BR102012023160B1

BR102012023160B1 - Instalação de consolidação para consolidar a energia gerada por uma pluralidade de sistemas de geração de energia da corrente d'água

Info

Publication number: BR102012023160B1
Application number: BR102012023160-3A
Authority: BR
Inventors: William D. Bolin
Original assignee: Anadarko Petroleum Corporation
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2021-11-09
Also published as: PT2657124T; PH12013000111A1; EP2657512A3; WO2013162520A3; KR101548038B1; JP6055652B2; WO2013162520A2; AP3871A; EA018743B1; EA201270725A1; EP2657124A2; PT2657512E; ES2582490T3; PH12013000111B1; ZA201306332B; TW201343477A; KR20130119825A; MX342596B; EP2657122A2; EA201270665A1

Abstract

instalação de consolidação, meio de amarra e método para instalar e manter um sistema submerso de geração de energia da corrente d' água. a presente invenção refere-se a vários subsistemas para um sistema submerso ou hidrotransportado usado para gerar energia derivada das correntes d'água que se movem rápido usando-se um sistema de gerador do tipo por indução equipado com um ou mais propulsores (105, 206, 407, 510) do tipo aleta-anel (507). muitos dos sistemas e subsistemas mostrados e descritos no presente são individualmente adequados para o uso em sistemas que usam os sistemas de acionamento do gerador convencionais e outros meios de criação de energia. o meio para a transmissão de energia gerada por tais sistemas, a amarra (106, 410) e os sistemas de amarração, e os métodos para melhorar o transporte, a instalação e a manutenção do sistema também são descritos.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se geralmente aos sistemas de geração de energia elétrica renovável, e em uma modalidade em particular embora não limitante, aos subsistemas para um sistema submerso ou hidrotransportado para gerar energia derivada das correntes d'água que se movem rápido usando um sistema de gerador do tipo por indução equipado com um ou mais propulsores do tipo aleta- anel.

[0002] Além das modalidades ilustrativas apresentadas nesta descrição, muitos dos sistemas e subsistemas descritos e reivindicados no presente são individualmente adequados para os sistemas que usam os sistemas de acionamento do gerador convencionais e outros meios de criação de energia.

[0003] Os meios para a transmissão de energia gerada por tais sistemas para as redes de energia vizinhas, sistemas de amarração e o método e os meios para instalar e manter os componentes de tais sistemas também são descritos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0004] Com o crescente custo de combustíveis fósseis e demanda de energia aumentada nas economias e indústrias do mundo, diferentes métodos e métodos mais eficientes de desenvolver as fontes de energia estão constantemente sendo buscados. São de interesse particular as fontes de energia alternativas renováveis, tais como os dispositivos de energia solar com baterias, sítios de moinho de vento, geração de energia da maré, geradores de onda e sistemas que produzem energia a partir do hidrogênio sequestrado.

[0005] No entanto, tais fontes de energia ainda não são capazes de liberar energia contínua para uma área expandida em uma escala comercial. Além do mais, algumas tecnologias propostas, tais como os sistemas ativados por hidrogênio que envolvem o refino de sal marinho, de fato consumem mais energia no processo de conversão do que é produzida no fim do sistema.

[0006] Outros, tais como o hidrogênio derivado do metano, produzem quantidades iguais ou maiores de emissões de combustível fóssil do que as tecnologias convencionais baseadas em óleo que se pretende substituir, e ainda outros, tais como a bateria, os sistemas baseados em moinho de vento e solares, exigem tal exposição consistente à luz do sol significante ou ventos que sua eficácia comercial é inerentemente limitada.

[0007] Propôs-se o sistema de energia alternativa que envolve o aproveitamento de hidroenergia derivada das correntes d'água que se movem rápido, por exemplo, as correntes que têm velocidades de fluxo em pico de 2 m/s ou mais.

[0008] Na prática, no entanto, os dispositivos geradores de energia subaquática existentes se provaram inadequados, mesmo onde instalados em lugares onde as velocidades da corrente são consistentemente muito rápidas. Isso é devido, pelo menos em parte, tanto a uma ausência de meios eficientes para gerar a energia quanto à ausência de sistemas de transformação de energia adequados necessários para compensar as incompatibilidades entre os sistemas geradores de energia subaquática e as estações retransmissoras de energia em terra ou hidrotransportada presentes.

[0009] Os projetos de propulsor existentes e os mecanismos geradores de energia hidrotransportada também se provaram inadequados, falhando em fornecer ou geração de energia adequada ou estabilidade suficiente contra as correntes máximas ou de velocidade.

[00010] Para capturar uma quantidade significante de energia cinética das correntes oceânicas que fluem, a área afetada deve ser extensa. Como um resultado, os projetos de propulsor marinho existentes empregam estruturas proibitivamente grandes, pesadas e caras feitas de tecnologias atualmente conhecidas de metal pesado e de metal compósito. Além do mais, esses propulsores marinhos criam problemas de cavitação que se originam das pontas das palhetas do propulsor que se movem através da água circundante.

[00011] Um outro problema significante são os problemas ambientais associados à obtenção de energia a partir das correntes d'água sem danificar a vida aquática ao redor, tal como os corais, vegetação marinha, cardumes, etc.

[00012] Há, portanto, uma necessidade importante e ainda não satisfeita por um sistema de geração de energia da corrente d'água e subsistemas em acompanhamento que superam os problemas atualmente existentes na técnica, e que geram e compativelmente transferem uma quantidade suficiente de energia para uma estação de retransmissão de uma maneira segura, confiável e ecologicamente correta. As configurações em nível de campo seguras e eficientes, os sistemas de amarração confiáveis e repetíveis e os métodos e meios para instalar e manter tais sistemas também são exigidos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[00013] Uma instalação de consolidação para consolidar a energia gerada por uma pluralidade de sistemas de geração de energia da corrente d'água é fornecida, em que cada um dos sistemas de geração de energia inclui pelo menos uma ou mais câmaras de flutuação submersas. Uma ou mais das câmaras de flutuação submersas inclui adicionalmente pelo menos uma ou mais câmaras de isolamento de fluido flutuante, e uma ou mais das câmaras de isolamento incluem adicionalmente um fluido flutuante disposto nela, uma válvula de admissão de fluido flutuante, uma válvula de saída de fluido flutuante e um meio de controle de fonte de fluido flutuante.

[00014] As unidades de geração de energia também incluem uma ou mais unidades de geração de energia do tipo por indução submersas dispostas em comunicação com as câmaras de flutuação; um ou mais propulsores dispostos em comunicação com as unidades geradoras de energia; um sistema de amarração; e um meio de saída de energia gerada.

[00015] A instalação de consolidação inclui adicionalmente meios para receber a energia gerada pelos ditos sistemas de geração de energia, transferir ou exportar a energia através do meio de saída, e liberar a energia consolidada para uma rede de energia vizinha, ou contínuamente ou seguindo a transferência para um dispositivo de transformação de energia interveniente.

[00016] A instalação de consolidação pode ser localizada no fundo do oceano, em água de profundidade média ou flutuando na superfície. Em um exemplo específico, um SPAR flutuante ou submerso (uma plataforma estável com um grande calado adequado ou outro casco) é usado como uma instalação de consolidação; alternativamente, uma estrutura submersa irá oferecer liberdade para a navegação do navio na área.

[00017] A instalação de consolidação é opcionalmente ancorada de uma maneira segura, por exemplo, usando uma corda de poli, que pode ser formada de uma parte enrolada em uma única direção; duas ou mais partes em camadas enroladas em direções alternadas; combinada ou substituída por cabeamento de metal; e/ou enrolada ao redor da linha de saída de energia consolidada.

[00018] Os propulsores e as cápsulas de geração de energia podem ser instalados e mantidos ao girá-los em uma posição horizontal. Enquanto ainda na água, um cone de ressalto central flutuante dá aos propulsores a flutuação adequada para alcançar a superfície e máxima estabilidade proveniente do vento, da corrente ou outras condições climáticas, uma vez no nível da superfície. Desta maneira, a instalação e a manutenção das unidades são alcançadas segura e eficientemente.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00019] As modalidades descritas no presente serão melhor compreendidas e, os inúmeros objetos, características e vantagens serão tornados evidentes para aqueles versados na técnica por meio de referência aos desenhos em anexo.

[00020] A figura 1 é uma vista lateral de um sistema de geração de energia de energia de corrente d'água de acordo com uma modalidade exemplificativa da invenção.

[00021] A figura 2 é uma vista frontal de um sistema de geração de energia de energia de corrente d'água de acordo com uma segunda modalidade exemplificativa da invenção.

[00022] A figura 3 é uma vista de plano de um tubo de lastro que tem uma pluralidade de câmaras de isolamento do tipo labirinto de acordo com uma terceira modalidade da invenção.

[00023] A figura 4A é uma vista de topo de um sistema de geração de energia de energia de corrente d'água de acordo com uma quarta modalidade exemplificativa da invenção.

[00024] A figura 4B é uma vista de topo da modalidade exemplificativa retratada na figura 4A, que inclui adicionalmente um sistema de ancoragem com trava associado.

[00025] A figura 5 é uma vista frontal de uma modalidade exemplificativa do sistema propulsor adequado para o uso em conexão com um sistema de geração de energia submerso ou hidrotransportado.

[00026] A figura 6 é uma vista em perspectiva da modalidade exemplificativa do sistema propulsor retratado na figura 5, com uma parte detalhada do sistema isolado para a perspectiva adicional.

[00027] A figura 7 é uma vista isolada de uma parte da modalidade exemplificativa do sistema propulsor retratada nas figuras 5 e 6.

[00028] A figura 8 é uma vista lateral de um sistema de geração de energia da corrente d'água exemplificativo que compreende adicionalmente um arranjo do propulsor montado em draga.

[00029] A figura 9 é uma vista traseira do sistema de geração de energia da corrente d'água exemplificativo retratado na figura 8, em que um número par de propulsores facilita as energias rotacionais que se deslocam em um arranjo montado em draga.

[00030] A figura 10 é uma vista esquemática de um sítio de geração de energia de corrente d'água exemplificativo que compreende uma pluralidade de sistemas de geração de energia ligados.

[00031] A figura 11 é uma vista esquemática de um sistema de geração de energia contínua permanentemente amarrado no qual nenhuma plataforma de flutuação ou Spar é usada.

[00032] A figura 12 é uma vista lateral de um sistema de geração de energia de desenho de virar com quatro unidades.

[00033] A figura 13 é uma vista de topo da figura 12, que compreende, novamente, um sistema propulsor e de geração de energia de desenho de virar com quatro unidades.

[00034] A figura 14 é uma vista frontal de um sistema propulsor e de geração de energia de desenho de virar com quatro unidades.

[00035] A figura 15 é um sistema propulsor e de geração de energia de desenho de virar com quatro unidades, que mostra as cápsulas do gerador e os propulsores associados em uma posição invertida adequada para a instalação e a manutenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS DIVERSAS MODALIDADES EXEMPLIFICATIVAS

[00036] A descrição que segue inclui inúmeros projetos e métodos de sistema exemplificativo de uso que incorporam as vantagens do assunto inventivo presentemente. No entanto, será compreendido por aqueles versados na técnica que as modalidades descritas irão admitir a prática sem alguns dos detalhes específicos no presente. Em outras ocasiões, o equipamento, os protocolos, as estruturas e as técnicas submarinos e de geração de energia não foram descritos ou mostrados em detalhes a fim de evitar a ofuscação da invenção.

[00037] A figura 1 retrata uma primeira modalidade exemplificativa de um sistema de geração de energia da corrente d'água 101. Nesta mais simples forma, o sistema compreende um ou mais de um tubo de flutuação 102, um tubo de lastro 103, e uma unidade de geração de energia do tipo por indução 104 equipado com um propulsor acionado por eixo 105.

[00038] Muito embora a figura 1 retrate apenas um único tubo de flutuação 102, a unidade de lastro 103 e o componente do gerador 104, os grandes sistemas que compreendem uma pluralidade de quaisquer ou todas tais estruturas também são contemplados. Em qualquer ocasião, aqueles versados nas técnicas pertinentes irão prontamente observar que a descrição do momento de um sistema limitado com elementos singulares é meramente ilustrativa, e não é destinado a limitar o escopo do assunto com relação aos diversos membros de quaisquer dos elementos descritos no presente.

[00039] Em uma modalidade exemplificativa, uma unidade de geração de energia 104 (por exemplo, uma unidade de geração de energia do tipo por indução) produz a energia elétrica que pode ser produzida ou com ou sem transformação ou como uma corrente alternativa (CA) ou uma corrente contínua (CC) para uma estação de retransmissão associada ou outros meios de facilitar a transferência de energia do alto-mar para uma rede de energia vizinha ou similares.

[00040] Geralmente, os geradores do tipo por indução assíncrona são mecânica e eletricamente mais simples do que outros tipos de geradores de energia elétrica síncrono ou geradores de corrente contínua (CC). Um motor de indução converte para um gerador de energia de saída quando a energia para o campo magnético vem do estator ou quando o rotor tem ímãs permanentes que criam um campo magnético, desse modo, transmitindo recuo negativo. Eles também tendem a ser mais duros e duráveis, usualmente não exigindo nem escovas nem comutadores. Na maioria dos casos, um motor assíncrono de CA regular é usado como o gerador, sem quaisquer modificações internas.

[00041] Na operação normal do motor, a rotação do fluxo do estator do motor é definida pela frequência da energia (tipicamente ao redor de 50 ou 60 Hertz) e é, mas rápida do que a rotação do rotor. Isso faz com que o fluxo do estator induza as correntes do rotor, que, sucessivamente, cria o fluxo do rotor que tem uma polaridade magnética oposta ao estator. Desta maneira, o rotor é arrastado atrás do fluxo do estator em valor igual ao recuo.

[00042] Uma máquina de indução assíncrona trifásica (por exemplo, de enrolamento em gaiola) irá, quando operada mais lenta do que sua velocidade síncrona, funcionar como um motor; o mesmo dispositivo, no entanto, quando operado mais rápido do que sua velocidade síncrona, irá funcionar como um gerador por indução.

[00043] Na operação do gerador, um impulsor primário de algum tipo (por exemplo, uma turbina, um motor, um eixo de acionamento por propulsor, etc.) aciona o rotor acima da velocidade síncrona. O fluxo do estator ainda induz as correntes no rotor, mas uma vez que o fluxo do rotor oposto agora corta as bobinas do estator, a corrente ativa é produzida nas bobinas do estator e, então, o motor agora opera como um gerador capaz de enviar energia de volta para uma rede elétrica vizinha.

[00044] Portanto, os geradores por indução podem ser usados para produzir energia elétrica alternativa independente de um eixo interno ser girado mais rápido do que a frequência síncrona. Em várias modalidades da presente invenção, a rotação do eixo é realizada por meio de um propulsor associado 105 disposto em uma corrente d'água que se move relativamente rápida, apesar de outros métodos e meios de rotação do eixo também poderem ser concebidos e aplicados para o efeito semelhante.

[00045] Uma vez que eles não têm ímãs permanentes no rotor, uma limitação dos geradores por indução é que eles não são autoestimulantes; dessa maneira, eles exigem ou um fornecimento de energia externo (conforme poderia ser facilmente obtido a partir da rede que usa um funcionamento umbilical ou através da água ou por baixo de um fundo do mar associado), ou "iniciação suave" por meio de um iniciador de voltagem reduzida a fim de produzir um fluxo magnético de rotação inicial.

[00046] Os iniciadores de voltagem reduzida podem acrescentar vantagens importantes ao sistema, tais como determinar rapidamente as frequências operacionais, e permitir um reinício não acionado no caso de a rede de energia presente ser desativada por alguma razão, por exemplo, como um resultado do dano causado por um furacão ou outro desastre natural.

[00047] A energia derivada do sistema, pelo menos em alguns casos, será provavelmente usada para complementar um sistema de rede de energia vizinha, e então, as frequências operacionais da rede irão, em grande parte, dedicar a frequência de operação para o sistema de geração de energia, Por exemplo, a grande maioria dos grandes sistemas de rede de energia correntemente emprega uma frequência operacional nominal de entre 50 e 60 Hertz.

[00048] Uma outra consideração importante para grandes sistemas de geração de energia hidrotransportada é o estabelecimento de um equilíbrio de flutuação bem balanceado que permite a posição dinâmica contínua independente das velocidades da corrente circundantes.

[00049] Mesmo supondo-se que as velocidades da corrente circundantes permaneçam dentro de uma variação predeterminada de velocidades de operação aceitáveis, o equilíbrio do sistema poderia ser prejudicado por um furacão especialmente poderoso ou similares, mas a disposição do sistema bem abaixo da linha da típica energia da onda, isto é, aproximadamente de 30 a 45 metros (100 a 150 pés) de profundidade ou mais ou menos isso, irá reduzir enormemente tais perturbações. As diversas energias de deslocamento de quilolibras gravitacionais, quilolibras de flutuação, quilolibras de resistência e quilolibras de retenção também irão contribuir para a estabilidade geral de um sistema de geração de energia de corrente d'água contínua.

[00050] O tubo de flutuação 102 ilustrado na figura 1 compreende uma parte de corpo cilíndrica disposta em comunicação mecânica com pelo menos uma unidade de cobertura de extremidade 104 que aloja os geradores por indução supramencionados. Os geradores e os alojamentos de cobertura de extremidade associados contêm um eixo de acionamento e, em algumas modalidades, engrenagem planetária relacionada para o propulsor 105.

[00051] Em algumas modalidades, o tubo de flutuação 102 compreende um formato cúbico ou hexagonal, embora a prática eficaz da invenção admita outras geometrias também. Em uma modalidade presentemente preferida, o tubo de flutuação 102 é aproximadamente cilíndrico e pressurizado com gás (por exemplo, ar ou um outro gás flutuante e seguro) para que, quando o sistema seja contido pela amarra ancorada 106, as energias combinadas irão constituir a energia de içamento primária para o sistema de geração de energia de corrente marinha.

[00052] Dessa maneira, o sistema pode ser suspendido até a superfície para a manutenção ou a inspeção ao desligar os geradores, desse modo, reduzindo a resistência no sistema, que permite que o sistema suba de alguma forma em direção à superfície. Ao abrir o(s) tubo(s) de flutuação e/ou evacuar o fluido a partir do(s) tubo(s) de lastro, a unidade pode ser segura e confiavelmente flutuada até a superfície, de modo que a manutenção ou a inspeção seja desempenhada.

[00053] De acordo com um método de mover o sistema, a amarra 106 também pode ser liberada, para que a estrutura flutuante possa ser rebocada ou de outro modo acionada em direção à terra ou a outro lugar de operação.

[00054] A modalidade exemplificativa retratada na figura 2 é uma vista frontal do sistema de geração de energia 201, equipado com uma pluralidade de propulsores relativamente grandes que se movem devagar 206 dispostos em comunicação mecânica com os membros de eixo das unidades do gerador por indução 204 e 205. Conforme visto em mais detalhe na figura 4A, as unidades do gerador são dispostas nas unidades de cobertura de extremidade alojadas nos tubos de flutuação 102, assim como através da extensão de uma parte do corpo do tipo em treliça do sistema disposto entre os tubos de flutuação.

[00055] Voltando-se, agora, para a figura 3, uma vista detalhada de dentro dos tubos de lastro previamente retratados como o item 103 na figura 1 é fornecida, na qual uma pluralidade de câmaras de isolamento do tipo labirinto são unidas de tal maneira que a separação e a mistura de vários gases e líquidos possam ser usadas para permitir o controle melhor das energias de equilíbrio e de flutuação presentes no sistema do o que pode ser obtido por meio de tubos de flutuação 102 sozinhos.

[00056] Conforme visto na modalidade ilustrada, um sistema de lastro interior 301 formado em um tubo de lastro compreende uma fonte de controle de ar 302 disposta em comunicação de fluido com uma válvula de retenção de sobrepressão e uma primeira câmara de isolamento 303.

[00057] A primeira câmara de isolamento 303 contém tanto um gás seco (por exemplo, o ar que tem uma pressão igual à pressão da água do lado de fora circundante) presente em uma parte superior da câmara, e um fluido (por exemplo, sal marinho extraído do lado de fora da câmara de isolamento) presente em uma parte inferior da câmara.

[00058] A primeira câmara de isolamento 303 também compreende uma linha de alimentação de ar secundária 305 para distribuir o ar para os outros compartimentos preenchidos com gás da estrutura, assim como linhas para a mistura de gás e fluido da primeira câmara de isolamento 303 para a segunda câmara de isolamento 304. A segunda câmara de isolamento 304, sucessivamente, compreende uma parte superior que contém ar e uma parte inferior que contém água ou similares, que são separadas por um cilindro de isolamento. Em outras modalidades, o cilindro de isolamento contém água do mar na qual flutua um fluido de barreira a fim de garantir o melhor isolamento entre o ar e a água do mar.

[00059] Nas modalidades adicionais, qualquer uma (ou ambas) da primeira e da segunda câmaras de isolamento 303, 304 é equipada com a instrumentação (por exemplo, sensores de pressão ou sensores de pressão diferencial) para determinar se o fluido ou o ar está presente em uma cavidade em particular do sistema. Ainda em modalidades adicionais, tais sensores estão inseridos em um sistema de controle lógico (não mostrado) usado para ajudar na detecção e controle de medições relacionadas ao equilíbrio e ao empuxo.

[00060] O processo de avançar o ar através do sistema nas partes superiores dos tanques enquanto garante que a água ou outros líquidos permaneçam nas partes inferiores é continuado até que as características de equilíbrio e controle sejam obtidas. Por fim, uma câmara de isolamento final 306 é fornecida, a qual, na modalidade retratada, compreende uma válvula de saída de ar 309 usada para deixar o ar sair do sistema e, em algumas circunstâncias, a água para o sistema.

[00061] Uma válvula de segurança contra pressão 307 é fornecida na ocorrência de pressões internas se tornarem tão grandes que a ventilação da pressão seja exigida a fim de manter a integridade do controle do sistema, e uma válvula de fluxo de água aberta 308 adaptada com uma tela para prevenir entrada acidental por criaturas marinhas é disposta em uma parte inferior do tanque de isolamento 306.

[00062] Mais uma vez, os fluidos de barreira e similares podem ser usados para reduzir a interação entre o ar e a água, e quando o sistema é ajustado com um controle de boia que flutua no topo da água do mar, o fluido de barreira será retido mesmo depois de toda a água do mar ser expelida. Também, maior estabilidade pode ser alcançada nos tanques que usam uma série de defletores para garantir que a água presa nos tanques não se mova rapidamente nas câmaras, o que tenderia, de outro modo, a interromper o equilíbrio e o controle. Além do mais, os múltiplos tanques e a divisão em seção serão empregados para direcionar a possível inclinação da unidade, para que a água e o gás sejam apropriadamente desviados para impedir a inclinação excessiva.

[00063] A figura 4A apresenta uma vista de topo de uma modalidade do sistema 401, que, nesta situação, compreende um primeiro tubo de flutuação 402 e um segundo tubo de flutuação 403; uma parte de corpo do tipo em treliça de conexão 404 disposta entre eles; uma pluralidade de geradores por indução 405, 406 posicionados estrategicamente ao redor dos tubos de flutuação e das partes do corpo; uma pluralidade de propulsores 407 dispostos em comunicação mecânica com os geradores; e uma pluralidade de membros de amarra 408, 409 dispostos em comunicação mecânica com os tubos de flutuação 402, 403.

[00064] Na modalidade exemplificativa retratada na figura 4B, os membros de amarra 408 e 409 são para formar uma única amarra de ancoragem 410 que é fixada de uma maneira conhecida ao membro de ancoragem 411.

[00065] Em várias modalidades, a amarra de ancoragem 410 compreende adicionalmente meios para variavelmente conter e liberar o sistema. Em várias outras modalidades, a amarra de ancoragem 410 termina em um membro de ancoragem 411 equipado com um dispositivo de terminação de amarra (não mostrado). O membro de ancoragem 411 compreende qualquer tipo de âncora conhecido (por exemplo, uma âncora de contrapeso, âncora de sucção, etc.) adequado para manter uma posição fixa nas correntes que se movem rápido, que são usualmente encontradas nas localizações com fundos do mar rochosos devido à erosão do solo causada pelas correntes que se movem rápido.

[00066] Ainda em outras modalidades, esta posição da estação pode ser garantida ao prender a amarra de ancoragem 410 ou a uma embarcação na superfície ou a um outro dispositivo de geração de energia da corrente marinha, ou a uma outra localização de amarração central, tal como uma boia de posicionamento dinâmico flutuante.

[00067] Voltando-se agora para as modalidades exemplificativas do sistema propulsor discutidas apenas muito em geral acima, as figuras 5 a 7 retratam diversas modalidades exemplificativas específicas, apesar de não limitantes, de um sistema propulsor adequado para o uso com o sistema de geração de energia da corrente d'água descrito no presente.

[00068] Aqueles versados nas técnicas pertinentes também irão observar, no entanto, que muito embora os sistemas propulsores exemplificativos descritos no presente sejam descritos com referência a um sistema de geração de energia da corrente d'água acionado por um gerador de energia do tipo por indução, os sistemas propulsores exemplificativos também podem ser usados em conexão com outros tipos de sistemas de geração de energia submersos ou hidrotransportados para alcançar muitas das vantagens pensadas no presente.

[00069] A figura 5, por exemplo, é uma vista frontal de uma modalidade exemplificativa do sistema propulsor adequado para o uso em conexão com um sistema de geração de energia submerso ou flutuante.

[00070] Conforme retratado, o propulsor 501 compreende uma pluralidade de conjuntos de aletas alternantes e anéis de blindagem, que serão, daqui em diante, referidos como uma configuração de "aleta- anel". Tais propulsores do tipo aleta-anel tipicamente seriam projetados para a especificação para cada aplicação em particular, e a eficiência melhorada seria realizada ao ajustar o diâmetro, a circunferência, a curvatura da aleta e a excentricidade da disposição, seleções de material, etc., com base nas frequências operacionais exigidas pelos geradores por indução, a velocidade das correntes de água circundantes, as considerações ambientais (por exemplo, se os propulsores teriam aberturas ou espaços através dos quais o peixe ou outra vida aquática poderia passar), e assim por diante.

[00071] De maneira semelhante, os conjuntos vizinhos de propulsores podem ser girados em direções opostas (por exemplo, ou no sentido horário ou no sentido anti-horário, conforme retratado de maneira representativa na figura 2) a fim de criar redemoinhos ou zonas mortas em frente aos propulsores, que podem repelir ou, de outro modo, projetar a vida marinha, intensificar a eficiência da rotação do propulsor, etc.

[00072] Quando usado em conexão com um sistema de geração de energia da corrente d'água acionado por um gerador de energia do tipo por indução, a única exigência operacional firme para os propulsores é que eles sejam capazes de girar os eixos do gerador associados nas velocidades exigidas para obter as frequências operacionais do gerador.

[00073] No entanto, é altamente desejável que o sistema como um todo seja passivo com relação à interação com a vida marinha local, e os resultados ótimos de desempenho são alcançados quando o sistema gera a produção de energia exigida enquanto ainda mantém um ambiente operacional neutro com relação ao ambiente.

[00074] Começando no centro do dispositivo, vê-se que o propulsor 501 é disposto ao redor de uma parte de cubo ou de eixo 502 que tanto prende o propulsor 501 de maneira segura (por exemplo, por meio de fixação mecânica, tal como fixadores resistentes à ferrugem encapsulados, soldando-se um corpo do propulsor ou múltiplas peças de um corpo do propulsor a um eixo em um único conjunto unitário, etc.) e transmite um torque de rotação proporcional ao impulso angular do propulsor giratório para o eixo para a liberação para o gerador de energia.

[00075] Em algumas modalidades, a parte de cubo ou de eixo 502 compreende adicionalmente um meio de flutuação para melhorar a conexão mecânica do propulsor do tipo aleta-anel ao eixo, e para impedir o balanço do propulsor que iria, de outro modo, tender a deformar ou tensionar o eixo. Como o meio de fixação, os eixos de acionamento apropriados para esta tarefa correntemente existem na técnica registrada, e podem compreender, por exemplo, uma série de engrenagens e/ou embreagens, sistemas de frenagem, etc., conforme seria exigido para efetivamente comunicar o torque de rotação do propulsor para o eixo do gerador.

[00076] Em uma modalidade específica, um fixador de retenção, tal como uma montagem de cavilha e de arruela ou similares, é removido da extremidade de um eixo de acionamento, a estrutura do propulsor do tipo aleta-anel é deslizada sobre o eixo exposto e, então, o fixador é substituído, desse modo, fixando mecanicamente a estrutura aleta-anel ao eixo. Otimamente, o fixador seria, então, coberto por uma cobertura à prova d'água flutuante ou similar conforme retratado de maneira representativa na figura 6, item 601.

[00077] Em outras modalidades, um cubo central compreende a comunicação mecânica no ponto de conexão com um grande eixo, que pode ou ser instalado ou ser removido e substituído como uma única estrutura para que o propulsor possa ser facilmente assistido e mantido enquanto na água.

[00078] Em outras modalidades, o sistema compreende adicionalmente um meio de flutuação a fim de resistir à carga ressaltante da montagem de eixo e de propulsor. Por exemplo, a espuma de líquido ou outros produtos químicos fluidos leves, ou até mesmo ar comprimido pode ser carregado para dentro de um cone de ressalto que se encaixa sobre a extremidade de um cubo do propulsor, para que o propulsor seja livre para girar ao redor de um eixo de acionamento atrás do cone de ressalto flutuante, desse modo levantando o peso da montagem para que as cargas ressaltantes sejam evitadas.

[00079] De maneira semelhante, os propulsores (especialmente os propulsores frontais em um sistema submerso, que absorvem a maior parte da energia da corrente d'água) podem ser montados por arrasto para superar a resistência atribuível à pressão de fluido cumulativa contra a estrutura de aleta-anel.

[00080] Independente de como o propulsor seja fixado ao eixo e se ele é montado por arrasto e/ou suportado por um membro de flutuação, a modalidade exemplificativa do desenho de aleta-anel retratado é geralmente semelhante através de um grande número de outras modalidades relacionadas adequadas para a prática no sistema.

[00081] Por exemplo, na modalidade retratada na figura 5, a montagem de fixação de cubo 502 é concentricamente circundada por um primeiro membro de anel 503, além do qual (isto é,mais para fora da montagem de cubo) está um segundo membro de anel 506. Disposta entre o primeiro membro de anel 503 e o segundo membro de anel 506 está uma pluralidade de membros de aleta 504, cada um do qual é separado por uma lacuna 505.

[00082] O espaço da lacuna entre os membros de aleta 504 irá variar através da aplicação, mas como uma questão geral, as lacunas entre as aletas irão aumentar em tamanho do anel mais interno (no qual as lacunas são tipicamente as menores) para os anéis mais externos (onde o espaço da lacuna é o maior).

[00083] Outras configurações admitem lacunas de tamanhos semelhantes ou até mesmo lacunas maiores nos anéis internos do que nos anéis externos, mas uma vantagem de uma superfície de anel na maior parte sólida, em que a maior parte da totalidade da área de superfície possível do anel é utilizada por aletas em vez de lacunas, é que a estrutura tenderá a energiar a pressão de fluido para longe do centro da estrutura em direção aos anéis mais externos e além do perímetro do dispositivo.

[00084] Esta abordagem ajuda o propulsor a rodar mais facilmente, e mais do que suficientemente direciona as preocupações ambientais ao energiar a pequena vida marinha e similares em direção ao lado de fora do sistema, para ela possa ou evitar a estrutura do propulsor completamente ou então passar através de uma das lacunas grandes que se movem lento nos anéis externos.

[00085] Uma vez que a resistência contra a estrutura é reduzida e o maior torque de rotação é transmitido para os eixos de acionamento com menos arrasto e perda, o propulsor também pode ser girado muito lentamente (em uma modalidade exemplificativa que gera resultados de campo satisfatórios, o propulsor gira em uma velocidade de apenas 8 RPM), garantindo adicionalmente que a vida marinha seja capaz de evitar a estrutura e intensifique a neutralidade e a segurança ambientais. As velocidades de rotação lentas também tornam o sistema mais duro, durável e menos provável de sofrer dano se em contato com restos ou um objeto submerso que flutua por perto.

[00086] Os anéis concêntricos sucessivos de aletas 507 e lacunas 508 dispostos nos anéis aproximadamente circulares adicionais 509 são, então, adicionais à estrutura, desse modo, criando anéis concêntricos adicionais de aletas e lacunas 510 a 512 até que a circunferência desejada tenha sido alcançada. Em uma modalidade presentemente preferida, os espaços da lacuna 514 do anel mais externo são os espaços de lacuna maiores no sistema, e separam as aletas 513 até a máxima extensão do sistema.

[00087] Um membro de anel final 515 fecha a periferia externa do sistema propulsor, novamente fornecendo mais proteção ambiental, à medida que a vida marinha que atinge inadvertidamente o anel do lado de fora 515 irá encontrar apenas um golpe de raspão contra uma estrutura que se move lentamente, enquanto as pressões da água e do fluido são energiadas para longe do dispositivo tanto quanto possível.

[00088] Conforme visto na região com caixa 603 da figura 6 (que geralmente retrata a modalidade exemplificativa da figura 5, apesar de ser com a parte de fixação de cubo coberta com uma cobertura à prova d'água 601 ou similar), o passo das aletas 602 medido com relação ao plano da montagem de aleta-anel pode ser alterado.

[00089] Por exemplo, as aletas podem ser dispostas com maior excentricidade à medida que sua posição na montagem é avançada do primeiro anel que circunda o cubo central em direção aos anéis mais externos. Dispondo-se as aletas 602 em um passo mais plano nos anéis interiores e mais excentricamente (isto é,em um plano mais perpendicular ao plano da montagem) nos anéis externos tenderá a achatar e suavizar o fluxo d'água ao redor do propulsor, desse modo, alcançando as características de fluxo do fluido superiores (que minimizam a vibração do sistema), criando menos resistência contra a estrutura do propulsor, e fornecendo uma energia de fluido centrífuga circundante maior para garantir que a vida marinha evite o centro do sistema propulsor.

[00090] Por outro lado, os propulsores que têm arranjos de aleta dispostos, tais como as aletas mais próximas do cubo, têm a melhor excentricidade medida com relação ao plano do propulsor como um todo e, então, o aplainamento à medida que as aletas são dispostas em direção ao lado de fora do sistema propulsor (como é típico com um barco ou propulsor submarinho, por exemplo) também pode produzir os melhores resultados em termos de redução de vibração, harmonia e desempenho geral do sistema.

[00091] Na modalidade exemplificativa 701 retratada na figura 7 (que é representativa da região com caixa 603 na figura 6), uma séria de aletas curvadas 702, 704, 706, 708 é disposta entre as lacunas 703, 705, 707, 709 de tamanho crescente (nota-se que o cubo de fixação central do qual os menores anéis concêntricos se originam seria localizado além do topo da figura, por exemplo, acima da aleta 702 e da lacuna 703).

[00092] Na modalidade retratada, as aletas 702, 704, 706, 708 também são dispostas com maior excentricidade à medida que elas são instaladas mais e mais distantes do cubo, para que o ângulo de disposição da aleta 708 medido com relação ao plano da montagem seja maior do que o das aletas 702, 704, 706 dispostas próximas ao cubo de fixação central.

[00093] Na modalidade exemplificativa retratada na figura 8, um sistema submerso de geração de energia da corrente d'água com amarra é fornecido no qual todo o arranjo do propulsor é montado por arrasto, para que a interferência de energia de um arranjo montado frontal seja evitada, e maior estabilidade e eficiência de energia do sistema sejam alcançadas. Conforme visto, esta configuração em particular admite um ou mais propulsores dispostos tanto em uma posição de montagem por arrasto superior quanto uma posição de montagem por arrasto inferior, embora a disposição dos múltiplos arranjos do propulsor tanto em uma quantidade maior ou menor de níveis também seja possível.

[00094] Na figura 9, que é, em essência, uma vista traseira da modalidade alternativa retratada na figura 8, vê-se que uma modalidade específica, embora não limitante compreende um arranjo do propulsor que tem dez propulsores totais, com seis propulsores sendo dispostos em uma posição de montagem por arrasto inferior, e quatro propulsores sendo dispostos em uma posição montada por arrasto superior, com o arranjo da posição superior sendo adicionalmente distribuído com dois propulsores em cada lado do sistema de geração de energia.

[00095] Descobriu-se que esta modalidade em particular admite características de geração de energia superiores, enquanto estabiliza a estrutura do sistema presente ao minimizar a vibração, e permite que pares uniformemente contíguos de propulsores funcionem em direções de rotação opostas.

[00096] Muito embora tais configurações sejam ótimas para determinadas modalidades de um sistema de geração de energia, uma quantidade parcialmente sem limite de outros arranjos e configurações de disposição pode ser, em vez disso, empregada quando julgada eficaz em um dado ambiente operacional.

[00097] Como uma questão prática, a composição de toda a estrutura do propulsor do tipo de aleta-anel seria provavelmente comum, por exemplo, toda ela feita de um metal durável, revestido ou resistente à ferrugem e de peso leve. No entanto, as composições de material diferentes entre as aletas e os anéis também são possíveis e outros materiais, tais como os compostos metálicos, compostos de carbono duro, cerâmica, etc., são certamente possíveis sem se separar do escopo da descrição do momento.

[00098] Conforme retratado na figura 10, quando há uma necessidade por uma quantidade de estruturas de geração de energia em uma área, o sistema de energia pode ser consolidado para a eficiência, com conexões de energia e de controle que são ligadas de volta a uma localização central, tal como uma subestação de controle, estabelecida próxima das unidades instaladas. Esta consolidação de unidades pode ocorrer ou no fundo do oceano, ou em uma estrutura flutuante de água de profundidade média (ou próximo dela).

[00099] A subestação de controle pode ser instalada em uma estrutura de superfície flutuante como um SPAR, ou ela pode ser uma subestação de controle submersa, que usa possivelmente um sistema de boia, que pode ser flutuado até a superfície para a manutenção ou até mesmo fixado no fundo do oceano.

[000100] Em águas profundas, uma instalação de conexão comum ao fundo do oceano exigiria mais cabos de energia e sistemas de controle adicionais que iriam aumentar o custo e a complexidade do sistema, e seria mais difícil de manter do que uma instalação construída mais próxima das correntes na superfície do oceano.

[000101] Uma estrutura flutuante intermediária construída usando-se os elementos similares às plataformas de flutuação associadas às unidades de geração forneceria uma localização de coleta de energia comum enquanto não deixaria nenhuma estrutura permanente penetrar na superfície da água. Esta configuração também exigiria o funcionamento de menos linhas longas de energia e de controle no fundo do oceano, e deixaria bastante tração para os navios na área.

[000102] O terceiro tipo de localização de coleta comum compreende uma estrutura que é amarrada ao fundo do oceano e flutua na superfície do oceano próxima das unidades de geração. Esta abordagem iria compreender muitos tipos de diferentes estruturas, mas um SPAR (conforme mostrado na figura 10) teria algumas das melhores características para desenho e estabilidade durante os eventos climáticos e furacões por causa de seu perfil de onda e de vento reduzido.

[000103] Uma estação consolidada de energia permite a transformação para uma voltagem de transmissão mais alta, desse modo, alcançando a capacidade de transferência de energia superior e escalável para uma rede de transmissão de energia conectada à terra. Permitir voltagens de transmissão maiores também fornece instalações localizadas mais distantes da terra com bons resultados de transmissão de energia. A última transformação de energia pode ser desempenhada ou na estação de consolidação ou em um ou mais transformadores de energia instalados em um tapete de lama do fundo do oceano.

[000104] Dependendo de outras variáveis, também pode haver uma necessidade por um dispositivo síncrono baseado em terra (tal como um grande motor síncrono ou um grande acionador eletrônico de velocidade variável) usado para estabilizar a rede de energia quando a geração de corrente do oceano em alto mar é significantemente maior do que a rede de geração em terra.

[000105] Para os comprimentos significantes no mar, é possível ter um funcionamento de conexão de transmissão de energia de alta voltagem de CC a partir da estrutura de consolidação por todo o caminho até a praia. A energia de CA necessária para as unidades de geração individuais pode ser gerada da voltagem de CC para a CA trifásica para ligar os geradores por indução. Na praia (ou próximo da praia ou até mesmo dali em diante), a CC é conectada à rede de energia ou à rede inteligente como uma típica interconexão de energia de CC.

[000106] Conforme retratado na figura 11, nas localizações no oceano mais profundas, um SPAR não precisa ser suportado pelas plataformas de flutuação, e poderia, portanto, servir como uma instalação de consolidação útil para conectar e desconectar de maneira em escala uma pluralidade de unidades de geração de energia individuais. Conforme mostrado, um SPAR submerso aproximadamente 60 a 152 metros (200 a 500 pés) pode ser permanentemente amarrado ao fundo do oceano usando um meio de amarra forte e seguro, tal como uma corda de poli grossa. Se a corda de poli for primeiro enrolada em uma direção e, então, coberta com uma segunda corda enrolada na direção oposta, a linha combinada e alternativamente enrolada será muito forte e será resistente à torção e às amarras com nó.

[000107] Reconhecendo-se que o peso do cabeamento de aço afetaria os aspectos do desenho com relação à flutuação para a instalação de consolidação, também é possível integrar uma linha de amarração de cabo de aço em cadeia com um cabo de energia fechado no centro. O cabo de amarração de poli pode ser apropriado para esta aplicação devido a sua propensão ao estiramento.

[000108] Um cabo de energia separado corre do SPAR até um transformador ou uma caixa de transmissão instalada no fundo do mar e, então, corre por baixo do fundo do mar em direção ao seu destino final.

[000109] Ainda uma outra abordagem é correr o cabo de energia através de um vão interior de uma corda de poli ou outra linha de amarração, para que só haja uma única linha estendendo-se do SPAR, e o cabo de energia é protegido contra dano pela linha de amarração.

[000110] Voltando-se agora para um sistema de geração de energia por indução do tipo de única estação mais poderoso, (por exemplo, uma modalidade que utiliza propulsores de 12,19 metros (40 pés) e maiores), a figura 12 é uma vista lateral de um sistema de geração de energia de desenho de virar com quatro unidades na qual uma pluralidade de geradores por indução montados frontais são dispostos em uma armação estabelecida pelas plataformas de flutuação com membros conectores.

[000111] Pelo menos quatro propulsores de 12,19 metros (40 pés) ou maiores (dependendo da corrente), junto com as unidades de geração associadas, são dispostos em comunicação mecânica com um eixo giratório ou similar e podem ser girados, ou mecanicamente ou usando- se um sistema de controle lógico disposto em comunicação com um sistema de controle pneumático ou hidráulico, a fim de se tornar, essencialmente, turbinas axiais horizontais de topo e de fundo; então, usando-se o sistema de lastro, a estrutura pode ser flutuada até a superfície para o acesso seguro e eficiente às cápsulas de geração para manutenção e reparo.

[000112] A figura 13 é uma vista de topo da mesma estrutura, que mostra como expandir as capacidades do sistema para um projeto de 6 ou 8 propulsores ou até mesmo maior.

[000113] A figura 14 retrata uma vista frontal do sistema propulsor e de geração de energia com desenho de inversão de quatro unidades, que mostra os propulsores em um plano vertical enquanto em serviço e presos a uma linha de amarração do tipo em Y para estabilidade. Em algumas modalidades, quanto mais propulsores são adicionados ao sistema, uma barra de espaçamento ou outro aparelho semelhante é usado para transmitir estabilidade adicional.

[000114] Na figura 15, o sistema propulsor e de geração de energia com desenho de inversão de quatro unidades é retratado em repouso, mostrado, agora, invertido para uma configuração útil para o transporte, a instalação e a manutenção. Em uma modalidade, as cápsulas do gerador são presas à armação do sistema tal que elas possam girar aproximadamente noventa graus ou mais ao redor de um eixo disposto em comunicação com a armação. Esta rotação pode ser realizada ou manualmente ou usando-se um sistema de controle lógico para girar as cápsulas ao redor do eixo usando um meio de rotação associado, tal como um meio de rotação pneumático ou um meio de rotação hidráulico.

[000115] Em outra modalidade, os lastros são manipulados nas plataformas de flutuação para que as cápsulas de geração e os propulsores virem para cima, conforme seria exigido para o reboque controlado quando a estrutura está sendo liberada para o campo, ou quando a manutenção para os propulsores, geradores, engrenagens, etc., é necessária. Assim, quando as cápsulas de geração e os propulsores estão na maior parte ou completamente acima do nível da superfície, os propulsores não causam instabilidade para toda a estrutura devido à resistência ao vento, etc.

[000116] Muito embora ainda outros aspectos da invenção, que na prática atual tipicamente compreende dispositivos associados à produção de energia debaixo d'água geralmente (por exemplo, fontes de fornecimento de energia auxiliares, sistemas de comunicação e controle de fibra ótica, veículos operados remotos encarregados do serviço usados para servir a estação de energia, etc.), sejam certamente contemplados como periféricos para o uso na disposição, no posicionamento, no controle e na operação do sistema, não se julga necessário descrever todos os tais itens em grandes detalhes conforme tais outros sistemas e subsistemas irão naturalmente ocorrer para aqueles versados nas técnicas pertinentes.

[000117] Muito embora a presente invenção tenha sido retratada e descrita em detalhes acima com relação às diversas modalidades exemplificativas, aqueles versados na técnica também irão observar que as menores alterações na descrição e várias outras modificações, omissões e adições também possam ser usadas sem se separar ou do espírito ou do escopo dela.

Claims

1. Instalação de consolidação para consolidar a energia gerada por uma pluralidade de sistemas de geração de energia da corrente d'água caracterizada pelo fato de que cada um dos sistemas de geração de energia compreende uma ou mais câmaras de flutuação submersas; uma ou mais unidades de geração de energia do tipo por indução submersas dispostas em comunicação com as câmaras de flutuação; um ou mais propulsores (105, 206, 407, 510) dispostos em comunicação com as unidades geradoras de energia do tipo por indução (104, 204, 205, 405, 406); um sistema de amarração; e um meio de saída de energia gerada, a instalação de consolidação compreende ainda: meio para receber a energia gerada pelos sistemas de geração de energia e transferida para a instalação de consolidação pelo meio de saída de energia gerada.

2. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a instalação é instalada em uma superfície do chão de um corpo d'água.

3. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a instalação é submersa em um corpo d'água entre a superfície do chão do corpo d'água e a superfície da água.

4. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a instalação compreende ainda: uma ou mais câmaras de flutuação submersas, em que uma ou mais das câmaras de flutuação submersas compreendem ainda uma ou mais câmaras de isolamento (303, 304) de fluido flutuante, e em que uma ou mais das câmaras de isolamento (303, 304) compreendem ainda um fluido flutuante disposto nelas, uma válvula de admissão de fluido flutuante, uma válvula de saída de fluido flutuante e um meio de controle de fonte de fluido flutuante.

5. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a instalação flutua em uma superfície da água próxima dos sistemas submersos de geração de energia da corrente d'água.

6. Instalação de consolidação, de acordo com a reivin dicação 5, caracterizada pelo fato de que a instalação é um SPAR.

7. Instalação de consolidação, de acordo com a reivin dicação 5, caracterizada pelo fato de que a instalação é amarrada a uma superfície do chão do corpo d'água.

8. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a instalação é amarrada por uma corda de poli que compreende duas camadas, com uma primeira camada sendo enrolada em uma direção no sentido horário e uma segunda camada sendo enrolada em uma direção no sentido anti- horário.

9. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda meio para transferir a energia consolidada obtida a partir da pluralidade de sistemas de geração de energia da corrente d'água para uma rede de energia.

10. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda meio para transferir a energia consolidada obtida a partir da pluralidade de sistemas de geração de energia da corrente d'água para um ou mais dispositivos de transformação de energia.

11. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o um ou mais dispositivos de transformação de energia transformam a energia transferida em uma voltagem de transmissão mais alta.

12. Instalação de consolidação, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o um ou mais dispositivos de transformação de energia transformam a energia transferida em uma voltagem de transmissão mais baixa.