PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE ENERGíAS EÓLICA Y UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCiÓN 5 La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de las energías eólica y undimotriz (energía procedente de las olas oceánicas) a energía eléctrica en instalaciones flotantes a modo de plataformas flotantes ubicadas en el mar. OBJETIVO DE LA INVENCiÓN 10 El objetivo de la presente invención denominada PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE ENERGíAS EÓLICA Y UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA, es la conversión altamente eficiente de las energías eólica y undimotriz a energía eléctrica en base al aprovechamiento de la estructura flotante que hace de soporte tanto del generador eólico como de las instalaciones de conversión de energía undimotriz. 15 ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN En el estado actual de la técnica aplicada a la producción energía eléctrica mediante energía procedente de las olas oceánicas existe desde hace décadas gran variedad de modelos, dada la sencillez constructiva de estos dispositivos. 20 La energía transportada por las olas oceánicas depende de la altura y la frecuencia. Por tanto en aguas profundas en las cuales la profundidad sobrepasa la mitad de la longitud de onda, el flujo de energía definido como potencia viene dado como p = p' g2 . Hmo . T /(64 ·n) ~ 0.5· Hmo . T siendo 25 P, el flujo de energía o potencia la densidad del agua (kg/m3) 30 P, g, la aceleración de la gravedad (m/s2) Hmo, la altura significativa de la ola (m) T, es el período de la ola (s). La potencia específica (potencia por unidad de frente de ola) neta aportada a la red está dada como P =r¡ ·0.5· Hmo ·T (kW/m) donde 1] es la eficiencia total de conversión.
Así, en el caso de oleaje oceánico cuya altura significativa de ola sea de 4 m, con una frecuencia de 7 s bajo una eficiencia de conversión del 50%, la energía proporcionada a red sería aproximadamente P = 1] ·0.5· Hmo . T ~ 0.5 x 0.5 x 42 x 7 = 28 kW/m. Esto 5 supone unos 28 kW por metro de frente de ola, equivalente a 2800 kW por cada 100 metros de longitud de plataforma, lo cual significa una potencia considerable. Entre los documentos de patente de máquinas de conversión de energía undimotriz en energía eléctrica se conoce la solicitud de patente W02010058047-A1 denominada "Dispositivo de transformación de energía undimotriz en energía eléctrica" consiste en 10 un dispositivo de transformación de energía undimotriz en energía eléctrica caracterizado por estar constituido esencialmente por un campo de boyas que son las que por el movimiento de las olas facilitan a un conjunto de ejes y engranajes esta fuerza que se transforma en movimiento notorio de ejes que impulsan los generadores de energía eléctrica. 15 Asimismo, actualmente se conocen diversas estructuras de artefactos marinos que constituyen el soporte de generadores eólicos convencionales ubicados en campos de explotación de vientos oceánicos para la conversión de energía eólica a eléctrica, los cuales en general llevan cerca de un par de décadas en operación con alta eficiencia partiendo de que la calidad del viento es mas alta que en zonas montañosas. 20 La estimación de la potencia de energía eólica susceptible de conversión idealmente se obtiene partiendo de que toda masa de aire m con movimiento uniforme unidireccional a velocidad v va asociada a una energía cinética que definida como E = 0.5 m V = 0.5 Vol. Pa V Siendo Pa es la densidad del aire de la corriente uniforme y Vol. el volumen de la masa 25 m, la energía por unidad de volumen resulta ser: 30 e= 0.5 Pa V entonces, al ser el caudal volumétrico Q a través de una superficie de control estacionaria de sección frontal A igual al producto de la sección transversal o normal a la dirección del viento por la velocidad del mismo v, se tiene: Q =A v resultando que el flujo de energía o potencia eólica de la corriente de viento a través de A vale: P = e Q = 0.5 Pa A V
5 La expresión que define la potencia prueba que existe una alta dependencia de la potencia con la velocidad de orden exponencial al cubo. Del mismo modo permite deducir que operando a nivel del mar, donde la densidad del aire es máxima, con un valor medio de 1,225 kg/m3, se obtienen los mejores resultados. No obstante, en el estado actual de la técnica relacionada con la conversión de energía eólica procedente de los vientos marinos así como la energía undimotriz procedente del oleaje oceánico, no se conocen artefactos flotantes marinos (offshore) habilitados para soportar y operar simultáneamente los dos tipos de generadores 10 (eólicos y undimotrices) en un solo artefacto marino de soporte.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN La PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE ENERGíAS EÓLICA Y UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA consiste en una instalación marina capaz de soportar un generador eólico y un generador undimotriz. Tal instalación marina puede estar diseñada para 5 operar a flote y anclada al lecho marino, cuando opera en aguas profundas (mayor de 100 metros) o estar diseñadas para operar cerca de la costa en donde la profundidad (menor de 100 metros) permite artefactos cuya estructura (no es flotante) y se halla pilotada y empotrada en el lecho marino. En cada uno de ambos tipos de soporte se hallan la instalación eólica de generación y la instalación undimotriz de generación, 10 ambas constituidas por tecnologías convencionales. DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS En esta sección se describen a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes esenciales que constituyen la PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE 15 ENERGíAS EÓLICA Y UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA para facilitar la comprensión de la invención en donde se hace referencia a las siguientes figuras: Figura 1. PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE ENERGíAS EÓLICA Y UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA flotante y anclada al lecho marino constituida por los 20 siguientes componentes fundamentales: 1. torre de soporte flotante de los generadores eólico y undimotriz 3. góndola 4. turbina eólica 5. generador undimotriz 25 6. superficie marina 7. anclajes de la torre flotante 8. lecho marino 9. compartimiento de lastre de la torre de soporte flotante (1) 30 Figura 2. PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE ENERGíAS EÓLICA Y UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA pilotada y empotrada en el lecho marino constituida por los siguientes componentes: 2. torre de soporte pilotada de los generadores eólico y undimotriz 3. góndola 35 4. turbina eólica
5. generador undimotriz 6. superficie marina 8. lecho marino DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN La PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE ENERGíA EÓLICA Y ENERGíA UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA, convierte las energías eólica y undimotriz a energía eléctrica mediante un generador eólico y un generador undimotriz ubicados en la misma torre. La PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE ENERGíAS EÓLICA Y UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA está soportada por uno de los dos tipos de torre y se describe en las secciones, (a), y (b), en donde la sección (a) describe la torre de soporte flotante (1), y la sección (b) describe la torre de soporte pilotada y empotrada al lecho marino (2). (a) La torre de soporte flotante (1), está constituida por los siguientes elementos fundamentales con referencia a la figura 1: -la torre de soporte flotante de los generadores eólico y undimotriz (1) ubicada en posición vertical y semi-sumergida en el agua hasta la profundidad necesaria para equilibrar su peso con el empuje vertical hacia arriba ejercido por el agua, la cual es responsable de soportar las instalaciones de los dos tipos de generadores: el generador eólico formado por la góndola (3) y la turbina eólica (4) y el generador undimotriz (5) ubicado a nivel del mar (6). -la góndola (3), que realiza la función de alojar el generador eléctrico, el cual se halla acoplado por medio de un eje rígido a la turbina eólica (4) -turbina eólica (4) responsable de convertir la energía eólica a energía mecánica de rotación, así como transferir la energía mecánica al generador eléctrico. -generador undimotriz (5), responsable de convertir la energía undimotriz (energía de las olas marinas) a energía eléctrica vía energía mecánica. -anclajes de la torre de soporte pilotada (7) al lecho marino (8), los cuales son responsables de mantener la torre de soporte flotante en una determinada posición geográfica. -compartimiento de lastre (9) de la torre de soporte flotante (1) el cual es responsable proporcionar la estabilidad vertical de la torre flotante de soporte. (b) La torre de soporte pilotada y empotrada al lecho marino (2) (apoyada y afirmada mediante pilotes) y empotrada en el lecho marino (8), está constituida por los siguientes elementos fundamentales con referencia a la figura 2: -la torre de soporte pilotada (2) de los generadores eólico y undimotriz (2) ubicada en posición vertical y empotrada en el lecho marino (8), la cual es responsable de
soportar las instalaciones de los dos tipos de generadores: el generador eólico formado por la góndola (3) y la turbina eólica (4) y el generador undimotriz (5) ubicado a nivel del mar (6). -la góndola (3), que realiza la función de alojar el generador eléctrico, el cual se halla 5 acoplado por medio de un eje rígido a la turbina eólica (4) 10 -turbina eólica (4) responsable de convertir la energía eólica a energía mecánica de rotación, así como transferir la energía mecánica al generador eléctrico. -generador undimotriz (5), responsable de convertir la energía undimotriz (energía de las olas marinas) a energía eléctrica vía energía mecánica. DESCRIPCiÓN DE LA REALIZACiÓN ES PREFERENTES DE LA INVENCiÓN Las figura 1 y 2 muestran la realización preferente de la PLANTA OFFSHORE DE CONVERSiÓN DE ENERGíAS EÓLICA Y UNDIMOTRIZ A ELÉCTRICA la cual puede ser implementada bajo dos modelos de la torre de soporte: -torre de soporte flotante (1), está constituida por los siguientes elementos fundamentales con referencia a la figura 1 -torre de soporte pilotada (2) (apoyada y afirmada mediante pilotes) y empotrada en el lecho marino (8) según la figura 2.
OFFSHORE PLANT FOR CONVERSION OF WIND ENERGIES AND UNDIMOTRIZ TO ELECTRICAL FIELD OF THE INVENTION 5 The present invention belongs to the technical field of the conversion of wind and wave energy (energy from ocean waves) to electrical energy in floating installations by way of floating platforms located in the sea. OBJECTIVE OF THE INVENTION 10 The objective of the present invention called OFFSHORE PLANT OF CONVERSION OF WIND ENERGIES AND UNDIMOTRIZ TO ELECTRICAL, is the highly efficient conversion of wind and wave energy to electrical energy based on the use of the floating structure that supports from both the wind generator and the wind power conversion facilities. 15 BACKGROUND OF THE INVENTION In the current state of the art applied to the production of electrical energy by means of energy from ocean waves, there have been decades of great variety of models, given the constructive simplicity of these devices. 20 The energy transported by ocean waves depends on height and frequency. Therefore, in deep waters in which the depth exceeds half the wavelength, the energy flow defined as power is given as p = p 'g2. Hmo T / (64 · n) ~ 0.5 · Hmo. T being 25 P, the energy flow or power density of water (kg / m3) 30 P, g, the acceleration of gravity (m / s2) Hmo, the significant height of the wave (m) T, is the period of the wave (s). The specific power (power per unit of wavefront) contributed to the network is given as P = r¡ · 0.5 · Hmo · T (kW / m) where 1] is the total conversion efficiency.
Thus, in the case of ocean waves whose significant wave height is 4 m, with a frequency of 7 s under a conversion efficiency of 50%, the energy provided to the grid would be approximately P = 1] · 0.5 · Hmo. T ~ 0.5 x 0.5 x 42 x 7 = 28 kW / m. This means about 28 kW per meter of wavefront, equivalent to 2800 kW per 100 meters of platform length, which means considerable power. Among the patent documents of converters of wave energy in electric energy is known the patent application W02010058047-A1 called "Device for the transformation of wave energy into electric energy" consists of a device for transforming wave energy into electrical energy characterized Being essentially constituted by a field of buoys that are the ones that by the movement of the waves provide a set of axes and gears with this force that is transformed into a notorious movement of axes that drive electric power generators. 15 Likewise, various marine artifact structures are currently known that constitute the support of conventional wind generators located in ocean wind exploitation fields for the conversion of wind to electrical energy, which in general have been in operation for about a couple of decades with high efficiency on the basis that the wind quality is higher than in mountainous areas. 20 The estimation of the power of wind energy capable of conversion is ideally obtained on the basis that every mass of air m with uniform unidirectional movement at speed v is associated with a kinetic energy that defined as E = 0.5 m V = 0.5 Vol. Being Pa is the density of the air of the uniform current and Vol. The volume of the mass 25 m, the energy per unit of volume turns out to be: 30 e = 0.5 Pa V then, being the volumetric flow rate Q through a surface of stationary control of frontal section A equal to the product of the cross section or normal to the direction of the wind by the speed of the same v, it is had: Q = A v resulting that the flow of wind power or wind power to through A vale: P = e Q = 0.5 Pa AV
5 The expression that defines the power proves that there is a high dependence on the power with the exponential speed of the cube. In the same way it allows to deduce that operating at sea level, where the air density is maximum, with an average value of 1,225 kg / m3, the best results are obtained. However, in the current state of the art related to the conversion of wind energy from marine winds as well as wave energy from ocean waves, there are no known offshore floating marine artifacts enabled to simultaneously support and operate the two types of 10 generators (wind and wave) in a single marine support device.
BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The OFFSHORE PLANT FOR CONVERSION OF WIND ENERGIES AND UNDIMOTRIZ A ELECTRICAL consists of a marine installation capable of supporting a wind generator and a wave generator. Such a marine installation may be designed to operate afloat and anchored to the seabed, when operating in deep water (greater than 100 meters) or be designed to operate near the coast where the depth (less than 100 meters) allows artifacts whose structure (not floating) and is piloted and embedded in the seabed. In each of both types of support are the wind power generation plant and the wave wind turbine installation, 10 both consisting of conventional technologies. DESCRIPTION OF THE FIGURES This section describes, by way of illustration and not limitation, the essential components that constitute the OFFSHORE CONVERSION PLANT OF 15 WIND ENERGIES AND ELECTRICAL UNDIMOTRIZ to facilitate the understanding of the invention where reference is made to the following figures : Figure 1. OFFSHORE PLANT OF CONVERSION OF WIND ENERGIES AND UNDIMOTRIZ TO ELECTRICAL floating and anchored to the seabed constituted by the following 20 fundamental components: 1. floating support tower of wind and wave generators 3. gondola 4. wind turbine 5. wave generator 25 6. marine surface 7. floating tower anchors 8. seabed 9. ballast compartment of the floating support tower (1) 30 Figure 2. OFFSHORE PLANT OF WINDED AND UNDIMOTRATED POWER CONVERSION on the seabed consisting of the following components: 2. Piloted support tower of wind generators and wind turbine 3. gondola 35 4. wind turbine
5. wave generator 6. sea surface 8. seabed DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The OFFSHORE PLANT FOR CONVERSION OF WIND ENERGY AND UNDIMOTIVE ENERGY TO ELECTRICAL, converts wind and wave energy to electrical energy by means of a wind generator and a wave generator located in The same tower. The OFFSHORE PLANT OF CONVERSION OF WIND ENERGIES AND UNDIMOTRIZ TO ELECTRICAL is supported by one of the two types of tower and is described in sections, (a), and (b), where section (a) describes the support tower floating (1), and section (b) describes the support tower piloted and embedded in the seabed (2). (a) The floating support tower (1), is constituted by the following fundamental elements with reference to figure 1: -the floating support tower of the wind and wave generators (1) located in a vertical and semi-submerged position in the water to the depth necessary to balance its weight with the vertical upward thrust exerted by the water, which is responsible for supporting the installations of the two types of generators: the wind generator formed by the gondola (3) and the wind turbine (4) and the wave generator (5) located at sea level (6). -the gondola (3), which performs the function of housing the electric generator, which is coupled by means of a rigid shaft to the wind turbine (4) - wind turbine (4) responsible for converting wind energy to mechanical energy of rotation, as well as transfer the mechanical energy to the electric generator. - wave generator (5), responsible for converting wave energy (sea wave energy) to electrical energy via mechanical energy. - Anchors from the piloted support tower (7) to the seabed (8), which are responsible for maintaining the floating support tower in a certain geographical position. - Ballast compartment (9) of the floating support tower (1) which is responsible for providing the vertical stability of the floating support tower. (b) The support tower piloted and embedded in the seabed (2) (supported and affirmed by piles) and embedded in the seabed (8), consists of the following fundamental elements with reference to Figure 2: -the tower of piloted support (2) of the wind and wave generators (2) located vertically and embedded in the seabed (8), which is responsible for
support the facilities of the two types of generators: the wind generator formed by the gondola (3) and the wind turbine (4) and the wave generator (5) located at sea level (6). -the gondola (3), which performs the function of housing the electric generator, which is coupled by means of a rigid shaft to the wind turbine (4) 10-wind turbine (4) responsible for converting wind energy to Rotational mechanical energy, as well as transferring mechanical energy to the electric generator. - wave generator (5), responsible for converting wave energy (sea wave energy) to electrical energy via mechanical energy. DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT IS PREFERRED TO THE INVENTION Figures 1 and 2 show the preferred embodiment of the OFFSHORE PLANT FOR WIND ENERGY CONVERSION AND UNDIMOTRIZ A ELECTRICAL, which can be implemented under two models of the support tower: - floating support tower (1), it is constituted by the following fundamental elements with reference to figure 1 - pilot-supported support (2) (supported and affirmed by piles) and embedded in the seabed (8) according to figure 2.