BR102019001010B1 - Motor mecânico para geração de energia através da movimentação de águas - Google Patents

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Abstract

motor mecânico para geração de energia através da movimentação de águas, refere-se a um motor mecânico (1) a (41), com seus conjuntos auxiliares, com o objetivo de gerar energia mecânica e elétrica, ou ambas, sendo que usinas elétricas com este sistema poderão ser construídas em margens ou dentro de mar, rio ou em ilhas, onde o custo benefício da energia pelo modo convencional, não se torne compensador, ou lugares praticamente inacessíveis, mas que possuam ondas, marés, ou diferenciais de níveis em águas. como estas fontes de energia, em águas existem em abundancia no planeta, possíveis usinas futuras deste sistema, poderão ficar mais espalhadas, e em maior quantidade, reduzindo assim a quantidade de postes, torres, equipamentos de compensação, componentes, e fios de transmissão. em caso do uso em navegações aquáticas, este motor poderá ser utilizado para substituir, totalmente, ou parcialmente, combustíveis e motores convencionais, para movimentação mecânica, e geração de energia elétrica a bordo.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um motor mecânico, para gerar energia mecânica, elétrica, usando marés, ondas, diferenciais de níveis, ou qualquer movimento de águas. Estado da técnica:
[002] O estado da técnica relativa ao setor de geração de energia traz como alternativas existentes: usinas hidroelétricas, termo elétricas, nucleares, grupo geradores, usinas eólicas e solares.
[003] Usinas hidroelétricas são há tempo conhecidas, e, resumidamente, valem-se de um grande depósito de água esvaziado através das pás de um gerador de energia elétrica, com alto custo de implantação e manutenção, além dos relevantes impactos ambientais em vista da área alagada e da diminuição do fluxo à jusante. Estudos indicam que o custo médio de usinas hidroelétricas fica em torno de US$850 por KW instalado. Como exemplo, podemos citar a Usina Itaipu Internacional, que divulgou o custo direto do empreendimento em US$854 por KW instalado.
[004] Hidroelétricas convencionais necessitam de uma grande área que deve ser alagada, causando um forte impacto ambiental, e também ficam sujeitas a diminuir seus níveis em época de seca, comprometendo, assim, as demandas solicitadas.
[005] Usinas termo elétricas produzem energia através da queima de carvão mineral ou vegetal, transformando esta energia do calor em energia mecânica e elétrica. Além do alto custo de implantação e manutenção, geram altos níveis de
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2/13 poluição e uso de recursos naturais. Em torno de 40% da energia elétrica mundial ainda são geradas por este tipo de usina, sendo que o investimento em usinas a carvão fica em torno de R$ 2.857 por KW instalado, segundo dados divulgados pela Companhia Estadual de Energia Elétrica do RS - CEEE em 2011, referentes à Usina Candiota III.
[006] Usinas eólicas se utilizam da velocidade dos ventos para gerar energia mecânica e elétrica. Apesar de aparentemente simples, necessitam de tecnologia de certa complexidade mecânica, elétrica e eletrônica para seu funcionamento esporádico, acarretando custos elevados, além de serem extremamente sensíveis às mudanças climáticas. Estudos indicam que o custo médio deste tipo de usina fica em torno de U$5.000 por KW instalado, com fator de capacidade de geração médio de 30% em seu rendimento anual. Como exemplo podemos citar o Parque Eólico de Osório/RS, cujo investimento foi de US$4.437 por KW instalado, com capacidade de geração médio de 38% em seu rendimento anual.
[007] A energia solar convencional gerada por células fotovoltaicas possui a característica de transformar luz em energia elétrica, conhecidos popularmente por painéis de energia solar. Além de depender da luz solar, a necessidade de baterias para compensar momentos sem luz, ocupam grandes áreas para colocação dos painéis. A usina Cestas Solar Farm construído na França em 2015 ocupa uma área de 250 hectares e custou US$ 382 milhões para geração de 300 MW, ou seja, US$ 1 .273 por KW instalado. No caso de satélites artificiais para geração de energia solar, estudos mostram a implantação do sistema em torno de U$4.000 por KW instalado.
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3/13 [008] A geração de energia solar convencional por calor utiliza equipamentos que possuem a característica de gerar energia mecânica ou elétrica, usando o calor do sol como fonte de energia, sendo normalmente aplicados em aquecimento de água e não sendo viável para geração de energia elétrica, devido ao custo/benefício.
[009] Usinas nucleares também produzem energia mecânica e elétrica, através de fissão do núcleo de átomos radioativos, com altos custos de implantação e manutenção, com elevado impacto de risco ambiental e com relação à segurança.
[010] As usinas elétricas nucleares têm eficiência de geração de energia, mas um altíssimo risco à saúde dos seres vivos, principalmente aos seres humanos, tanto é que algumas cidades foram abandonadas, por estas contaminações radioativas.
[011] As usinas ou mini usinas movidas a combustíveis líquidos, algumas chamadas de grupo geradores, que normalmente são grandes motores a combustão, possuem acoplados a estes um gerador para produção de energia elétrica. Além de poluir o meio ambiente pela queima destes, geram altos custos, inviabilizando seu uso em muitos casos, ou pelos altos custos, inclusive de combustível, ou pelos altos níveis de poluição.
[012] Para as mais diversas formas usuais de geração de energia, a viabilidade técnico-financeira é determinante, pois é necessário que a tecnologia aplicada seja possível de resultar energia a um custo viável ao usuário. Quanto maior for a capacidade de produção de energia da usina, menor fica o custo final do KW instalado. Quanto menor o investimento para instalação da usina, reduz-se drasticamente o custo ao
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4/13 consumidor, tonando viável que a energia chegue mesmo aos mais longínquos ou isolados destinos.
[013] A geração de energia através do movimento das ondas e das marés se utiliza dos diferenciais de níveis de água ou das correntes marítimas para mover geradores eletro-mecânicos que geram energia elétrica.
[014] Com relação à referências patentárias, pode-se citar o documento PI0703330 depositado em 16/10/2007 por COUTINH O, com título “Usina geradora de eletricidade utilizando a força das ondas”, apresenta uma boia (3) fixa a uma alavanca (2) que se move verticalmente, pondo em movimento o eixo (4) dotado de barras dentadas paralelas (5) e engrenagens (6), fazendo girar os geradores de eletricidades.
[015] É preciso ter em mente que no mar há duas variações importantes a serem consideradas: a variação das marés, que determina níveis distintos de maré alta e baixa, e as variações pontuais causadas pelas ondas. As marés podem ter variação de nível bastante expressivos, dependendo do local, podendo chegar a um diferencial de nível de alguns metros. Considerando que a geração contínua de energia depende da regularidade das marés, o equipamento previsto na PI0703330, contendo a boia fixa a um braço, com curso fixo, causa cortes intermitentes na produção de energia pelo gerador oriunda das variações extremas das marés. No caso do objeto desta patente, a boia é fixa em um eixo central, tendo curso totalmente definido e restrito. Esta forma construtiva impede que seja feito o controle automático do nível, pois o braço de movimentação da boia poderá manter a boia no ar, parcialmente ou totalmente baixada, prejudicando seu funcionamento supostamente normal em situações de maré baixa, ou
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5/13 totalmente submergida em situações de maré alta, impedindo seu funcionamento regular.
[016] O documento PI1005967-9 depositado em 21/12/2010 por RODRIGUES, com título “Sistema para obtenção de energia mecânica das ondas para geração de energia elétrica”, apresenta boias (2) que movimentam-se e transferem o movimento às catracas (5) e (6) através de cremalheiras (3) e (4), impondo o giro de 360° ao eixo (7), que, por sua vez, supre de força motriz um gerador elétrico (10). As catracas tracionam em um sentido e no outro possuem giro livre.
[017] A mesma situação de boias fixas é vista na patente PI1005967-9, acarretando a mesma problemática. Instalações onde as boias são fixas a braços móveis, seja articulados ou telescópicos possuem limitações construtivas com relação aos níveis máximos e mínimos de marés, quando este diferencial de nível é expressivo. Ocorre que quanto maior o diferencial de nível, maior é o potencial de geração de energia da usina, o que significa que formas construtivas com boias fixas possuem, em geral, baixa produtividade e alto grau de interrupção de geração de energia.
Conceito Inventivo do Objeto:
[018] O objetivo da invenção é viabilizar a geração de energia de forma contínua através dos diferenciais de níveis de água do mar ou rios. A instalação do equipamento pode se dar em plataformas a determinada profundidade, próximas à costa, ou em embarcações, abrangendo as mais variadas situações em termos de diferenciais de níveis de água, pois possui controle automático de nível das boias e um estabilizador de rotação que compensa intervalo entre ondas, mantendo girando o gerador pela ação do fenômeno de inércia do volante.
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6/13 [019] Para tanto, o equipamento possui um ou mais elementos flutuantes, contendo pesos em seus interiores, podendo ser a própria água, de tal maneira que em torno de 10% deste permaneça flutuando. Estes elementos flutuantes são fixados em cabos ligados à polias com catracas, e dotados de contrapeso, garantindo seus giros apenas em um sentido. Cada vez que as boias descem os cabos transmitem o movimento ao eixo das polias, conectado a uma caixa multiplicadora de rotação, que, por sua vez, é conectado a um volante de inércia. [020] Os contrapesos, além de facilitarem a subida das boias fazem com que os cabos se mantenham sempre tracionados e evitam que estes deslizem das polias, evitando mal funcionamento do equipamento. Este conjunto de contrapesos, boias, polias, cabos e catracas, além de impulsionarem o restante do equipamento, formam um sistema ideal de controle de nível automático das boias, em maré alta ou baixa. Ou seja, em qualquer nível em que a maré estiver, o equipamento funcionará normalmente da mesma forma.
[021] O volante de inércia atua como um armazenador temporário de energia, pois permanece girando durante a subida das boias e compensa breves momentos de calmaria e/ou diminuição dos diferenciais de nível da água, que ocorrem naturalmente. Logo, o volante tem o objetivo de estabilizar a rotação em momentos de intervalos, entre uma descida e outra destas boias ou elementos flutuantes. No seguimento do eixo deste volante ou, opcionalmente, através de polias, é instalado um gerador de energia elétrica.
[022] Desta forma, é gerada energia mecânica ou elétrica, usando marés, ondas, diferenciais de níveis, ou qualquer movimento de águas, incluindo o uso de gravidade da terra,
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7/13 inércia, pela relação massa vezes aceleração para estabilização de rotação e multiplicação de força.
[023] De uma forma geral, a invenção busca viabilizar técnica e economicamente a geração contínua de energia utilizando-se das marés. O volume das boias tem relação direta com a força resultante, que gerará energia no gerador, sendo que uma boia contendo em seu interior 100 litros de ar produz 100 kg de força, desconsiderando o peso do casco da boia.
[024] Tecnicamente o objeto se utiliza da força originada pelo volume das boias acrescido com a atuação da energia cinética, ao incluir determinado peso no interior destas. Com o aumento do peso e a atuação da energia cinética, como a energia é gerada na descida das boias, a força resultante é multiplicada, gerando mais energia. O volante estabiliza a rotação do gerador e permite que toda a força gerada na descida das boias seja armazenada temporariamente, garantindo a geração de energia inclusive nos momentos em que as boias estão subindo ou em momentos de intervalo entre uma onda e outra. Logo, tem-se geração de energia de forma contínua pelo gerador.
[025] Do ponto de vista econômico, uma prototipagem recente demonstrou a viabilidade do equipamento instalado próximo à costa, tendo um custo médio de implantação estimado em U$100 por KW instalado. A situação ideal de instalação do equipamento é em mar ou rio com ondas altas e regulares, sendo que, na prática, escolhe-se um local, dimensiona-se o equipamento e verifica-se o custo benefício em termos de investimento por KW instalado, o que será determinante para o seguimento ou não da instalação neste determinado local.
[026] A invenção busca ainda reduzir drasticamente custos na produção de energia mecânica ou elétrica, ou ambas, quando
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8/13 instalado em embarcações ou plataformas, reduzindo drasticamente, o consumo de combustíveis fósseis para seu pleno funcionamento. Nestes casos, as boias podem deslizar através de dutos ou trilhos de confinamento, tendo mudanças em suas formas físicas para acompanhar a aerodinâmica das embarcações.
[027] Tendo em vista a vasta possibilidade de aplicação, com excelente relação de custo benefício, tem-se uma alternativa viável de geração de energia limpa e renovável, gerando mínimo impacto ambiental.
Vantagens:
[028] A invenção possui a vantagem de possibilitar que usinas elétricas com este sistema, possam ser construídas em margens de mar, rios, ou em ilhas, onde o custo benefício da energia pelo modo convencional não se torne compensador, ou em lugares praticamente inacessíveis, mas que tenham ondas ou marés de líquidos, formando com isto diferenciais de níveis, para seu funcionamento.
[029] Como a fonte de energia com diferencias de níveis das águas, através das marés ou ondas, existem em abundancia no planeta, possíveis usinas futuras utilizando este sistema poderão ser espalhadas, e existir em maior quantidade, reduzindo assim a quantidade de postes, torres, equipamentos de compensação, componentes, cabos ou fios para transmissão de energia. Com pequenas estações de energia, cidades ou propriedades agrícolas situadas na margem de rios ou litoral podem gerar a sua própria energia de forma limpa, contínua, econômica e autossustentável.
[030] A utilização do presente equipamento em substituição às usinas tradicionais de geração de energia, em especial às
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9/13 hidroelétricas e termoelétricas, que geram maiores impactos ambientais, representa importante passo no uso de tecnologias limpas. Este fator, somado à ótima relação custo benefício para instalação e manutenção do equipamento da presente patente, possibilita a geração de energia limpa, autossustentável, econômica e pontual em diversas situações diferentes, como próximo à costa do mar ou de rios, embarcações, plataformas ou outras situações onde ocorra variação de nível das águas. [031] Em caso do uso em embarcações e plataformas de extração de petróleo, este equipamento poderá ser usado para substituir total ou parcialmente os combustíveis ou sistemas convencionais de geração de energia a bordo, podendo ser usado para gerar energia mecânica e elétrica, inclusive para movimentar as próprias embarcações, substituindo totalmente ou parcialmente seus combustíveis e motores convencionais. Descrição dos desenhos:
[032] No intuito de facilitar a pesquisa e proporcionar entendimento da presente patente, conforme preconizado no relatório, segundo uma forma básica e preferencial de realização elaborada pelo requerente, faz-se referência às ilustrações anexas, que integram e subsidiam o presente relatório descritivo onde a:
FIG. 01 - apresenta a perspectiva do equipamento;
FIG. 02 - apresenta a perspectiva do equipamento quando instalado em embarcação;
FIG. 03 - apresenta um corte mostrando o elemento flutuante fixo ao casco de uma embarcação.
Descrição do invento:
[033] Todo este equipamento pode ser instalado em embarcações marítimas ou fluviais para geração de energia a
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10/13 bordo, ou plataformas, específicas ou não, parapeitos, ou montanhas, em beiras ou não, fluviais ou marítimas.
[034] Nos desenhos as setas de (1) a (41), indicam o conjunto que o faz funcionar, sendo que os componentes de (9) a (19), em caso de plataforma, ou (6), (8), (9), (13) a (19), (32), (35) em casos de navegação, formam partes do conjunto, que podem ser mais de um, e são auxílios para contribuir no aumento de energia e, principalmente na estabilização de rotação, do gerador de energia elétrica (3), também através do volante (29). [035] Demonstraremos aqui, em uma plataforma, navios, ou quaisquer embarcações em águas, que servirá também, como explicação para todas as modalidades acima.
[036] Todo o equipamento está montado na plataforma (1 ), que pode ser uma plataforma fixa ao fundo do mar ou qualquer tipo de embarcação. Os elementos flutuantes (18) e (31 ) devem ter um peso tal que fiquem apenas em torno de 1 0% flutuando, e o restante afundado no líquido, podendo ser mar ou rio, representado através das ondas (30).
[037] No sentido de se obter o máximo possível de peso destes elementos flutuantes (18) e (31) e também uma maior amplitude do vai e vem dos mesmos, estes podem ser preenchidos pela própria água do mar (19) e (33) como peso, ou seja, será preenchido com água, até os elementos flutuantes (18) e (31) ficarem com aproximadamente 10% flutuando.
[038] As ondas do mar (30) causam balanço nos elementos pesados flutuantes (18) e (31 ) os quais deslizam verticalmente, com movimento de sobe e desce, através das hastes de confinamento (32), (35), (36) e (37). Os elementos flutuantes (18) e (31 ) são confinados, ou seja, são fixos nas hastes de confinamento (32), (35), (36) e (37) de modo a impedir sua
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11/13 movimentação horizontal decorrente das correntes marítimas e/ou ondas. Este movimento horizontal, se permitido, pode causar indesejáveis danos à estrutura da plataforma ou embarcação.
[039] Opcionalmente os elementos pesados flutuantes (18) e (31) podem ser fixados nos próprios pilares da plataforma (1 ), nos cascos de embarcação aquáticas, sendo que em caso de plataformas, podem também ser fixados em algum elemento de fundo (34), artificial ou natural.
[040] Quando os elementos flutuantes (18) e (31) se movimentarem para cima, tenderão a afrouxar os cabos (6) e (12), fazendo com que os contrapesos (5) e (9), pela ação da gravidade, façam girar as polias (15) e (24), no sentido (13) e (25), através das roldanas (8) e (11), suportadas pelas hastes (7) e (10).
[041] Os cabos (6) e (12) passam pelos furos (17) e (22) na plataforma (1 ), fazendo com que as polias (15) e (24) através de suas catracas (16) e (23) apenas deslizem no eixo (21 ), sem causar tração alguma neste. Os contrapesos (5) e (9) tracionarão os cabos (6) e (12) nos sentidos (13) e (25) mantendo-os esticados.
[042] Quando os elementos flutuantes (18) e (31), descerem pelo movimento das ondas (30), tracionarão os cabos (6) e (12), através dos furos (17) e (22) na plataforma (1 ), fazendo girar as polias (15) e (24) no sentido (14) e (26) fazendo com que as catracas (16) e (23), fixadas nas polias (15) e (24), se fixem no eixo (21 ), fazendo-o girar no sentido (14) e (26).
[043] Este giro aciona a caixa multiplicadora de rotação (20), em uma relação de multiplicação ideal para o gerador (3), através do volante de inércia (29) que tem a função de
Petição 870190064485, de 09/07/2019, pág. 16/21
12/13 estabilização de rotação, através do efeito de inércia, com ajuda das polias (2) e (28), em uma rotação ideal, para as características do gerador (3) em questão.
[044] O volante de inércia (29) atua como um armazenador temporário de energia, pois permanecerá girando e impulsionando o gerador (3) enquanto os elementos flutuantes (18) e (31) voltarem a subir, permitindo a geração contínua de energia. O volante de inércia (29) atua da mesma maneira no intervalo entre uma onda e outra, prolongando ao máximo a geração de energia.
[045] Mesmo que aconteça no volante de inércia (29) uma pequena variação de rotação, isto não alterará a voltagem de saída (4) do gerador (3), porque a maioria dos geradores tem controle automático de voltagem, que mantém a voltagem de saída (4) constante independente da rotação do gerador (3), dentro de um limite curto, admitindo pequenas variações.
[046] Os pesos dos contrapesos (5) e (9) devem ser os menores possíveis em relação aos pesos dos elementos flutuantes (18) e (31 ), mas tal que não causem o deslizamento dos cabos (6) e (12) nas polias (15) e (24) no momento da tração destes cabos (6) e (12) pelos elementos pesados flutuantes (18) e (31 ).
[047] Além do volante (29) desempenhar uma função importante, acima descrita, os elementos flutuantes (18) e (31 ) o ajudam, pois aumentam a sua força de tração nos cabos (6) e (12) para além do peso destes elementos flutuantes (18) e (31), porque existe uma tração maior que a força dos pesos destes elementos flutuantes (18) e (31 ) oriundas da energia cinética, resultante da massa vezes a aceleração destes, aumentando em muito a eficiência da geração de energia na saída (4) do gerador (3).
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13/13 [048] No caso da instalação do equipamento em embarcações, elementos flutuantes (18) e (31) podem ser dispostos de modo a não alterar o equilíbrio da embarcação. Quando os elementos flutuantes (18) e (31) se movimentarem para cima, tenderão a afrouxar os cabos (6) e (12), fazendo com que os contrapesos (5) e (9), pela ação da gravidade, façam girar as polias (15) e (24), no sentido (13) e (25), através das roldanas (8), (11), (17) e (22), suportadas pelo casco da embarcação (1) através dos meios de confinamento (32), (35), (36) e (37).
[049] Quando os elementos flutuantes (18) e (31), descerem pelo movimento das ondas (30), tracionarão os cabos (6) e (12), através das roldanas (1 7) e (22), fazendo girar as polias (15) e (24) no sentido (14) e (26) fazendo com que as catracas (16) e (23), fixadas nas polias (15) e (24), se fixem no eixo (21 ), fazendo-o girar no sentido (14) e (26).
[050] A caixa multiplicadora (20), quando o equipamento estiver instalado em embarcações, possui dois eixos de saída (38) e (39), obtendo uma saída para o gerador (3) e outra para a hélice (41), através do volante (29) e caixa de câmbio (40), que tem a função de proporcionar troca de marcha, ponto morto, e inversão de rotação, permitindo realizar a motorização da embarcação.

Claims (5)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. MOTOR MECÂNICO PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA MOVIMENTAÇÃO DE ÁGUAS, caracterizado por produzir energia mecânica, elétrica, ou ambas, em conjunto (1) a (41), usando corpos pesados flutuantes (18) e (31), através de ondas, marés, diferencias de níveis em líquidos, e também através de roldanas (8),(11),(17),(22), em apoios (1),(7),(10), sendo puxado por contrapesos (5),(9), sendo puxado por cabos, ou cordas, correntes, hastes dentada, e conjunto auxiliares (9a19), e (6),(8),(9), (13a19), (32), (35), em casos de navegação.
  2. 2. MOTOR MECÂNICO PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA MOVIMENTAÇÃO DE ÁGUAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por produzir energia mecânica, elétrica, ou ambas, usando este mesmo sistema em paredes artificiais ou naturais, dentro ou fora de líquidos, como pode ser em laterais de embarcações em águas, ou corpos flutuantes nestas.
  3. 3. MOTOR MECÂNICO PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA MOVIMENTAÇÃO DE ÁGUAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por elementos flutuantes, (18) e (31 ), serem aumentados seus pesos de tal maneira a ficar o mínimo flutuando, com o objetivo principal de se conseguir o maior peso possível destes, resultando em maior energia por massa vezes aceleração, inércia e gravidade.
  4. 4. MOTOR MECÂNICO PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA MOVIMENTAÇÃO DE ÁGUAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por volante de inércia (29), para promover estabilização de rotação, em intervalos de tração dos
    Petição 870190005585, de 17/01/2019, pág. 7/18
    2/2 cabos, ou correntes, hastes dentadas, dos elementos pesados flutuantes (18) e (31).
  5. 5. MOTOR MECÂNICO PARA GERAÇÃO DE ENERGIA
    ATRAVÉS DA MOVIMENTAÇÃO DE ÁGUAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por caixa de câmbio (40) para troca de marcha, ponto morto, e inversão de rotação, somente para o motor.
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