BR102017023946A2 - Sistema de dessalinização de água utilizando energia eólica - Google Patents

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Abstract

é descrito um sistema de dessalinização de água utilizando energia eólica, que apresenta uma unidade de coleta (uc) de água do mar através de uma bomba hidráulica (bh) alimentada pela energia gerada em uma turbina eólica (te); uma unidade de filtragem (uf) que recebe a água do mar coletada pela unidade de coleta (uc) para retenção dos elementos sólidos e uma unidade de dessalinização por osmose reversa (ud) impulsionada por uma bomba de alta pressão (ba) que recebe a água salgada filtrada, dita unidade de dessalinização (ud) dotada de uma saída para escoamento do rejeito do processo acumulado em um reservatório (rrej) e uma saída para escoamento da água dessalinizada para ser acumulada em um reservatório (rdes), dispensando a utilização de pressurizadores para o controle da pressão sobre as membranas e de inversores de energia para o trânsito da água bruta e o retorno do rejeito, bem como a utilização de válvulas de retenção para controle de pressão.

Description

SISTEMA DE DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUA UTILIZANDO ENERGIA EÓLICA
CAMPO DA INVENÇÃO [01] A presente patente de invenção descreve um sistema de dessalinização de água utilizando energia eólica. Mais especificamente compreende um sistema de dessalinização de água por osmose reversa que utiliza a energia eólica captada por uma turbina como fonte de energia, dispensando a utilização de pressurizadores para o controle da pressão sobre as membranas e de inversores de energia para o trânsito da água bruta e o retorno do rejeito, bem como a utilização de válvulas de retenção para controle de pressão, utilizando membranas nanotecnológicas, que garantem uma eficiência de quase 100%.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [02] Em um mundo onde mais de 97% da água que existe é salgada, a transformação dessa água em água potável despertou o interesse da humanidade a muito tempo.
[03] Convencionalmente, a água salgada é aquecida ao passar dentro de tubos no interior de uma câmara que contém sobras de vapor provenientes de uma usina de energia - uma espécie de radiador ao contrário. A água salgada quente entra então numa câmara despressurizada que reduz a temperatura na qual a água está fervendo, em um processo chamado de eletrólise.
[04] A segunda tecnologia de dessalinização, a da osmose inversa, foi se tornando cada vez mais popular a partir dos anos 70. Na sua essência, trata-se de um sistema de filtragem. A água bombeada é projetada por meio de uma forte pressão contra uma membrana que retém as moléculas maiores de sal e deixa passar as moléculas
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2/9 menores de água limpa. Contudo, os filtros são eficientes apenas em parte, e a água precisa ser pressurizada e passar pelos filtros várias vezes até conseguir ficar limpa.
[05] Atualmente uma usina de osmose reversa consome cerca de 6 kw/h de eletricidade para obtenção de 1 m3 de água doce.
[06] Ambas as tecnologias requerem grandes quantidades de energia. Até recentemente, custavam vários dólares para produzir um único metro cúbico, o que inviabiliza sua aplicação para a obtenção de água potável.
[07] O desenvolvimento de filtros maior desenvolvimento tecnológico vem diminuindo os custos de dessalinização. A aplicação da nanotecnologia promete diminuir os custos da produção, de cada litro de água, em até 25%, viabilizando a dessalinização da água para obtenção de água potável.
[08] No entanto, a dessalinização da água pode causar danos ao meio ambiente. Um dos problemas é o destino dos resíduos de água salobra, os quais podem corresponder à metade ou mais do volume total da água processada. A maioria das usinas, de maneira bastante natural, os despeja de volta no mar. Mas esta água salgada usada também contém os produtos da corrosão que foi gerada durante o processo de dessalinização, assim como as substâncias químicas que foram adicionadas para reduzir tanto a corrosão quanto o desenvolvimento de tártaro nas usinas. Se o sal for despejado no solo, este fica inviável para a agricultura, e os aquíferos se contaminam.
[09] Ainda, a água dessalinizada também gera custos maiores do que o normal para ser distribuída. Ela é produzida, inevitavelmente, no nível do mar. Embora uma grande parte da população mundial viva
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3/9 em regiões costeiras, sempre será preciso bombear a água para outros lugares, o que custa dinheiro e energia. A maioria dos sistemas de fornecimento de água é projetada para captar a água o mais alto possível e fornecê-la usando a gravidade. Esta não é uma opção adequada para a água dessalinizada.
[010] Hoje, a capacidade global de dessalinização aproxima-se de 10 quilômetros cúbicos por ano - ou seja, cerca de 3% do abastecimento global em água corrente doméstica. Os dois terços desta capacidade são dedicados ao processamento da água do mar, e o restante à limpeza de águas salobras subterrâneas. Mas a água para consumo doméstico é objeto de uma demanda menor na maioria dos países. Os dois terços da água disponível em todo o mundo são utilizados para irrigar plantações.
[011] O estado da técnica descreve sistemas de dessalinização de água onde a energia elétrica é gerada a partir da energia eólica.
[012] O documento CN106045114 descreve uma estação de armazenamento de água doce baseada na tecnologia de dessalinização da água do mar através de osmose inversa. Depois que a água do mar é dessalinizada pelo mecanismo de dessalinização, a água salgada é transportada para um depósito de água no solo através de um cilindro de transferência de água. O mecanismo de dessalinização da água do mar é formado pela disposição de pelo menos três dispositivos de dessalinização da água do mar lado a lado, e os dispositivos de dessalinização da água do mar são ligados através de cabos de tração. Os mecanismos de osmose reversa são dispostos nos dispositivos de dessalinização da água do mar e dispostos 5m abaixo da superfície da água e conectados com cilindros de armazenamento de água na superfície
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4/9 da água através de tubos de refluxo. A energia elétrica pode ser gerada através de energia eólica, energia solar e energia hidráulica a ser fornecida para a estação de armazenamento.
[013] O documento CN105923708 descreve um dispositivo de dessalinização de água do mar por osmose inversa que consiste em uma cuba de armazenamento de água, um mecanismo de osmose inversa, um mecanismo de drenagem de água e um sistema de energia elétrica que pode gerar eletricidade utilizando energia eólica, energia solar e energia hidráulica e é usado para fornecer energia elétrica para o mecanismo de drenagem de água. Uma tela de filtro está disposta numa posição 2m abaixo da água e está ligada com a cuba de armazenamento de água sobre a água em virtude de um tubo de retorno [014] O documento CN104402091 descreve um dispositivo de osmose reversa de dessalinização de água do mar capaz de operar em tempo real com carga variável. O dispositivo de osmose reversa de dessalinização de água do mar consiste num sistema de controle inteligente e um sistema de dessalinização por osmose inversa, em que o sistema de controle inteligente compreende uma fonte de geração de energia, um sistema de controle de retificador, uma bateria de armazenamento UPS, um inversor, um sistema de controlo PLC, e uma rede de alimentação. Fontes de energia instáveis, tais como energia eólica, energia solar, energia de maré e semelhantes podem ser utilizadas eficazmente.
[015] O documento CN204039212 descreve um dispositivo modular de tratamento de água compreende uma bomba de sucção de água, um oxigenador, um motor e uma bateria de armazenamento. Um banho de eletrólise é disposto atrás do tanque de aeração. Uma
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5/9 membrana de osmose reversa é conectada por trás do banho de eletrólise. As águas residuais são tratadas através de floculação, aeração e eletrólise e uma membrana de osmose reversa. A energia solar e a energia eólica são adotadas no dispositivo para gerar eletricidade.
[016] O documento CN202924841 descreve um cata-vento aplicável à dessalinização por osmose inversa, que compreende uma pá de ventilador, em que a pá de ventilador está ligada a uma engrenagem. Uma bomba de pistão controla a entrada da água do mar para entrar no módulo de membrana de osmose reversa. É utilizada energia eólica para girar a pá do ventilador, a engrenagem é dirigida para impulsionar a bomba de pistão para circular a água do mar pré-tratada de forma pressurizada e um tratamento de dessalinização por osmose reversa é realizado.
[017] O documento CN202729855 descreve um sistema de dessalinização de água do mar que utiliza a energia eólica compreende um corpo flutuante e um ventilador axial horizontal e um ventilador axial vertical que estão dispostos no corpo flutuante, em que o ventilador axial horizontal é mais elevado do que o ventilador axial horizontal, uma bomba de alta velocidade e uma membrana de osmose inversa que estão sequencialmente e coaxialmente ligadas uma à outra, com a roda de vento suportada no rolamento do eixo principal do sistema mecânico de deslocamento da água para a membrana da unidade de osmose reversa.
[018] O documento CN102381792 um método para dessalinizar água do mar e produzir sal marinho usando energia natural completa. No método, a energia elétrica é fornecida por um gerador movido a vento, uma bateria de armazenamento e um inversor; A água do mar é
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6/9 alimentada em um tanque de água do mar usando uma fonte de ar de um compressor de ar de vento como potência de uma bomba pneumática; A água do mar é injetada em um filtro se seguindo para uma unidade de osmose reversa por uma bomba pneumática de alta pressão; A água do mar desalinizada é introduzida num tanque de água doce para armazenar; E água salgada concentrada de alta salinidade é introduzida em uma lagoa de cristalização através de um tubo de descarga e ainda é sub-curado para produzir o sal do mar. A energia eólica é adotada para gerar energia, de modo que a energia elétrica pode ser economizada.
[019] O documento CN104495983 descreve um sistema de dessalinização de água do mar dessalinização compreende uma unidade de dessalinização de água do mar, uma unidade de armazenamento, um conjunto de armazenamento de água, um dispositivo de conversão de energia, uma unidade de pré-tratamento e tubos relacionados. A unidade de dessalinização de água do mar é impulsionada por energia mecânica fornecida por uma turbina eólica e uma turbina hidráulica.
[020] No entanto, os documentos do estado da técnica, em que pese fazerem uso de energia eólica, necessitam de pressurizadores para o controle da pressão sobre as membranas e a existência de inversores de energia para o trânsito da água bruta e o retorno do rejeito, bem como a utilização de válvulas de retenção para controle de pressão, o que torna o sistema complexo e de alto custo.
[021] Dessa forma, a fim de viabilizar a dessalinização da água dos mares sem alto gasto energético, que atualmente representa 50% dos custos operacionais, ou sem utilizar combustíveis fósseis que causa aumento das emissões de carbono na atmosfera, é objeto da presente
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7/9 patente de invenção um sistema de dessalinização de água por osmose reversa que utiliza a energia eólica captada por uma turbina como fonte de energia, dispensando a utilização de pressurizadores para o controle da pressão sobre as membranas e de inversores de energia para o trânsito da água bruta e o retorno do rejeito, bem como a utilização de válvulas de retenção para controle de pressão, utilizando membranas nanotecnológicas, que garantem uma eficiência de quase 100%.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [022] A figura 1 apresenta a turbina eólica (Te) que alimenta a bomba hidráulica (Bh).
[023] A figura 1 apresenta representação esquemática do sistema de dessalinização de água utilizando BDE (Bomba de Dessalinização Eólica).
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [024] O sistema de dessalinização de água utilizando energia eólica, objeto da presente patente de invenção, compreende uma unidade de coleta (Uc) que realiza a coleta da água do mar através de uma bomba hidráulica (Bh) alimentada pela energia gerada por uma turbina eólica (Te), que absorve parte da potência cinética do vento através de um rotor aerodinâmico, convertendo em potência mecânica do eixo (torque x rotação).
[025] A turbina eólica (Te) é composta por um rotor circular e pela torre que o sustenta, apresentando pás rotativas que podem extrair energia cinética somente do ar que passa através da área interceptada pelas ditas pás, sendo acoplado ao eixo do rotor um jogo de engrenagens para o controle da velocidade do eixo, para a devida transferência de torque para a bomba.
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8/9 [026] A área varrida pelo rotor circular (pr2) será um fator crucial na determinação da energia entregue pela turbina eólica (torque).
[027] A energia cinética bruta por unidade de tempo, potência do vento passando por uma área “A” perpendicular ao seu vetor velocidade instantânea V, é dada por:
[028] P=Cp 1/2 r.A.v3, [029] sendo A = área do rotor; r = densidade do ar, que varia com a latitude e as condições atmosféricas (r~= 1,2 kg/m3); Cp = o coeficiente da performance que se relaciona com a energia cinética de saída e depende do modelo e da relação entre a velocidade do rotor e a velocidade do vento(coeficiente de potência), de modo que o Cpmax = 0,593, não sendo possível aproveitar mais do que 60% da potência do vento; V= velocidade do vento em m/s.
[030] A energia potencial da turbina eólica (Te) depende do cubo da velocidade do vento, isto significa, por exemplo, que se a velocidade do vento em um local dobrar, a energia potencial de saída da turbina eólica é multiplicada por 8 (23).
[031] As pás da turbina eólica (Te) apresentam variadas formas e empregam os mais variados materiais. Preferentemente, são utilizadas pás rígidas de madeira, alumínio, aço, fibra de vidro ou fibra de carbono. O dimensionamento das pás determina o torque exercido (transferido) para o eixo do rotor, isso em função de seu peso e formato (comprimento, ângulo de passo, forças de arrasto, etc.) que transferência a pressão necessária ao pistão.
[032] A água do mar coletada pela unidade de coleta (Uc), através da bomba hidráulica (Bh), é direcionada para uma unidade de filtragem (Uf) que separa o fluído dos elementos sólidos, tal como algas, pequenos animais e resíduos.
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9/9 [033] A água salgada filtrada segue para uma unidade de dessalinização por osmose reversa (Ud) impulsionada por uma bomba de alta pressão(Ba).
[034] Na unidade de dessalinização por osmose reversa (Ud) são dispostas membranas nanotecnológicas ou com eficiência acima de 95% para reter as moléculas de sal, a fim de prover a dessalinização da água salgada.
[035] Preferentemente, as membranas nanotecnológicassão de Nitreto de Boro, que aceleram o processo de dessalinização em até 5 vezes com relação ao processo atual de osmose reversa, ou folhas de óxido de grafeno, que é um material 500 vezes mais fino e 1000 vezes mais forte que qualquer filtro disponível no mercado atual, com um consumo de energia elétrica 100 vezes menor.
[036] A unidade de dessalinização (Ud) apresenta uma saída para escoamento do rejeito do processo (água altamente salinizada) que é acumulado em um reservatório (Rrej), evitando o descarte no mar, e uma saída para escoamento da água dessalinizada para ser acumulada em um reservatório (Rdes).
[037] A interconexão de dispositivos para a dessalinização de água utilizando energia eólica permite criar usinas de produção de água doce.

Claims (2)

  1. REIVINDICAÇÕES:
    1. SISTEMA DE DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUA UTILIZANDO ENERGIA EÓLICA gerada por uma turbina eólica composta por um rotor circular e pela torre que o sustenta, apresentando pás rotativas e sendo acoplado ao eixo do rotor um jogo de engrenagens para o controle da velocidade do eixo, caracterizado por compreender:
    a) uma unidade de coleta (Uc) de água do mar através de uma bomba hidráulica (Bh) alimentada pela energia gerada em uma turbina eólica (Te);
    b) uma unidade de filtragem (Uf) que recebe a água do mar coletada pela unidade de coleta (Uc) para retenção dos elementos sólidos;
    c) uma unidade de dessalinização por osmose reversa (Ud) impulsionada por uma bomba de alta pressão (Ba) que recebe a água salgada filtrada, dita unidade de dessalinização (Ud) dotada de uma saída para escoamento do rejeito do processo acumulado em um reservatório (Rrej)e uma saída para escoamento da água dessalinizada para ser acumulada em um reservatório (Rdes).
  2. 2. SISTEMA DE DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUA UTILIZANDO
    ENERGIA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da unidade de dessalinização por osmose reversa (Ud) apresentar membranas nanotecnológicas ou com eficiência acima de 95%.
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