CAPTADOR Y SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA UNDIMOTRIZ Objeto de la invención La invención, tal y como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo de captación y un sistema de generación de energía a partir del movimiento de las olas. El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector técnico de la captación de energía undimotriz, es decir, de la transformación de la energía cinética de las olas, normalmente las olas del mar, aunque pudiera igualmente aplicarse en lagos o ríos de gran envergadura.

Estado de la técnica

El propio solicitante es titular del documento WO2013021089 relativo a una turbina hidráulica de álabes basculantes para el aprovechamiento bidireccional de flujos que comprende un rodete rotatorio por su eje axial, que permite su trabajo en ambos sentidos de funcionamiento, incorporado en un alojamiento cilindrico y al que se acoplan múltiples álabes por medio de un eje de giro radial con movimiento basculante que permite variar su ángulo según la dirección del flujo, bien por la propia fuerza del fluido o con algún mecanismo que regula activamente su paso, tal como servomotores accionados por un ordenador. Opcionalmente incorpora palas directrices en la entrada y salida, fijas o vinculadas a un eje de rotación que permiten un movimiento de basculación variando así su ángulo de paso, y un difusor, cónico o toroidal, para minimizar las pérdidas de carga. No obstante, en dicho documento no se describe ningún tipo de captador, sino un difusor para minimizar las pérdidas de carga hidráulicas a la entrada y salida de la turbina. Los captadores son necesarios para convertir la energía cinética potencial de las olas en energía hidráulica aprovechable por la turbina. La ausencia de un captador eficiente imposibilita el aprovechamiento óptimo de la estructura descrita.

Por otro lado existen otros documentos que describen otro tipo de captadores, como es el caso del documento US 4.447.740 el cual se refiere a una estructura de turbina semejante a la descrita anteriormente, es decir con álabes móviles, pero en este caso sí que dispone de un captador formado esencialmente por un tubo de Venturi. La flotabilidad de la estructura es otorgada por una boya situada a nivel del agua, que en su movimiento ascendente y

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) descendente mueve de igual forma el tubo de Venturi que aloja la turbina. De esta forma, tanto en la subida como en la bajada del cuerpo flotante (cresta y valle de la ola) y gracias a los álabes móviles, la turbina siempre gira en un sentido. La turbina está conectada con un generador dispuesto en la propia turbina o sobre la boya. El documento WO 2010/1 10799 describe igualmente un captador por efecto Venturi que explota el movimiento diferencial entre las aguas profundas y la superficie del mar. También el documento US2010/0158705 describe un sistema captador tipo Venturi pero dispuesto horizontalmente en el lecho del fondo marino. Es decir, que aprovecha el movimiento de corrientes inducidas por el oleaje que no es el objeto de la invención. Finalmente, otro captador tipo Venturi se describe en el documento GB 1587433 que se refiere a un tubo con un paso restringido cerca de la posición de la turbina para incrementar la velocidad del flujo pasante. No obstante, según se indica en este documento el tubo ha de tener una longitud considerablemente superior al diámetro (5:1 a 20: 1) del tubo para que actúe con eficacia, lo que encarece su construcción y dificulta su anclaje e instalación.

Otro tipo de captador distinto a los tubos de Venturi es la columna de agua oscilante. El documento WO 2009/064190 describe una columna de agua oscilante que aloja una turbina accionada por el movimiento del agua en el interior de la columna. Por otro lado, el captador del documento US 4.996.840 es un dispositivo complejo que no funciona como columna de gua oscilante, ya que como se describe en la patente funciona con un movimiento relativo entre dos componentes, cilindros, que generan el flujo en la turbina. Otras columnas de agua oscilante (como las descritas en US5005357 y WO2012167840) en realidad aprovechan las corrientes de aire provocadas en el interior de una cámara por el movimiento de las olas para accionar una turbina de aire, con una geometría muy diferente a la presentada en esta invención.

Descripción de la invención En la actualidad, y como referencia al estado de la técnica descrito, debe señalarse que, si bien existen tecnologías y desarrollos en el campo de las máquinas hidráulicas y, específicamente, en diferentes tipos de captadores de la energía cinética de las olas, ninguno de estos captadores presenta unas características técnicas y estructurales semejantes a las del captador y sistema de generación que se reivindican en la presente invención.

De forma concreta lo que la invención propone, en un primer aspecto de la invención, es un

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) captador para el aprovechamiento de la energía de las olas compuesto por una cámara resonante o tanque cuyo nivel interno de agua oscila por la acción de las olas en el exterior. La resonancia se produce debido a que dispone de una abertura inferior de sección menor que el cuerpo de la cámara. De forma adicional, debido a que el fluido pasa por una sección más pequeña, se produce un incremento en la velocidad del flujo entrante que en cierto modo amplifica el efecto de la ola.

El captador descrito en la presente invención se diferencia de las columnas de agua oscilante indicadas en el estado de la técnica ya que logra una respuesta ante las olas similar a un dispositivo convencional de sección constante, pero con una longitud (profundidad) menor, debido a que la abertura inferior de la cámara resonante aumenta la inercia del sistema.

De forma adicional la abertura inferior, que es de sección menor que el diámetro del cuerpo del captador, genera una aceleración del flujo circulante que facilita la incorporación de una turbina hidráulica. La utilización de la cámara de flotación sumergida como elemento de restricción de la sección de la cámara resonante y el hecho de tener una menor longitud, le hacen un sistema compacto, ligero y más económico.

La frecuencia de resonancia de los captadores del tipo columna de agua oscilante es fundamental para obtener una eficiencia de conversión de energía, a continuación se muestra el efecto logrado en esta invención:

Frecuencia de resonancia en las columnas de agua oscilante de sección constante (sin abertura inferior parcialmente cerrada):

Frecuencia resonancia de la invención:

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) 1

ú ₀ = f * Área(inferior)/Área(superior)

Longitud

Donde K es la rigidez del sistema (fuerza/desplazamiento), M es la masa (volumen*densidad), Longitud la medida de la cámara en dirección perpendicular a la sección, el Área (superior) el área de la sección superior del captador y el Área (inferior), el área de la abertura inferior. La Longitud o profundidad del dispositivo es un parámetro muy importante para aumentar la capacidad de captar energía, ya que la energía de la ola disminuye exponencialmente con la profundidad, la invención logra obtener más energía ya que la longitud de la cámara de resonancia es menor.

La diferencia más evidente respecto a los dispositivos tipo Venturi, es que estos han de estar totalmente sumergidos, a mayor profundidad y se mueven debido a un cuerpo flotante que se encuentra en la superficie de la ola, en ningún caso el tubo de Venturi está integrado en la boya como se plantea en la presente invención. Por otro lado, los sistemas de columnas de agua oscilantes existentes carecen de las ventajas respecto de la optimización en la generación que otorga la incorporación de una turbina hidráulica en una obstrucción de la cámara de resonancia, de forma similar a las que disponen los tubos de Venturi, aunque en este caso, disminuir la longitud y sencillez mecánica convierten la invención en soluciones prácticas y más económicas frente a los otros dispositivos. Paralelamente a las propiedades de resonancia otorgadas por la correcta relación de Longitud, Área Superior y Área Inferior, la presente invención combina la ventaja de una columna oscilante accesible desde la superficie con la ventaja de situar la turbina en un estrechamiento (abertura inferior) para aprovechar la aceleración del flujo propia del efecto Venturi. En un segundo aspecto de la invención el captador se combina con una turbina, particularmente, una turbina hidráulica axial bidireccional de álabes basculantes, por ejemplo, como la descrita en el documento WO2013021089 y que se incorpora como referencia.

El funcionamiento de la invención está basado en que la citada cámara capta la energía de las olas a través de una abertura en su parte inferior que comunica el volumen de agua interior con el exterior, generando una columna de agua oscilante en el interior de la misma, debido a la variación de presión originada por las olas en dicha abertura inferior de la cámara. Dicha abertura inferior es de una sección menor que la de la propia cámara, es decir, que hay un

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) estrechamiento con unas dimensiones calculadas para lograr la resonancia con las olas.

Es importante hacer notar que, a diferencia de los dispositivos tipo Venturi o de las columnas de agua oscilantes, la cámara del captador no puede estar completamente sumergida. Así, cuando la ola se encuentra por encima del nivel interno de agua (cresta), la presión en la abertura de la cámara hace entrar agua hasta un determinado nivel, de tal forma que, cuando el nivel de la ola está más bajo (valle) el agua sale de la cámara por la diferencia de nivel. Es decir, que al contrario de los tubos de Venturi vistos en el estado de la técnica, si la cámara estuviese llena de agua o totalmente sumergida no habría movimiento apreciable en la turbina.

Por tanto, gracias a su estructura, el captador de la invención está situado en la superficie agua-aire y es de menores dimensiones que los actuales ya que se reduce la longitud en proporción a la relación (Área inferior/Área superior), lo que lo convierte en un captador más robusto y con unas características mejoradas en lo que respecta al aprovechamiento del oleaje, incluso cuando este es muy débil. Del mismo modo, en las columnas de agua oscilantes que integran turbinas de aire, una oscilación mínima interior implica un movimiento mínimo de la turbina, ya que se tiene que comprimir el aire, transformación de energía que evitamos con la incorporación de la turbina hidráulica. Un punto básico del captador objeto de la invención es la relación entre la flotabilidad y la cámara interna. Para ello, el captador dispone de un flotador situado en su parte inferior y perimetralmente a la abertura para el paso del agua. El cálculo del flotador ha de establecerse dependiendo de su instalación de dos formas: i) Tirantes tensos: Hay que garantizar que la flotación, independientemente del oleaje, no permita que se destense ningún tirante,

ii) Volumen de flotación compensado con lastre, de tal forma que el nivel medio del agua, es decir, el nivel medio de la superficie sin oleaje es igual al nivel interno del agua en la cámara, que aproximadamente corresponda con la mitad de la misma, aunque podría variar en función de las condiciones específicas de la instalación, siempre con la condición de que no puede estar la cámara completamente llena de agua, tal y como se ha indicado.

En referencia al sistema de generación propiamente dicho, la turbina hidráulica está instalada en la propia abertura inferior del captador, de forma tal que se encuentra sumergida independiente de los niveles de la ola y de la cámara resonante. La obstrucción de la cámara

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) resonante acelera el flujo y de esta forma se logra una turbina más compacta y con un mayor régimen de giro. La energía rotacional del eje de la turbina acciona un sistema de generación eléctrico situado sobre el propio captador o integrado en la propia turbina. Una característica importante de funcionamiento es que el captador logra mayor aprovechamiento de la energía mientras logre una mayor diferencia de nivel del agua exterior relativa al nivel de flotación del dispositivo. Por ello la implantación preferente es muy estable, sobre todo evitando al máximo el movimiento vertical del mismo. La versatilidad del captador permite, en distintas realizaciones del sistema de generación, realizar diferentes tipos de instalaciones, como instalaciones fijadas a rompeolas, o estructuras costeras donde el captador está sujeto a otra estructura fija, o bien fijadas cerca de la costa, soportadas por estructuras auxiliares al fondo marino; o bien alejadas de la costa, flotantes a modo de boya y sujetas por tirantes al suelo marino. En las instalaciones fijas, el flotador puede estar parcial o totalmente lleno de agua u otros elementos de lastre, de tal forma que se robustece aún más el conjunto, mientras que en instalaciones tipo boya, el flotador ha de garantizar la estabilidad del mismo.

En el caso de instalaciones flotantes, la cámara de aire o boya ejerce en todo momento una fuerza de flotación que tensa unos tirantes, independientemente de las olas que actúan sobre él, evitando su movimiento vertical. Además, la cámara de flotación hace flotar el captador y permite transportar sus propios contrapesos mientras el captador es trasladado a su lugar de instalación y, cuando va a ser fondeado, apoya los contrapesos en el fondo marino y llena parcialmente el flotador con agua hasta quedar parcialmente hundido.

Por otra parte cabe señalar que el captador preconizado, en otra realización práctica, puede contener varias cámaras resonantes y turbinas, formando un conjunto que genere más energía. Del mismo modo, puede existir una pluralidad de sistemas de generación, formando una planta de generación completa que, en determinadas ocasiones puede ser empleada incluso como barreras de protección contra oleaje, vertidos, contaminantes, etc.

Finalmente, en otras realizaciones del sistema de generación, la turbina hidráulica axial bidireccional de álabes basculantes puede ser sustituida por otros medios para transformar la energía mecánica generada, por ejemplo, mediante una turbina de aire que trabaje con el volumen desplazado por el agua en el interior de la cámara resonante o, por ejemplo, otro

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) mecanismo como un motor lineal instalado en el interior de la cámara resonante.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que restrinjan la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.

Breve descripción de las figuras

A continuación se describe de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

FIG 1 - Muestra una vista esquemática en sección, según un corte vertical, de un ejemplo de realización del captador y sistema de generación undimotriz objeto de la invención.

FIG 2 - Muestra una vista esquemática en planta del objeto de la invención en una realización con el captador cilindrico.

FIG 3 - Muestra una vista esquemática en planta del objeto de la invención en una realización con el captador en configuración cuadrángulas

FIG 4 - Muestra una vista en sección del captador y del sistema de generación undimotriz mostrado en la figura 1 , apreciándose la diferencia de altura de la ola, nivel exterior mayor que el nivel en el interior del captador, habiéndose representado mediante flechas el sentido de flujo del agua que acciona una turbina hidráulica axial bidireccional y el sentido de giro de la misma.

FIG 5 - Muestra la vista de la figura 4, con el nivel del agua exterior al captador menor que el nivel en el interior del mismo, habiéndose representado mediante flechas el sentido de flujo del agua que acciona una turbina hidráulica axial bidireccional y el sentido de giro de la misma.

FIG 6 - Muestra una primera vista en perspectiva del captador y sistema objeto de la invención.

FIG 7 - Muestra una segunda vista en perspectiva del captador y sistema objeto de la

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) invención.

FIG 8 - Muestra una realización del sistema de generación undimotriz, donde el generador eléctrico está sumergido e incorporado a continuación en el eje de la turbina, protegido por el bulbo de la turbina.

FIG 9 - Muestra una realización del sistema de generación undimotriz, donde el generador eléctrico es parte estructural de la turbina.

FIG 10 - Muestra un empleo del sistema de la invención a modo de protección costera, en un ejemplo del mismo instalado de forma fija a un rompeolas. FIG 11 - Muestra un empleo del sistema de la invención, en este caso soportado por una estructura apoyada en el fondo marino, en un ejemplo del mismo instalado cerca de la costa, a una profundidad somera.

FIG 12 - Muestra otra forma de empleo de la invención en forma de boya flotante, en un ejemplo del mismo instalado a profundidades elevadas, con anclajes tensos. FIG 13 - Muestra otra forma de empleo de la invención en forma de boya flotante, en un ejemplo del mismo instalado a profundidades elevadas, con anclajes flexibles, tipo catenaria.

FIG 14 - Muestra otra forma de empleo de la invención como barrera flotante.

Exposición de un modo detallado de realización de la invención

En las figuras adjuntas se muestran distintas realizaciones de la invención. Tal y como se observa en las figuras 1 a 5, el dispositivo captador (1) en cuestión comprende, al menos, una cámara resonante (2), constituida por una estructura de acero u hormigón formando las paredes de un tanque, abierto en su parte superior y cerrado parcialmente en su parte inferior, y que alberga un sistema de extracción de energía como por ejemplo una turbina hidráulica (3), particularmente una turbina hidráulica axial bidireccional con alabes (6) basculantes auto- orientables, girando en todo momento en la misma dirección, aunque también podría incorporar otro tipo de mecanismo igualmente capaz de aprovechar la energía del fluido cuando entra y sale de la cámara resonante (2) a través de su abertura inferior (7). En este caso, la turbina (3) hidráulica axial bidireccional incorpora unas palas directrices (4) a ambos lados del rodete, que dirigen el flujo de entrada a los alabes (6) de la misma para optimizar la eficiencia de la máquina.

Esta turbina (3) comprende un rodete, es decir, un cuerpo rotatorio por su eje axial (5), a cuya zona perimetral central se acoplan una pluralidad de álabes (6), estando dicho eje axial (5),

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) en esta realización particular conectado con un generador eléctrico (8) a través de una caja multiplicadora (9) que aumenta la velocidad rotacional y con la implementación de un volante de inercia (10) que amortigua las variaciones de par de la turbina que posteriormente mueve el generador eléctrico (8). Cabe indicar que el eje axial (5), en otra realización puede ir conectado directamente al generador (8), sin caja multiplicadora (9) ni volante de inercia (10).

La turbina (3) se caracteriza, por otro lado, porque el rodete se configura como un cuerpo simétrico respecto de su eje axial (5) que permite su trabajo en ambos sentidos de funcionamiento y porque los álabes (6) se acoplan a dicho rodete por medio de un eje de giro radial con movimiento basculante que permite variar su ángulo de posición para que el borde de ataque de dichos álabes (6) cambie de orientación según sea la dirección del flujo. El diseño simétrico de la sección transversal de cada álabe (6) permite optimizar notablemente el aprovechamiento del flujo en la turbina (3). No obstante de la realización de la turbina (3) mostrada, en las figuras 8 y 9 se indican realizaciones alternativas a la misma. Más concretamente, en la figura 8 se muestra una segunda realización de la turbina (3') donde los álabes (6') se conectan directamente a un generador (8') integrado en el rodete, de tal forma que no es necesario ningún tipo de eje para conectar el generador y la turbina.

Por otro lado, en la figura 9 se observa como la turbina (3") está compuesta por una pluralidad de álabes (6") y un rotor que incluye en su interior los imanes del rotor del generador eléctrico y en el interior se encuentra el embobinado (estator) (91) ambos elementos componen el generador eléctrico. Cojinetes de deslizamiento axial y radial (93) y (94) guían el movimiento de rotación del conjunto

En todas estas realizaciones de turbina hidráulica se incorporan a ambos lados del rodete unas palas directrices (4) que dirigen el flujo de entrada a los álabes (6, 6', 6") de la misma, para optimizar la eficiencia de la máquina.

En referencia al captador (1), que comprende, al menos, una cámara resonante (2) constituida por una estructura de acero u hormigón formando las paredes de un tanque, abierto por su parte superior y parcialmente cerrado por su parte inferior (7) y que alberga una turbina (3, 3', 3") según se ha descrito, también puede albergar otro tipo de mecanismos igualmente capaces de aprovechar la energía del fluido que entra y sale de la cámara resonante (2).

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) Para facilitar el mantenimiento del sistema, se cuenta con una plataforma transitable (12) que permite acceder al generador (8, 8', 8") y tiene la posibilidad de abrirse fácilmente en su parte central para extraer la turbina hidráulica (3, 3', 3").

La cámara resonante (2) dependiendo de las necesidades de instalación y posibilidades de fabricación, puede ser de planta cilindrica como se observa en la figura 2, de planta cuadrada como se observa en la figura 3, o de otras formas que faciliten su fabricación y la adaptación de la solución a la localización prevista para su implantación.

En las figuras 4 y 5 se puede observar cómo funciona el captador (1). Así en la figura 4 se muestra como, en el momento que el nivel exterior (NE) del agua es más elevado que el interior, es decir, que la ola se encuentra por encima del nivel medio del agua, la presión en la abertura (7) de la cámara resonante (2) hace entrar el agua hacia el interior. Por otro lado, tal y como se observa en la figura 5, cuando el nivel exterior (NE) de la ola está más bajo, el agua sale de la cámara resonante (2) debido a que se genera una mayor presión interior. Este movimiento del fluido entrando y saliendo de la cámara resonante (2) por la abertura (7) acciona la turbina (3, 3', 3") u otro convertidor de energía. Es importante destacar que la abertura (7) de la parte inferior de la cámara resonante (2) tiene una menor sección que ésta, es decir, que la parte inferior de la cámara resonante (2) está sólo parcialmente cerrada y con una geometría (dimensiones) tal que genera resonancia con las olas del exterior, maximizando la variación del volumen en el interior del captador (1) hasta un volumen máximo inferior al volumen total de la cámara resonante (2). En las figuras 4 y 5, el nivel del agua en el interior de la cámara (2) está señalizado mediante la referencia (NI) en alusión al nivel interior.

En las figuras 6 y 7 se muestra una vista en perspectiva del captador (1) con la turbina (3) en una realización con el generador (8) situado sobre la plataforma (12). La turbina (3) está situada concéntricamente respecto de la abertura (7) de la parte inferior de la cámara resonante (2), para que de este modo se aproveche mejor la energía hidráulica captada por el dispositivo.

Por otro lado, las paredes externas del captador (1) cuentan con refuerzos estabilizadores

(61) en forma de aletas dispuestas perimetralmente, que estabilizan el movimiento rotacional

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HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) del captador, de igual forma pueden realizarse refuerzos estructurales en su interior.

La parte inferior del captador (1) comprende un flotador o cámara de flotación (17) perimetral, que cumple la misión fundamental de mantener la flotabilidad y estabilidad del captador (1).

Como se observa en la figura 10, el captador (1) puede ser instalado en un rompeolas (13), aportando el valor adicional de disipar la energía que choca contra la costa. Su realización preferente en este caso es con una planta rectangular como la mostrada en la figura 3. En este caso, la cámara de flotación (17) puede estar completamente inundada, para comportarse como un refuerzo estructural adicional o estar rellena de otro material de refuerzo, como hormigón, o similar. También podrá ir instalado en otras estructuras fijas o flotantes de la costa, donde el captador (1) irá soportado a esta otra estructura.

El captador (1) puede estar fijo al suelo marino con el uso de una estructura auxiliar (14), como en la figura 1 1 , o puede implantarse en zonas profundas de forma flotante a modo de boya, figuras 12 y 13, o bien formar una barrera, como la mostrada en la figura 14.

En formato de boya, el captador (1) puede estar fondeado con contrapesos (15) y tirantes tensos (16), con la cámara de aire (17) que ejerce una fuerza de flotación que tensa los citados tirantes (16) en todo momento. En la realización mostrada en la figura 13, sin embargo, se emplea una catenaria (18) para anclar el captador (1) a través de una estructura auxiliar que soporta una chapa en su parte inferior que estabiliza el conjunto verticalmente 19.

El captador (1) opera preferentemente de la forma más estática posible (en el movimiento vertical) y esto se logra andándolo a estructuras fijas o mediante la cámara de flotación. En este último caso, la flotación ejercida mantiene en todo momento los anclajes con tirantes tensos o en el caso de catenaria el equilibrio entre el peso de la cadena, lastre y flotabilidad, independientemente que la ola esté en su nivel superior o inferior, quedando restringido su movimiento vertical, sin embargo, el movimiento lateral no se evita totalmente. El movimiento horizontal se permite parcialmente para evitar la rotura del dispositivo en caso de fuerte oleaje.

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