La energía de la olas

BOMBEO EURIPODINAMICO

Ya nos hemos extendido en el tema de aprovechamiento de la energía del oleaje destinado a generar electricidad autónoma en pequeña escala y para aquellos dispositivos que precisamente son de uso marino. La señalización de faros, balizas y boyas son el ejemplo típico. La bocina de una boya ubicada en zonas de densas nieblas, la luz de posición, las señales de radio faros, etc. necesitan electricidad y cuentan con la ventaja para nuestra “Boyita” ( ver pg  del CD2  ) que ya disponen del anclaje fijo  necesario. La charla de hoy esta vinculada a la transformación de la energía de la ola en energía hídrica, una alternativa valida para cuando pretendemos la utilización de electricidad  para uso comunitario pasando de los watios a los megavatios o cuando el destino es simplemente bombeo.

En efecto, nada mas parecido que el movimiento de un flotador a la varilla de un bombeador alternativo, con la diferencia que la carrera del pistón de un molino se puede medir en cm. en tanto que una ola puede superar normalmente los 5 o 6 metros. Imaginemos un cilindro de molino convencional cuya camisa tenga 5 metros en lugar de  0,4 m. y que por otra parte funcione al revés que en el molino, en donde lo que se mueve es el pistón. La camisa la colgamos del flotador y por lo tanto acompañara al movimiento de la ola  colgando de la boya y con el vástago del pistón anclado  en el fondo del mar por medio de una articulación. Por su parte inferior la salida convencional de la varilla con su correspondiente prensaestopas  y una derivación, tal cual lo muestra el esquema adjunto. El extremo de la camisa  unido al flotador de accionamiento que “copia” el movimiento alternativo de las olas. Tal cual ya lo hemos visto, miles de carreras diarias sufrirá la sopapa elevando el agua a traves del caño de salida, a una altura muy superior a la del nivel del mar, según veremos después del razonamiento.

Como ya lo hemos hecho en otras ocasiones, y con el objeto de simplificar el proceso matemático, reemplazamos la forma cicloidal o trocoidal aceptada en la bibiliografia tradicional por un triangulo de superficie equivalente , tal cual puede apreciarse en la nota de pg    titulada La Rompiente . Adoptemos  para el formuleo el sistema MKS ( metro Kilo segundo) Siendo,

 Po = Peso de la ola de ancho unitario ( un metro)

 Vo = Volumen de la Ola de ancho unitario

 h_o  = Altura de la ola

 h_g  = Altura del centro de gravedad de la Ola

 L = Longitud de la Ola = 20 h_o

 D = Densidad del agua 1000 kg / m3

 Po = Vo. d = L. h_o /2. d = 1000.L. h_o / 2=  10.000. h_o²

y la energia potencial sera el peso multiplicado por la altura al centro de gravedad de la ola, ubicado a 3/8 de la altura h_o

Energía Potencial Ola = Ep = Po. h_g  =Po. h_o.3/8

 Ya que el centro de gravedad esta a 3/8 de la altura, resulta ser,

                           Ep(Kg metros) = 3.750 h_o³

                           Ep (Kw hora) = 0,01. h_o³

 y ademas ,como ya es usual expresamos la densidad energetica por unidad de superficie ,  

                                 e_o = 187,5. h_o²

Lo que antecede es la expresión científica de lo que la naturaleza, en sus distintas etapas de transformación, pone a nuestro  alcance en forma inmediata para que agregando ingeniosos dispositivos desarrollados a través de los años, podamos disfrutar de esa energía sin esperar otros 300 millones de años a que los combustibles fósiles puedan volver a reponerse  Vayamos ahora al aspecto utilización de esa energía, volviendo al esquema del comienzo. En su carrera de ascenso el flotador impulsado por la ola, obligara al vástago del pistón  a recorrer la altura de la Ola menos la inmersión que corresponde según hemos visto en “Arquímedes y la boya undimotriz “

En todo momento se cumple que la presión ejercida sobre el flotador multiplicada por la superficie del mismo es igual a la presión del pistón por su Sección

                                     Pf . Sf = Pc .Sc.

de lo cual se desprende que

                                        Pc/Pf  =  Sf/ Sc

y

                                     Pc  = Pf . Sf /Sc 

Que nos dice que la presión del cilindro es igual  a la existente en la base del flotador, multiplicada por la relación  entre la sección del flotador y la del cilindro bombeador. Dado que son valores relativos, da lo mismo expresarlos en Kg/ cm2, atmósferas o metros de columna de agua. Así, si elegimos un cilindro que tenga 10 % de la sección del flotador, la altura de bombeo será 10 veces el valor que se ha sumergido el flotador en el agua.

                         h_e =  h_s . Sf /Sc

                                     

  donde h_e  es la altura de elevación y  h_s   la de inmersion del flotador

El caudal bombeado será  Sc (Sección del cilindro bombeador) por la carrera Lp del pistón, aunque con capacidad de bombear a una altura h_e . A su vez la carrera Lp será la altura de la Ola h_o menos la altura de inmersión del flotador h_s

Ee= Energía de elevación, será el peso del agua bombeada por el cilindro hasta la altura h_e y teóricamente igual a la entregada por la ola en su carrera de arrastre del pistón

Ee= Sc. 1000.  h_e  =π/4  Ф²  .1000 he

Altura de Elevacion (h_e) y Caudal para un flotador de 2mts de Diametro y 0,5 de inmersion- Fuerza Flotador 1570 Kg

Obsérvese que con un cilindrin de 30 mm  la presión en atmósferas puede llegar a 224 Atm  lo que permitiría utilizar circuitos fluido dinámicos independientes, con poca inercia mecánica, tema importante aun no analizado, y también con capacidad de acumulación fluidostatica de dimensiones de menor tamaño que a presión atmosférica.

La elección del diámetro del cilindro bombeador dependerá  de la turbina elegida. Como Potencia es el producto del caudal por la altura, teóricamente expresada  por

       N (Kw)= 9,81.Q (caudal en m3/seg.). H (altura en m).η

En donde η es el rendimiento de la turbina, de 0,7 a 0,9 si las cosas han sido bien hechas, tendremos posibilidades de elegir el tipo de turbina de acuerdo a la combinación de ambas variables, cada una en su campo, imposible de hacer por ejemplo con la mareomotriz.  

Para terminar hemos incluido otras alternativas de vinculación del flotador con el mecanismo bombeador, quizás mas recomendables bajo el punto de vista de instalación y mantenimiento. La explicación del funcionamiento la hemos efectuado con este sistema en merito a su sencillez, aun a sabiendas que tiene aspectos criticables como por ejemplo el ajuste en relación con la profundidad del lugar de instalación. Sin embargo tiene también sus ventajas ya que toma agua alejada del fondo en general menos propenso a tapar los filtros. La investigación y el desarrollo de estos dispositivos obligan a pensar muy bien desde el principio los problemas inherentes a  la instalación y el mantenimiento. Como comentario anecdótico, haré referencia a algunos medios impensados en un principio. La necesidad del anclaje en el fondo del mar obliga, aun en los prototipos, a acudir a un buzo o al menos para evitarlo, a proveernos de un peso muerto nada fácil de manipulear. Los ensayos a nivel individual no son fáciles de realizar in situ

Debido a la necesidad de trasladarse en una embarcación pero en días de mar calmo que no permiten el ensayo en condiciones severas y por otra parte la experiencia nos advierte que al quedar sin custodia los prototipos son una tentación para el pillaje, un verdadero obstaculo.

El Flotador tiene una carrera impuesta por la ola  pero es capaz de efectuar una fuerza solo limitada por el diámetro de la boya y la inmersión. Esa fuerza se multiplica tantas veces como la relación entre la sección del cilindro y la del flotador

De tal forma que si la sección del flotador es 1 m2  y el cilindro es de 6 pulgadas, la relación seria 1/ 0,017     = 56   Si en cambio se lo accionara a través de un sistema de poleas, tal cual el croquis, seria la mitad, 28.  Significa que  teóricamente, el agua bombeada  por una ola de 3 metros puede ser elevada a  168 mts de altura .Si bien hay que ponderar los rendimientos, es dable esperar mas del 50 % por lo que, aunque  no es tan sencillo como el manejo en tierra, es posible lograr  importantes alcances de tal forma de suplantar mecanismos destinados a electricidad comunitaria.

Todos los derechos reservados
Recomendamos el ingreso  a Google indicando el tema de interes seguido de enrique  nielsen. Ej.: energia solar enrique nielsen

Ing. Enrique O.Nielsen

www.windywest.com.ar 

windywest@ssdnet.com.ar