspecto clave es la mínima inversión en elementos auxiliares para la generación de movimiento. En un molino eólico, la mayor parte de la inversión se destina en elementos que de por sí no generan energía, como el suelo, la cimentación, las torres y las complicadísimas labores de instalación y mantenimiento debido a las enormes alturas que alcanzan estos sistemas. 35 Another key aspect is the minimum investment in auxiliary elements for the generation of movement. In a windmill, most of the investment goes to elements that do not generate energy, such as soil, foundations, towers and the very complicated installation and maintenance due to the enormous heights that these systems reach. 35

En el caso de esta invención, cada elemento generador o módulo puede unirse a varios (6-8-10, etc.) aprovechando una misma infraestructura (una única cimentación y un módulo central o de control para varios módulos generadores), reduciendo significativamente la inversión necesaria y la superficie ocupada. 5 In the case of this invention, each generating element or module can be joined to several (6-8-10, etc.) taking advantage of the same infrastructure (a single foundation and a central or control module for several generating modules), significantly reducing the necessary investment and the occupied surface. 5

Explicación de la invención. Explanation of the invention.

Objeto de la invención. Object of the invention.

La invención persigue la generación energética de forma constante, controlada, económica, 10 limpia y sostenible aprovechando una fuerza de la Naturaleza totalmente constante las 24 horas del día y los 365 días del año, la gravedad. The invention pursues the generation of energy in a constant, controlled, economical, clean and sustainable way, taking advantage of a force of Nature totally constant 24 hours a day and 365 days a year, gravity.

Partiendo de esta idea, era necesaria la búsqueda de sistemas adaptados al medio marino ya que es en éste donde se pueden aprovechar la fuerza gravitatoria descendente y también la fuerza de flotación ascendente, que permite regresar a un punto inicial del ciclo productivo a los 15 dispositivos generadores del movimiento denominadas “boyas sumergibles”. Based on this idea, the search for systems adapted to the marine environment was necessary since it is in this one where the descending gravitational force and the ascending flotation force can be used, which allows the return to an initial point of the productive cycle to the 15 devices movement generators called "submersible buoys".

El movimiento rotatorio se consigue a través del hundimiento controlado a medias-grandes profundidades de estos dispositivos interconectados por un cable o cadena. Rotational movement is achieved through controlled subsidence at medium-great depths of these devices interconnected by a cable or chain.

En Canarias, como en otras muchas zonas del planeta, a muy pocos kilómetros de la costa hay una gran profundidad marina (superior a los 1.500 metros) debido a la falta de plataforma 20 continental. Esta gran profundidad permite incrementar el tiempo de hundimiento de cada boya sumergible haciendo más largos los ciclos de generación energética. In the Canary Islands, as in many other areas of the planet, a few kilometers from the coast there is a great marine depth (greater than 1,500 meters) due to the lack of continental shelf 20. This great depth allows the sinking time of each submersible buoy to be increased, making the energy generation cycles longer.

La invención consiste en dos boyas sumergibles interconectadas por un cable o cadena, dotadas con un sistema para su llenado de agua y caída por gravedad a gran profundidad y un sistema para la expulsión del agua y su llenado con aire. De esta forma, al descender una de 25 las boyas (llena de agua y por tanto con mayor peso) la otra subirá (llena de aire), haciendo girar un mecanismo de ruedas y piñones para hacer girar el rotor de un generador. The invention consists of two submersible buoys interconnected by a cable or chain, equipped with a system for its filling of water and fall by gravity to great depth and a system for the expulsion of water and its filling with air. In this way, when one of 25 drops down the buoys (filled with water and therefore with greater weight) the other will rise (filled with air), rotating a mechanism of wheels and pinions to rotate the rotor of a generator.

Para que el rotor del generador siempre gire en el mismo sentido, se han ideado unos sistemas de engranajes que, con el movimiento descendiente de una de las dos boyas sumergibles, hacen que el sistema siga girando en el mismo sentido que con la otra de las boyas, cuyo giro 30 es transmitido directamente al rotor. So that the generator rotor always rotates in the same direction, some gear systems have been devised that, with the downward movement of one of the two submersible buoys, cause the system to continue rotating in the same direction as with the other buoys, whose turn 30 is transmitted directly to the rotor.

Se puede definir como “módulo” a la unidad compuesta por dos boyas sumergibles interconectadas, un sistema de piñones y engranajes y un generador. Este módulo tendrá una superficie estructural (estructura-suelo) sobre la que se colocarán todos los elementos y una superficie de flotación dotada de módulos flotantes que mantendrá todo el conjunto sobre la 35 superficie del agua. Las boyas quedarán a ambos lados del módulo. The unit consisting of two interconnected submersible buoys, a pinion and gear system and a generator can be defined as a “module”. This module will have a structural surface (structure-floor) on which all the elements will be placed and a floating surface equipped with floating modules that will keep the whole assembly on the surface of the water. The buoys will be on both sides of the module.

Para proteger a todos los sistemas de generación de las inclemencias del tiempo y de la influencia de la sal marina, se podrá colocar una estructura, fija o telescópica a modo de cerramiento. In order to protect all generation systems from the weather and the influence of sea salt, a fixed or telescopic structure may be placed as an enclosure.

De forma que la instalación sea lo más eficiente y económicamente viable posible, se ha ideado una disposición de varios módulos, conectados a un “centro de control” donde se 5 ubicarán los sistemas de anclaje al fondo, control de deriva, regulación de la producción eléctrica y conexión hasta tierra de la energía generada. Así, podrán instalarse varios módulos, preferentemente en números pares, en una única instalación. So that the installation is as efficient and economically viable as possible, an arrangement of several modules has been devised, connected to a “control center” where the bottom anchoring systems, drift control, production regulation will be located electrical and ground connection of the generated energy. Thus, several modules can be installed, preferably in even numbers, in a single installation.

Descripción de las figuras adjuntas. 10 Description of the attached figures. 10

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo 15 siguiente: To complete the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization thereof, a set of figures is attached as an integral part of said description. where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

 Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva del conjunto de componentes denominado “módulo”.  Figure 1.- Shows a perspective view of the set of components called “module”.

 Figura 2.- Muestra una vista frontal de un módulo en el que se observan las dos boyas sumergibles, una en posición de llenado de agua (descenso) y la otra en posición de 20 llenado de aire (ascenso) y sus componentes exteriores.  Figure 2.- It shows a front view of a module in which the two submersible buoys are observed, one in the position of water filling (descent) and the other in the position of 20 filling of air (ascent) and its external components.

 Figura 3.- Muestra una vista frontal de una boya sumergible en posición de llenado de agua, para su descenso por hundimiento, con un corte longitudinal en la carcasa para observar los detalles interiores.  Figure 3.- It shows a front view of a submersible buoy in the water filling position, for its descent by sinking, with a longitudinal cut in the housing to observe the interior details.

 Figura 4.- Muestra una vista frontal de una boya sumergible en posición de llenado de 25 aire, para su ascenso, con un corte longitudinal en la carcasa para observar los detalles interiores.  Figure 4.- It shows a frontal view of a submersible buoy in the position of filling of 25 air, for its ascent, with a longitudinal cut in the housing to observe the interior details.

 Figura 5.- Muestra una sección en perspectiva del módulo con los componentes de giro, la caja de engranajes y la salida hacia el rotor del generador.  Figure 5.- Shows a perspective section of the module with the turning components, the gearbox and the output to the generator rotor.

 Figura 6.- Muestra una vista en perspectiva de la caja de engranajes, la palanca de 30 cambio de sentido del giro y otros componentes exteriores.  Figure 6.- Shows a perspective view of the gearbox, the direction of rotation shift lever and other external components.

 Figura 7.- Muestra una vista en perspectiva de todos los componentes del sistema de transmisión, los engranajes y piñones.  Figure 7.- Shows a perspective view of all the components of the transmission system, the gears and pinions.

 Figura 8.- Muestra una vista en perspectiva de todos los componentes del sistema de transmisión, los engranajes y piñones en la posición de giro para una de las boyas. 35  Figure 8.- Shows a perspective view of all the components of the transmission system, the gears and pinions in the turning position for one of the buoys. 35

 Figura 9.- Muestra una vista en perspectiva de todos los componentes del sistema de transmisión, los engranajes y piñones en la posición de giro para la otra de las boyas, manteniendo el mismo sentido del giro en el rotor.  Figure 9.- Shows a perspective view of all the components of the transmission system, the gears and pinions in the turning position for the other of the buoys, maintaining the same direction of rotation in the rotor.

 Figura 10.- Muestra una vista en perspectiva de un módulo completo con una cubierta de protección. 5  Figure 10.- Shows a perspective view of a complete module with a protective cover. 5

 Figura 11.- Muestra una vista cenital un conjunto de módulos instalados en una sola instalación con un centro de control central.  Figure 11.- It shows an overhead view of a set of modules installed in a single installation with a central control center.

Realización preferente de la invención. 10 Preferred embodiment of the invention. 10

A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen a continuación. In view of the aforementioned figures, and in accordance with the numbering adopted, an example of a preferred embodiment of the invention can be observed therein, which comprises the parts and elements indicated and described below.

La invención constará según figuras 1 y 2, preferentemente, de dos boyas sumergibles (1) 15 dotadas son sistema para el llenado de agua-aire, interconectadas por un cable o cadena (2) por lo que cuando una de las boyas se desciende al hundirse la otra asciende a la superficie. Este movimiento de caída hace girar una rueda (3) y un eje de giro primario. Una caja con piñones y engranajes (4) servirá para transmitir el movimiento y conservar el mismo sentido del giro hacia el rotor de un generador (5). Para el llenado de aire de la boya se dispondrán de 20 unos compresores de aire en un habitáculo (6) y unos tubos (9) conectados a las boyas sumergibles. Todos los componentes se instalarán sobre una superficie (7) dotada de elementos de flotación (8) que mantienen toda la estructura denominada “módulo” sobre el agua. The invention will consist according to figures 1 and 2, preferably, of two submersible buoys (1) 15 equipped with a system for filling water-air, interconnected by a cable or chain (2) so that when one of the buoys descends to the sinking the other rises to the surface. This fall movement rotates a wheel (3) and a primary axis of rotation. A box with pinions and gears (4) will serve to transmit the movement and preserve the same direction of rotation towards the rotor of a generator (5). For air filling of the buoy, 20 air compressors will be available in a passenger compartment (6) and tubes (9) connected to the submersible buoys. All components will be installed on a surface (7) equipped with flotation elements (8) that maintain the entire structure called “module” on water.

Las boyas sumergibles (1) cuentan con una carcasa (13) en forma de píldora, según figuras 3 y 25 4, con una apertura inferior (15) por donde entrará y saldrá el agua. Un pistón dotado con una cabeza (10) un pistón extensible (12 y 19) y un disco interno (20) permitirá la entrada de agua o la expulsará permitiendo el llenado de aire de la carcasa, con un funcionamiento similar al de una jeringuilla. En la posición de la FIG.3 la carcasa estará llena de agua. Esta posición la mantendrá gracias a unos pernos (21), a modo de cerradura, que fijarán el disco interior (20) en 30 esta posición. La boya se hundirá por su propio peso. Para estabilizar el movimiento de caída y ascenso la carcasa dispone de unas aletas laterales (14). Una vez en el fondo, al final de su recorrido descendente, los pernos (21) girarán sobre su eje por un impulso eléctrico o mecánico, liberando el disco interior (20). La cabeza del pistón (10), al estar sometida a la presión del agua y por el propio peso del disco interior (20), descenderá por gravedad 35 extendiendo el pistón (19) hasta la posición de la FIG. 4. El disco interior (20) expulsará el agua contenida en la carcasa por la apertura inferior (15). El resto de la carcasa se habrá llenado de The submersible buoys (1) have a casing (13) in the form of a pill, according to figures 3 and 25 4, with a lower opening (15) where the water will enter and exit. A piston provided with a head (10), an extensible piston (12 and 19) and an internal disk (20) will allow water to enter or expel it, allowing the filling of air from the housing, with a similar operation to that of a syringe. In the position of FIG. 3 the housing will be full of water. This position will be maintained by bolts (21), as a lock, which will fix the inner disk (20) in this position. The buoy will sink by its own weight. To stabilize the movement of fall and ascent the housing has some lateral fins (14). Once at the bottom, at the end of its downward travel, the bolts (21) will rotate on its axis by an electrical or mechanical impulse, releasing the inner disk (20). The piston head (10), being subjected to water pressure and the weight of the inner disk (20), will descend by gravity 35 extending the piston (19) to the position of FIG. 4. The inner disk (20) will expel the water contained in the housing through the lower opening (15). The rest of the housing will be filled with

aire, cuya entrada (17) se encuentra en la parte superior de la carcasa, donde se conectarán los tubos de aire (9) desde la superficie. Por esta conexión (17) también entrarán los cables de accionamiento de los pernos (21) y de los motores enrolladores (16). La boya en esta posición pesará menos que la otra boya, llena de agua, y será arrastrada hacia la superficie por el hundimiento de la otra. Una vez en la superficie, el pistón deberá volver a la posición de la 5 figura 3 para su llenado de agua. Para ello, el disco interior está conectado mediante cables a unos pequeños motores enrolladores (16) que al enrollar los cables tirarán del disco hacia arriba hasta devolverlo a su posición, donde los pernos (21) volverán a fijarlo. En su recorrido hasta la posición de la figura 3, la carcasa volverá a llenarse de agua. Para el amarre de la cadena la carcasa dispone de unos amares laterales (18) donde se conecta una barra en forma 10 de asa (11) que será donde se enganchará la cadena (2). Según la figura 5, como forma de protección, la superficie flotante dispondrá de unas estructuras de tope para las boyas (24) limitando una excesiva o brusca salida del agua de las boyas. air, whose inlet (17) is located in the upper part of the housing, where the air pipes (9) will be connected from the surface. The connection cables of the bolts (21) and the winding motors (16) will also enter through this connection (17). The buoy in this position will weigh less than the other buoy, filled with water, and will be dragged to the surface by the sinking of the other. Once on the surface, the piston should return to the position of Figure 3 for its water filling. To do this, the inner disk is connected by cables to small winding motors (16) which, when winding the cables, will pull the disk up until it returns to its position, where the bolts (21) will fix it again. On its way to the position of figure 3, the housing will be filled with water again. To tie the chain, the carcass has side loops (18) where a handle-shaped bar 10 (11) is connected, which will be where the chain (2) will be attached. According to Figure 5, as a form of protection, the floating surface will have a stop structure for the buoys (24) limiting an excessive or abrupt exit of the water from the buoys.

La cadena (2) hará girar un disco o rueda (3) y su eje de giro (25) o eje primario de transmisión. Antes de hacer girar el rotor del generador (23) pasará por sistema de engranajes ubicados 15 dentro de una caja de piñones (4). The chain (2) will spin a disc or wheel (3) and its axis of rotation (25) or primary transmission axis. Before rotating the generator rotor (23), it will pass through a gear system located 15 inside a pinion box (4).

De acuerdo a las figuras 6 a 9, el eje primario (25) tendrá un disco de freno (26) para regular la velocidad o realizar una parada con seguridad. Este eje (25) tendrá dos piñones (27 y 28). Cada boya genera un giro hacia un sentido, por lo que para que el giro del rotor (23) siempre sea en el mismo sentido se ha dispuesto de un eje de cambio (31) con dos piñones (29 y 30). 20 Este eje de cambio cuenta con una palanca que efectúa un movimiento horizontal desplazando los piñones gracias a un pistón (22). Por tanto, este eje tendrá dos posiciones o cambios; una posición en la que se engranan los piñones 28-29 y 33, y otra donde se engranan los piñones 27-30-32 y 34. El piñón 32 sirve para cambiar el sentido del giro en esta última posición, por lo que el sentido del giro resultante será siempre el mismo. 25 According to figures 6 to 9, the primary shaft (25) will have a brake disc (26) to regulate the speed or make a safe stop. This shaft (25) will have two pinions (27 and 28). Each buoy generates a turn in one direction, so that the rotation of the rotor (23) is always in the same direction has a change axis (31) with two pinions (29 and 30). 20 This gear shaft has a lever that makes a horizontal movement by moving the pinions thanks to a piston (22). Therefore, this axis will have two positions or changes; one position in which the pinions 28-29 and 33 are engaged, and another where the pinions 27-30-32 and 34 are engaged. The pinion 32 serves to change the direction of rotation in this last position, so that the direction The resulting turn will always be the same. 25

Para proteger de las inclemencias del tiempo y de la acción de la sal marina a los componentes ubicados sobre la estructura flotante (7) se colocará una cubierta, fija o telescópica (35), como se muestra en la figura 10. To protect the components located on the floating structure (7) from the weather and the action of sea salt, a fixed or telescopic cover (35) will be placed, as shown in Figure 10.

Podrán instalarse varios módulos generadores en una misma instalación, representados en la figura 11, unidos entre sí por un pantalán (37) o plataforma flotante y conectados a un único 30 centro de control (36) donde se ubicarán los sistemas de anclaje al fondo, control de deriva, regulación de la producción eléctrica y conexión hasta tierra de la energía generada. Several generator modules may be installed in the same installation, represented in figure 11, linked together by a dock (37) or floating platform and connected to a single control center (36) where the anchoring systems will be located at the bottom, drift control, regulation of electrical production and ground connection of the generated energy.

Claims

1st. Device for the generation of electrical energy by means of controlled sinking in an aquatic environment characterized in that each “module” or generating unit (FIG. 1), is preferably composed of a floating structure (7 and 8), with two submersible buoys (1) 5 interconnected by a chain or cable (2) that, when one of them sinks by gravity, generates a rotating movement in a wheel and a rotation axis (3) that rotate the rotor of an electric generator (5), previously passing through a system of control of the direction and speed of the rotation (4) that allow the rotation to take place in the same direction with both buoys, systems of impulsion and conduction of air (6 and 9) and all the necessary accessories for its correct operation .

2nd. Device for generating electrical energy by means of controlled sinking in an aquatic environment, according to claim 1, characterized in that the submersible buoys have a piston (10, 12 and 19) which, like the operation of a syringe, allows the entry of water into the housing (13) when rising, causing its sinking by gravity (FIG. 3), or its exit and partially filled with air, when descending (FIG. 4), so that one buoy will sink when weighing more and the other, when filled with air (at the bottom), it will weigh less and will be dragged more easily to the surface by the other buoy that descends.

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3rd. Device for the generation of electrical energy by means of controlled sinking in aquatic environment according to claims 1 and 2, characterized in that each "module" can be protected by a fixed or telescopic cover (35) from the inclemency of the environment and several "modules" can be installed together in a same facility that will have a control center common to all of them (36) where the anchoring systems at the bottom, 25 drift control, regulation of the electrical production and connection to the ground of the generated energy will be located.