BR102015030885A2 - turbina de autorrotação para extração de energia hidrocinética - Google Patents

Abstract

turbina de autorrotação para extração de energia hidrocinética a presente invenção refere-se a uma turbina de autorrotação para extração de energia hidrocinética em correntes de fluidos com baixos números de reynolds, tipicamente em torno de 21000. a turbina (10) apresenta uma única pá (20) reta conectada a pelo menos um eixo (30,31), o eixo (30,31) fixo ao ponto médio de um dos bordos da pá, permitindo que a pá (20) gire em torno de si mesma. a turbina (10) apresenta ainda pelo menos um elemento de massa adicional (51,51l,51r), vinculado ao pelo menos um eixo (30,31) aumentando o momento de inércia da turbina.

Description

TURBINA DE AUTORROTAÇÃO PARA EXTRAÇÃO DE ENERGIA

HIDROCINÉTICA

[001] Trata-se de uma turbina hidráulica de pás retas, que se aproveita do fenômeno da autorrotação para extrair energia cinética de correntes de fluidos com baixos números de Reynolds, por exemplo, correntes maritimas e correntes de rios, córregos e lagos.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] A análise do consumo mundial de energia revela que, no período de 1973 a 2012, o consumo aumentou gradualmente até dobrar. A maior parte do abastecimento de energia depende de fontes não renováveis, como o óleo e o carvão, que têm sua disponibilidade limitada. Por isso, nos últimos anos, houve um crescente interesse na coleta de energia proveniente de recursos renováveis.

[003] Fontes de fluxo de água em rios, marés, correntes marinhas são fontes limpas e renováveis de energia, que têm como vantagem uma maior previsibilidade em relação a outras fontes de energia renováveis. Estas fontes são atraentes alternativas não poluentes para reduzir a atual dependência de combustíveis fósseis e usinas nucleares. Para o aproveitamento da energia a partir de correntes de água de fontes mencionadas acima, os dispositivos devem ser capazes de utilizar a energia cinética de pequenas correntes de elevação de água. Essas tecnologias devem ser projetadas para carga hidráulica de menos de 2 metros, sendo muitas vezes referidas como energia hidrelétrica cinética ou turbinas hidrocinéticas.

[004] As turbinas hidrocinéticas existentes geralmente são projetadas para uma velocidade da corrente idealmente na faixa de 1,5 e 3,5 m/s. Entretanto, a velocidade média da corrente oceânica no mundo é inferior a 1 m/s. Portanto, as tecnologias comuns não são executáveis para plantas submarinas, sendo necessária uma tecnologia compatível com as correntes oceânicas.

[005] No documento do estado da técnica Fernandes et al., 2013 (Fernandes, A. C., Rostami, A. B., Canzian, L. G., e Sefat, S. M. "Vertical axis current turbine (VACT) and its efficiency." ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. American Society of Mechanical Engineers, 2013), é descrito um aparato experimental e resultados de ensaios de eficiência de uma turbina de eixo vertical para aproveitamento de energia de correntes de fluido com baixos números de Reynolds.

[006] Essa turbina experimental do estado da técnica compreende, como seus elementos principais: um eixo vertical; uma placa plana, centrada no eixo e conectada ao mesmo; dois ou mais elementos de massa concentrada conectados ao eixo, a uma determinada distância em relação ao eixo e dispostos de maneira balanceada em relação ao eixo.

[007] No trabalho de Fernandes et al., foi postulado que a eficiência de extração (ε) é uma função de quatro parâmetros adimensionais, quais sejam: o momento de inércia (I*); a taxa da velocidade de ponta da pá (λ); o número de Reynolds do escoamento (Re); e a razão de aspecto molhado da pá (Y) . Essa relação é apresentada genericamente como ε = ί (I*, λ,Re,Y) . Foram realizados ensaios fixando os parâmetros de razão de aspecto e Reynolds, e variando os parâmetros de momento de inercial e velocidade de ponta. Os melhores resultados de eficiência foram em torno de 7%.

[008] A patente canadense CA1278523 apresenta uma turbina hidrocinética. Em uma modalidade principal do objeto descrito, a turbina compreende dois eixos verticais colineares, fixos respectivamente em uma porção superior e em uma porção inferior de uma placa plana, a placa plana possuindo uma corda variável, em que a sua porção superior tem dimensões maiores do que a sua porção inferior. A turbina compreendendo ainda flaps nas extremidades da placa mais distantes do eixo, os flaps apontados em direções opostas. Os flaps revelados nessa patente formam um ângulo agudo com a placa plana.

[009] Na patente coreana KR101310877 é descrito um dispositivo de geração de energia a partir de correntes de fluido. 0 dispositivo compreende: um eixo vertical apoiado em um mancai inferior e uma mancai superior; uma placa plana centrada no eixo vertical e conectada ao mesmo, a placa plana compreendendo flaps nas extremidades mais distantes do eixo, os flaps sendo apontados em direções opostas.

[0010] Em uma modalidade do dispositivo descrito, os flaps possuem flaps menores em suas extremidades inferiores e o eixo possui ainda pás de sustentação com a finalidade de reduzir o atrito sobre o mancai inferior. Em uma modalidade particular deste dispositivo os flaps podem ser dispostos em qualquer ângulo com a placa plana, de onde decorre de maneira óbvia para um técnico no assunto que sua influência na interação fluido-estrutura será observada tanto no arraste quanto na sustentação.

[0011] Este dispositivo da patente coreana não apresenta elementos adicionais de massa conectados ao eixo com a finalidade de aumentar a massa inercial do conjunto eixo-pás, como em Fernandes et al. , 2013. Também não é descrito um eixo bipartido, como em CA1278523, sendo o eixo vertical desta patente coreana em formato de um cilindro se estendendo desde a porção superior da placa plana até sua porção inferior, tendo influência negativa na eficiência de extração de energia da corrente de fluido.

[0012] A presente invenção introduz uma solução para os problemas do estado da técnica, sendo facilmente implementável e tendo alta eficiência para fornecer energia para plantas submarinas e outras correntes de baixa velocidade. A velocidade ótima de corrente para operação da turbina da presente invenção é bastante baixa (na faixa de 0,1 m/s a 0,5 m/s), o que a torna viável para operar nas velocidades tipicamente baixas das correntes oceânicas.

[0013] Os resultados de eficiência obtidos segundo os ensinamentos da invenção são muito superiores àqueles das turbinas conhecidas do estado da técnica, chegando a uma eficiência até 5 vezes superior à técnica anterior quando trabalhando em iguais condições.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0014] A presente invenção trata-se de uma turbina para extração de energia cinética de correntes de fluidos. Uma característica particular desta turbina para corrente de fluidos é o fato de não possuir voluta, de modo que a corrente entra diretamente em contato com a pá.

[0015] A turbina possui uma única pá em formato de placa plana, centrada em relação a um eixo de saída. O eixo é fixo no ponto médio de uma das extremidades da pá, fazendo com que a placa plana acione o eixo girando em torno de si mesma devido ao escoamento incidente na mesma, no fenômeno conhecido como autorrotação. Pelo menos um mancai é provido ao longo do eixo para apoiar o peso próprio do conjunto eixo-placa e para mancalizar a rotação do eixo.

[0016] Como característica essencial, a turbina possui dois flaps fixos à pá, cada um conectado a uma das duas extremidades da placa localizadas nas posições mais distantes do eixo de rotação. Os dois flaps formam um ângulo obtuso com a pá e apontam em direções opostas. Em uma modalidade, os flaps podem ter formato de placa plana. Em outra modalidade, os flaps podem ter formato curvo com variação contínua da curvatura média.

[0017] Outra característica essencial da turbina é o fato de apresentar pelo menos um elemento adicional de massa conectado ao seu eixo. A combinação desta característica com as características geométricas da pá é de fundamental importância para a obtenção os resultados desejáveis que foram observados.

[0018] A massa adicional tem como função modificar o momento de inércia da turbina, sem alterar as características aerodinâmicas da pá. Essa massa adicional pode ser um anel, uma anilha, um toróide, um conjunto de massas concentradas, etc., ou, ainda, a combinação desses elementos. Independentemente da quantidade e do formato dos elementos adicionais de massa, a massa total adicionada é preferivelmente disposta de maneira balanceada em relação ao eixo.

[0019] Em sua modalidade preferencial, a turbina é disposta na vertical, quando considerado o campo gravitacional. Em modalidades alternativas, a turbina pode ser provida na horizontal, ou em qualquer ângulo com a horizontal.

[0020] A combinação das características geométricas essenciais à presente invenção com a otimização do momento de inércia da turbina resulta em valores de eficiência de extração energética muito superiores àquelas das turbinas conhecidas do estado da técnica, quando feita a comparação sob as mesmas condições de baixos números de Reynolds.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0021] A presente invenção será, a seguir, descrita com referência às modalidades representadas nas figuras.

[0022] A figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de uma modalidade da turbina da presente invenção.

[0023] A figura 2 é uma vista esquemática em perspectiva de uma outra modalidade da turbina da presente invenção.

[0024] A figura 3 é uma vista esquemática em perspectiva de uma outra modalidade da turbina da presente invenção.

[0025] A figura 4 é uma vista esquemática em perspectiva de uma outra modalidade da turbina da presente invenção.

[0026] A figura 5 é uma vista esquemática em perspectiva de uma outra modalidade da turbina da presente invenção.

[0027] A figura 6 é uma vista de topo da pá de uma modalidade da turbina da presente invenção.

[0028] A figura 7 é uma vista de topo da pá de uma outra modalidade da turbina da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0029] A presente invenção é uma turbina de autorrotação para extração de energia hidrocinética. As características geométricas e inerciais da referida turbina resultam em uma eficiência de extração de energia de correntes muito elevada quando comparada àquelas das turbinas hidrocinéticas do estado da técnica.

[0030] Os objetivos da presente invenção foram alcançados por meio de uma turbina de autorrotação mecanicamente muito simples, compreendendo essencialmente: uma placa plana, preferencialmente vertical, com flaps nos bordos laterais; um eixo vertical fixo ao bordo superior da placa, com elementos adicionais de massa vinculados ao eixo vertical, com a finalidade de aumentar a massa inercial do conjunto.

[0031] A eficiência de extração energética da turbina da presente invenção chega até 33%, em ensaio em correntes com número de Reynolds em torno de 21000, sendo esse valor de velocidade de escoamento compatível com correntes marítimas e de rios. Por sua vez, para valores maiores de velocidade de escoamento, a eficiência pode ser ainda maior, chegando a mais de 5 vezes o valor de eficiência da técnica anterior.

[0032] A correlação de performance entre essa geometria da placa plana vertical com flaps e adição de massa inércia não havia sido observada anteriormente, sendo a sinergia entre esses dois parâmetros responsável pelos resultados muito superiores quando comparados aos dos dispositivos do estado da técnica.

[0033] Essa correlação foi observada a partir de ensaios experimentais tomados de uma placa plana vertical com flaps, com dimensões fixas de 5 mm de espessura, 0,6 metros de altura, 0,3 m de largura apresentando no ensaio razão de aspecto molhado de 1,66 e razão de bloqueio de 0,21. A correlação entre eficiência e parâmetros relevantes do fenômeno foi obtida pelo ajuste de uma curva logaritmica dos dados experimentais, como segue: [0034] sRe°' 60/104À°'5+Vl* = -2,lLn(À)+A

[0035] em que ε é a eficiência de extração de energia; Re é o número de Reynolds do escoamento, λ é a velocidade adimensional de ponta da turbina, com respeito a velocidade do escoamento (V/V°°) ; I* é o momento de inércia adimensional da turbina, com respeito a densidade e a corda C da pá (I/pC5); e A é o coeficiente de ajuste da curva. Essa correlação foi validada para o dominio de 20000<Re<100000; 0,45<λ<1,55; I*>0,3.

[0036] Com referência ao experimento descrito acima, 95% dos valores de resultados experimentais puderam ser ajustados pela faixa de coeficientes 0,55âAâl,2.

[0037] A figura 1 apresenta os principais elementos de uma turbina 10 da presente invenção, em que a turbina 10 é disposta verticalmente para extração de energia da corrente de fluido.

Nessa modalidade preferida, a turbina representada compreende: uma pá 20 em formato de placa plana vertical, possuindo dois flaps fixos 21R,21L em suas extremidades laterais; um eixo de saída 31 apoiado um mancai 41; um eixo de apoio 30 suportado por um mancai 40; dois elementos adicionais de massa 51L,51R conectados ao eixo de saída 31 por um elemento de fixação 50 dos elementos adicionais de massa 51L,51R; e um sistema mecânico de saída de potência, como um gerador de energia elétrica.

[0038] A pá 20 gira em torno de seu próprio eixo central vertical, sendo vinculada ao eixo de saída 31 na sua porção superior, e ao eixo de apoio 30 na sua porção inferior, sendo o de saída 31 colinear ao eixo de apoio 30. Ambos os eixos são fixados ao ponto médio das respectivas extremidades da pá 20.

[0039] Os elementos adicionais de massa 51R,51L estão fixos ao eixo de saída 31 por um elemento de fixação 50, que pode ser uma haste suportando os elementos adicionais de massa 51R,51L em suas extremidades e vinculada ao eixo de saída 31. 0 peso dos elementos adicionais de massa 51R,51L e o comprimento da haste do elemento de fixação 50 irão determinar o aumento do momento de inércia da turbina. Em outras modalidades da presente invenção, quaisquer números de elementos adicionais de massa poderão ser vinculados ao eixo de saída 31, sendo sua massa total preferencialmente distribuída de maneira balanceada em relação ao eixo 31.

[0040] Os mancais 40,41 serão selecionados de um grupo compreendendo mancais radiais, mancais axiais, de mancais deslizamento, mancais de rolamento, e mancais apresentando quaisquer combinações dessas características. Um técnico no assunto será capaz de selecionar o mancai adequado as condições de trabalho.

[0041] Os flaps 21R,21L formam um ângulo com a pá 20 entre 90° e 180°, preferencialmente entre 110° e 124°. Nessa modalidade da figura 1, os dois flaps 21R,21L apresentam formato de placa plana.

[0042] Para facilitar a compreensão da invenção, os números de referência dos elementos foram mantidos os mesmos nas diferentes figuras, sempre que se tratassem de elementos similares. Entende-se que os elementos e características de uma forma de concretização possam ser incorporados convenientemente em outras formas de concretização, de maneira óbvia, sem esclarecimentos adicionais.

[0043] Na figura 2 é apresentada uma modalidade da turbina da presente invenção similar àquela da figura 1, exceto pelo fato de que os dois flaps fixos 21R',21L' têm formato curvo, com variação continua da curvatura média, e as extremidades dos flaps fixos 211/, 21R' formam um ângulo obtuso com a pá 20, entre 90° e 180°, preferencialmente entre 110° e 124°. As figuras 6 e 7 apresentam em detalhes as diferenças entre o perfil dos flaps curvos e dos flaps em formato de placa plana.

[0044] Na figura 3 é apresentada uma modalidade da turbina da presente invenção similar àquela da figura 1, exceto pelo fato de que apresenta apenas um eixo de saida 31, mancalizado em pelo menos um mancai de saida 41. Nessa modalidade, a pá encontra-se em balanço, não havendo um mancai de apoio na sua porção inferior.

[0045] Na figura 4 é apresentada uma modalidade da turbina da presente invenção similar àquela da figura 1, exceto pelo fato de que o elemento adicional de massa 51 tem formato de anel, disposto alinhado coaxialmente ao eixo de saida 31, vinculado ao eixo de saida 31. A massa do elemento adicional de massa distribuída de maneira balanceada em relação ao centro do eixo de saída 31.

[0046] Na figura 5 é apresentada uma modalidade da turbina da presente invenção similar àquela da figura 4, exceto pelo fato de que a turbina 10, quando posicionada em contato com a corrente para extração de energia, é disposta em um ângulo qualquer com a direção vertical, considerado o campo gravitacional.

[0047] Na figura 6 e 7 é apresentada uma visão de topo de duas modalidades da pá da presente invenção. A pá (20) apresentada na figura 6 tem flaps fixos (211/,21R') com formato curvo em sua extremidade, sendo formado um ângulo obtuso entre a pá (20) e as extremidades dos flaps fixos (211/, 21R') . A pá (20) apresentada na figura 6 tem flaps fixos (21L,21R) com formato de placa plana, sendo formado um ângulo obtuso entre a pá (20) e os flaps (21L,21R).

[0048] Cabe notar que, muito embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a alguns exemplos específicos, os versados na técnica certamente serão capazes de conceber muitas outras formas equivalentes de turbinas de autorrotação para extração de energia hidrocinética, munidos das características conforme apresentadas nas reivindicações ora apensas e, por conseguinte, estando as mesmas dentro do escopo de proteção requerido pelo presente pedido de patente de invenção. LISTA DE NÚMEROS DE REFERÊNCIA DAS FIGURAS turbina (10) pá (20) flap fixo (21R,21L,21R',21L') eixo de apoio (30) eixo de saída (31) mancai de apoio (40) mancai de saída (41) sistema mecânico de saída de potência (42) elemento de fixação (50) elemento adicional de massa (51,51R,51L) REIVINDICAÇÕES

Claims (9)

1. Turbina de autorrotação para extração de energia hidrocinética, compreendendo pelo menos um eixo (30,31) apoiado em pelo menos um mancai (40,41); e uma pá (20) em formato de placa plana, centrada em relação ao pelo menos um eixo (30,31) e fixa no pelo menos um eixo (30,31) por sua extremidade adjacente ao eixo, a turbina (10) CARACTERIZADA por ainda compreender dois flaps fixos (21R,21L), cada um conectado em uma das extremidades da pá (20) distais do centro do pelo menos um eixo, cada flap fixo (21R,21L) apontando em direções opostas; e pelo menos um elemento adicional de massa (51,51R,51L) conectado ao pelo menos um eixo (30,31).

2. Turbina, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que os dois flaps fixos (21R,21L) tem formato de placa plana e formam um ângulo obtuso com a pá (20).

3. Turbina, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que os dois flaps fixos (21R',21L/) têm formato curvo, com variação continua da curvatura média, e as extremidades dos flaps fixos (211/, 21R') formam um ângulo obtuso com a pá (20).

4. Turbina, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, CARACTERIZADA pelo fato de que o pelo menos um eixo compreende um eixo de saida (31), conectado a uma extremidade da pá (20) e a um sistema mecânico de saida de potência (42), por exemplo um gerador elétrico, em que o eixo de saida (31) é mancalizado em pelo menos um mancai de saida (41).

5. Turbina, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADA pelo fato de que o pelo menos um eixo ainda compreende um eixo de apoio (30), fixado em uma extremidade da pá (20) oposta à extremidade de fixação do eixo de saida (31), em que o eixo de apoio (30) é colinear ao eixo de saida (30) e é mancalizado em pelo menos um mancai de apoio (40) .

6. Turbina, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, CARACTERIZADA pelo fato de que o pelo menos um elemento adicional de massa compreende um elemento adicional de massa (51) em formato de anel, disposto alinhado coaxialmente ao pelo menos um eixo, sendo a massa do elemento adicional de massa distribuída de maneira balanceada em relação ao centro do pelo menos um eixo (30,31).

7. Turbina, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADA pelo fato de que o pelo menos um eixo (30,31) é disposto em um ângulo qualquer com a direção vertical, considerado o campo gravitacional do planeta.

8. Turbina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4, 5 ou 6, CARACTERIZADA pelo fato de que o pelo menos elemento adicional de massa (51R,51L) compreende uma pluralidade de elementos adicionais de massa (51R,51L), a massa total da pluralidade de elementos adicionais de massa (51R,51L) distribuída de maneira balanceada em relação ao centro do pelo menos um eixo (30,31) .

9. Turbina, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADA pelo fato de que o pelo menos um eixo (30,31) é disposto na direção vertical, considerado o campo gravitacional.