BR102021015510A2

BR102021015510A2 - Câmara hidro cinética e câmara de geração de energia hidro cinética do módulo de geração de energia de uma usina central hidrelétrica flutuante

Info

Publication number: BR102021015510A2
Application number: BR102021015510-8A
Authority: BR
Inventors: Arthur Benedicto Ottoni; Theophilo Benedicto Ottoni Filho
Original assignee: Theophilo Ottoni - Estudos, Projetos E Tecnologia Em Recursos Hidrícos Ltda
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2023-02-14
Also published as: CN118043521A; CA3227714A1; WO2023010193A1; AU2022321045A1

Abstract

Câmara hidro cinética (22), compreendendo hélice/palhetas da turbina hidro cinética (23), uma captação d’água da câmara hidro cinética (21), canal de fuga da câmara hidro cinética (26), comporta de controle do escoamento na câmara hidro cinética (28), e stop-logs de manutenção da câmara hidro cinética (27), a câmara hidrocinética associada à uma câmara de geração de energia hidrocinética (24) que acomoda a turbina - gerador (23), motor bombas, as câmaras (22) e (24) montadas em um Módulo de Geração de Energia MGE para geração de energia híbrida. Um método de geração de energia e uma Central Hidrelétrica flutuante usando os componentes da presente invenção também são fornecidos.

Description

CÂMARA HIDRO CINÉTICA E CÂMARA DE GERAÇÃO DE ENERGIA HIDRO CINÉTICA DO MÓDULO DE GERAÇÃO DE ENERGIA DE UMA USINA CENTRAL HIDRELÉTRICA FLUTUANTE

HISTÓRICO DA INVENÇÃO I- CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção está relacionada a plantas para geração de energia hidrelétrica por pressão (queda), sem regularização de vazão, em aproveitamentos de pequena queda, com uma Usina Central Hidrelétrica Flutuante (CHF), ou de alta queda, com uma série de Usinas CHFs, a invenção contemplando a otimização do Módulo de Geração de Energia (MGE) para acrescer um efeito “sinergético”, de “ação simultânea”, a geração de hidro energia global na Usina para, além da queda (geração de energia por pressão), pela velocidade do escoamento na seção de encaixamento da Usina CHF, desenvolvendo ainda a geração de energia hidro cinética, aprimorando-se assim a aplicação da Usina Central Hidrelétrica Flutuante (CHF).

II- DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[0002] As usinas hidrelétricas (UHE) fluviais convencionais (a exemplo da UHE de Itaipu, UHE Tucuruí, dentre outras) utilizam um desnível hídrico (queda-H) criado usualmente pelo barramento completo do curso d’agua. Tais usinas são constituídas por tomadas/captação d’agua, casas de força, vertedouros e bacias de dissipação, que são estruturas fixas construídas nos leitos dos rios ou a eles adjacentes, a depender do arranjo hidráulico, que, juntamente com as barragens propriamente ditas, tornam possível a geração de hidro energia. Nos aproveitamentos de médio e grandes portes, normalmente são criados reservatórios de acumulação para os aproveitamentos convencionais.

[0003] Esses tipos de plantas de geração de energia hidrelétrica são normalmente dispendiosos, têm arranjos hidráulicos mais complexos, e requerem longo tempo de construção. Além disso, a necessidade em se criar reservatórios nas usinas convencionais limita a escolha do local apropriado para a construção das mesmas devido a questões ambientais, sendo essa limitação mais forte em bacias hidrográficas com topografia plana.

[0004] Ademais, mesmo onde é possível construir grandes reservatórios, a construção destes causa grandes impactos ambientais negativos e desequilíbrio ecológico nas bacias hidrográficas.

[0005] A hidro geração convencional, por queda/pressão, amplamente utilizada em todo o mundo, tem por referência, assim, a combinação de queda e vazão (turbinada) para geração de uma potência hidráulica, e posteriormente, após o acionamento de uma turbina e um gerador elétrico, uma potência elétrica.

[0006] Dentre as diversas fontes renováveis (eólica-vento; energia solar-fotovoltaica) está à energia hidro cinética. Esta baseia-se na conversão mecânica da energia cinética da água em movimento nos rios, canais, marés em estuários, ou correntes oceânicas. Em rios, a velocidade das linhas de corrente é responsável pela movimentação dos rotores, os quais irão converter a energia hidráulica do escoamento em energia mecânica na turbina, que por sua vez é posteriormente convertida em energia elétrica nos geradores elétricos. Esta forma de aproveitamento é denominada geração hidro cinética. Nesta forma de geração, diferentemente da geração hidrelétrica convencional (por pressão/queda), não se verifica a necessidade na construção de grandes obras civis, como barragens, vertedouros, etc., o que diminui significativamente seus custos e os impactos ambientais negativos.

[0007] Muitos estudos tratam do potencial hidro cinético em rios. Este potencial está presente a jusante de centrais hidrelétricas em operação (para aproveitamento do potencial remanescente da mesma); em rios de propriedades rurais, podendo então contribuir para eletrificação rural; em grandes rios amazônicos, onde há vultosas vazões e fabulosas dimensões para instalação das turbinas, podendo ser aplicada para o abastecimento em energia de comunidades ribeirinhas e isoladas daquela região, dentre outras.

[0008] Do mesmo modo que existe um potencial relevante desta fonte de geração, verifica-se também diversos desafios e incertezas para o amadurecimento desta tecnologia, tais como a identificação de locais no rio com velocidades adequadas de escoamento líquido para a implantação de um parque de geração via energia hidro cinética ; desenvolvimento de turbinas hidro cinéticas mais eficientes; definição de uma metodologia para prospecção do potencial hidro cinético natural com velocidades adequadas para movimentar a turbina; estudos do sistema hidro cinético, que contém elementos elétricos e mecânicos diversos; e estabelecimento de uma indústria para produção dos componentes de um parque hidro cinético.

[0009] É descrito no estado da arte um tipo de sistema de geração de energia que utiliza uma unidade flutuante geradora de energia por pressão/queda, conforme relatado no documento PI 0301109-7, que divulga um flutuante com formato especial, contendo em seu interior um canal convergente-divergente para amplificar a energia natural da vazão de água admitida. A energia hidráulica (vazão turbinada) é transformada por pressão (desnível/queda H) em energia mecânica através de uma turbina hidráulica com palhetas especiais (turbina bulbo), e essa é então transmitida para um gerador de energia elétrica.

[0010] Na Usina Central Hidrelétrica Flutuante-CHF da presente invenção não há nenhuma estrutura de grande porte, como barragem principal, captação d’agua, casa de força, vertedouro e bacia de dissipação, apoiada no leito do rio e barrando o fluxo da água. A geração de energia hidrelétrica global da Usina CHF é função (i) do desnível hídrico montante-jusante H na seção da usina e da vazão turbinada, como previsto em PI 0301109-7 (geração de energia por pressão/queda), e (ii) das velocidades na seção de encaixamento da Usina, como proposto na presente invenção (geração de energia hidro cinética). Na configuração da presente invenção existe assim uma otimização da potência elétrica global gerada pela Usina CHF, seja, a geração de energia hidrelétrica por pressão (como previsto na técnica anterior), acrescida da geração de energia hidrelétrica por velocidade, sendo os impactos ambientais negativos inerentes as fases de construção e operação da Usina CHF mínimos, ou mesmo desprezíveis.

[0011] Visando minimizar os problemas econômicos e ambientais associados à construção de reservatórios do tipo das usinas hidrelétricas convencionais, o inventor da presente invenção desenvolveu assim um novo sistema de geração de energia hidrelétrica, que é de projeto e construção modulados, e que explora, com maior eficiência na geração da hidro energia e otimização na geração de energia hídrica global da usina, a mesma diferença de nível d’água (desnível/queda H), para gerar na seção de encaixamento da usina energias de pressão (a partir da pressão/queda) e hidro cinética (a partir da velocidade do escoamento). Estas formas de geração de hidro energia são realizadas em conjunto e ao mesmo tempo (por pressão e hidro cinética/velocidade-geração “híbrida” de hidro energia), especialmente nos períodos de cheia (águas médias e altas), quando existe uma vazão sobrante (“vertida”) escoada pelo rio na seção de encaixamento da Usina CHF. Nas épocas de estiagem (águas média-baixa) prevalece a geração de energia por pressão/queda, esta geração de hidro energia na Usina CHF da presente invenção desenvolvida ocorrendo até em regiões com topografia plana e sem quedas d’água naturais, pela utilização de módulos flutuantes de energia, sem similar tecnológico.

Ill- SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0012] A presente invenção consiste de uma câmara hidro cinética 22, que compreende uma seção transversal circular que provê máxima eficiência hidráulica, com diâmetro compatível com o do hélice/palhetas da turbina hidro cinética 23, sendo a referida câmara hidro cinética 22 localizada dentro e altimetricamente no fundo do Módulo de Geração de Energia MGE, próximo da parede de fundo do MGE 3, ocupando toda extensão longitudinal do MGE, e planimetricamente utilizando o espaço entre 1 (um) par dos componentes hidro energéticos por pressão/queda, sendo estes constituídos por casa de força 17 e turbina bulbo 20, compreendendo a câmara 22 de captação d’água da câmara hidro cinética 21, localizada dentro e altimetricamente no fundo 3 do MGE, na face de montante deste MGE; de canal de fuga da câmara hidro cinética 26, localizado ao fundo e na face de jusante do MGE; da comporta de controle do escoamento na câmara hidro cinética 28, próximo/a montante da câmara de geração de energia hidro cinética 24; e de stop-logs de manutenção da câmara hidro cinética 27, estes localizados no início (montante) e final (jusante) da câmara 22.

[0013] Com base na câmara hidro cinética 22, conforme definida acima, a presente invenção define um método de geração de energia em que a referida câmara 22 escoa as vazões e transmite as velocidades do fluxo de água (QTHC) captados na câmara pela captação d’água 21 para as palhetas-hélices da turbina-gerador hidro cinética 23, submersa na câmara de captação 22, que transforma a energia hidráulica, a energia cinética, em energia mecânica na forma de torque e velocidade de rotação dos hélices/palhetas 23, a qual é propagada a um rotor acoplado ao gerador de energia (não mostrado) para gerar a potência elétrica na câmara de geração de energia hidro cinética 24, sendo a velocidade do escoamento na câmara hidro cinética 22 uma função direta da queda/desnível de projeto H.

[0014] Outra incorporação da presente invenção é uma câmara de geração de energia hidro cinética 24, a qual está localizada planimetricamente a cerca da metade da extensão longitudinal de um Módulo de Geração de Energia - MGE e a montante das paredes transversais da casa de força 18 da geração de energia por pressão, e altimetricamente logo acima da câmara hidro cinética 22, ao fundo do MGE, tendo a câmara de geração de energia hidro cinética 24 dimensões compatíveis para acomodar a turbina - gerador 23, motor-bombas (não mostrados), comporta de controle do escoamento na câmara hidro cinética 28, bem como os equipamentos e espaço para a realização de reparos e manutenção dos mesmos. Esta câmara de geração de energia hidro cinética 24 ocupa toda extensão transversal do MGE, sendo a câmara 24 sustentada pelas duas paredes laterais do MGE 1.

[0015] Outra incorporação da câmara de geração de energia hidro cinética 24 da presente invenção está ligada ao fato de que esta apresenta um elevador de acesso 25 â câmara de geração de energia hidro cinética, este localizado em uma das extremidades do MGE e planimetricamente conectado a câmara de geração de energia hidro cinética 24, este elevador 25 interligando a superfície do MGE à área da câmara de geração de energia hidro cinética 24, esta última localizada próximo a câmara hidro cinética 22 e ao fundo 3 do MGE.

[0016] É apresentado ainda um método de geração de energia através da câmara de geração de energia hidro cinética 24 em que se gera a energia hidro cinética do MGE a partir dos hélices/palhetas da turbina 23, que estão submersos na câmara hidro cinética 22, conectados com o gerador pelo rotor da turbina, este gerador alocado dentro da câmara de geração de energia hidro cinética 24.

[0017] A invenção, portanto, apresenta um método de geração de energia que compreende a associação da câmara hidro cinética 22 com a câmara de geração de energia hidro cinética 24.

[0018] As estruturas associadas são montadas e o Módulo de Geração de Energia MGE, para geração de energia hidro cinética, compreende a combinação da câmara hidro cinética 22 com a câmara de geração de energia hidro cinética 24, além da geração de hidro energia pela queda/pressão, esta realizada no MGE via turbina Bulbo 20, configurando uma geração de hidro energia “híbrida” no MGE.

[0019] Por fim, a invenção define uma Usina Central Hidrelétrica Flutuante -CHF - na sua seção de encaixamento, que compreende pelo menos uma câmara hidro cinética 22, pelo menos uma câmara de geração de energia hidro cinética 24, pelo menos um módulo de geração de energia, ou uma combinação destes na seção de encaixamento.

[0020] A presente invenção corresponde a um aperfeiçoamento tecnológico descrito na patente brasileira PI 0301109-7, intitulado: “Sistema-Guia, Central Hidrelétrica Flutuante e Processo de Operação da Central Hidrelétrica Flutuante”, e agrega detalhes funcionais e tecnológicos ao pedido, estes resultantes de investigações tecnológicas que vieram a otimizar o sistema anterior.

[0021] O Módulo de Geração de Energia (MGE) da Usina CHF foi detalhado quanto as suas estruturas físicas e hidrodinâmicas, sendo o mesmo otimizado a partir de elementos a serem descritos abaixo, tendo como resultado realizar, também, a geração de energia hidro cinética, e assim obter uma maior eficiência na geração de energia global da Usina, além da energia por pressão prevista na anterioridade.

[0022] As configurações do sistema-guia de apoio e deslocamento vertical dos módulos de geração entre os pilares (figuras 5 e 6 da anterioridade) são mantidas, assim como o sistema de operação de variação da água de lastro dos módulos de geração, estes previstos na técnica anterior.

IV- BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0023] A figura 1 mostra o módulo de geração de energia em planta.

[0024] A figura 2 mostra uma vista em corte da figura 1.

[0025] A figura 3 mostra em planta sem detalhes o sistema guia de apoio e deslocamento vertical do módulo de geração de energia entre pilares longitudinais.

[0026] A figura 4 mostra uma vista em corte da figura 3.

[0027] A figura 5 mostra o módulo de geração de energia em planta otimizado com os elementos para a geração de energia hidro cinética.

[0028] A figura 6 mostra uma vista em corte AA da figura 5.

[0029] A figura 7 mostra uma vista em corte BB da figura 5

[0030] As figuras 1 a 4 representam configurações da Usina CHF e do Módulo de Geração de Energia (MGE) segundo a anterioridade; enquanto as figuras 5 a 7 mostram a composição da Usina CHF segundo os elementos das otimizações propostas pela presente invenção, especialmente em relação ao Módulo de Geração de Energia (MGE).
V- RELAÇÃO DOS ELEMENTOS REFERENCIADOS NAS FIGURAS
(1) paredes laterais do MGE
(2) paredes transversais do MGE
(3) parede de fundo do MGE
(4) dentes de apoio do MGE
(5) porões do MGE
(6) paredes longitudinais dos porões
(7) penstocks
(8) aberturas na parede de fundo do MGE
(9) avental de apoio do MGE
(10) rebaixo nas paredes laterais do MGE
(11) cobertura da casa de força
(12) pontes rolantes
(13) pilares longitudinais da CHF
(14) sistema dos dispositivos-guia(detalhamento)
(14.2) cabeços do pilar longitudinal
(15) ranhuras no pilar longitudinal
(16) laje de acesso ao MGE
(17) casa de força
(18) paredes transversais da casa de força
(19) piso da casa de força
(20) equipamentos de geração hidrelétrica por pressão-Turbina Bulbo
(21) captação d’água da câmara hidro cinética
(22) câmara hidro cinética
(23) equipamentos de geração hidrelétrica por velocidade-Turbina-Gerador Hidro Cinética
(24) câmara de geração de energia hidro cinética
(25) elevador de acesso à câmara de geração de energia hidro cinética
(26) canal de fuga da câmara hidro cinética
(27) stop log de manutenção da câmara hidro cinética
(28) comporta de controle do escoamento na câmara hidro cinética

[0031] Os elementos 1 a 20 estão relacionados a configuração da Usina CHF e do Módulo de Geração de Energia (MGE) segundo explicado na técnica anterior; enquanto os elementos 21 a 28 representam as otimizações na composição da Usina CHF para geração de energia hidro cinético, tendo em vista aumentar a potência elétrica global da usina, estes elementos estando vinculados especialmente ao Módulo de Geração de Energia (MGE), como solicitado pela presente invenção.

[0032] São mantidos os elementos 14.1 e 14.3 a 14.10 relacionados e detalhados nas figuras 5 e 6 de PI 0301109-7, estes elementos e figuras não apresentados na presente invenção, mas aqui incorporados como referência.

VI- DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0033] A Usina Central Hidrelétrica Flutuante (CHF) da presente invenção é uma nova concepção de usina hidrelétrica fluvial de baixa queda, funcionando a fio d’água, sem regularização do regime hídrico, que tem a energia global gerada na sua seção de encaixamento otimizada, ou seja, geração de hidro energia por pressão/queda, através de Turbina Bulbo 20, e pela velocidade do escoamento, através de Turbina Hidro Cinética 23. Um conjunto em cascata da concepção de Usina Central Hidrelétrica Flutuante aqui descrita pode corresponder a um aproveitamento hidrelétrico de média a alta queda.

[0034] A Usina Central Hidrelétrica Flutuante (CHF) da presente invenção constitui-se num conjunto de pilares 13 cuja maior dimensão é longitudinal ao curso d’água. Entre tais pilares longitudinais 13 apoiam-se módulos flutuantes (MGEs), dentro dos quais acham-se embutidos os espaços próprios para geração de hidro energia na seção de encaixamento da usina, estes segregados para geração de energia por pressão/queda na casa de força 17, e pela velocidade do escoamento, geração hidro cinética, na câmara de geração de energia hidro cinética 24. Pela concepção da tecnologia, nos períodos de águas médías-alta, a geração de hidro energia é maximizada na casa de força 17 e na câmara de geração de energia hidro cinética 24, que devem operar em conjunto, conferindo uma geração de hidro energia “híbrida”.

[0035] Na Usina CHF, o fluxo/vazão turbinado (energia de pressão/queda) é captado por aberturas na parede de fundo do MGE 8, fluindo por dentro dos módulos flutuantes através dos penstocks 7 até a casa de força 17, onde está localizado o equipamento de geração de energia por pressão-turbina bulbo 20.

[0036] Quando toda vazão do curso d’água é turbinada (período de águas média-baixa do ano hidrológico), gerando somente energia por pressão na turbina bulbo 20 na casa de força 17, através da queda H de projeto, o módulo repousa sobre um avental de apoio do MGE 9 localizado no leito do rio.

[0037] No caso de excesso de água (período de águas médía-alta do ano hidrológico), para uma queda H de projeto, os módulos passam a flutuar. Nestas condições operacionais vai ocorrer a geração de energia por pressão, pela turbina bulbo (20) na casa de força 17, a partir das vazões turbinadas e da queda H, e parte das vazões sobrantes (“vertidas”) passa sobre o avental de apoio 9 e sob as paredes de fundo do MGE 3, e outra porção das vazões sobrantes (“vertidas”) é aduzida pela captação d’água da câmara hidro cinética 21 e a seguir escoada pela câmara hidro cinética 22. Esta vazão em excesso que se escoa na câmara hidro cinética 22 é a que será a responsável pela geração de energia da velocidade do escoamento (energia hidro cinética) da Usina CHF na câmara de geração de energia hidro cinética 24, onde localiza-se a turbina-gerador hidro cinética 23. Portanto, numa CHF não há vertedouro.

[0038] Os módulos flutuantes são denominados Módulos de Geração de Energia (MGE). Neles é gerada toda a energia da usina em todos os períodos do ano hidrológico, seja a energia de pressão/queda, a gerada na casa de força 17, através da turbina bulbo 20, como a energia hidro cinética, a gerada na câmara de geração de energia hidro cinética 24, esta através da turbina-gerador hidro cinética 23, como anteriormente referido. Os MGE’s apoiam-se lateralmente entre 2 pilares longitudinais 13 consecutivos e podem se deslocar nesse apoio simplesmente na direção vertical, procurando sua condição de equilíbrio de acordo com as forças de empuxo hidrodinâmico e com o seu peso próprio e tara de água adicionada a partir da casa de bombas do MGE (não mostrado). Por efeito de obstrução de fluxo, os MGE’s geram um desnível H (queda) de poucos metros entre o nível de água fluvial a montante e jusante.

[0039] A potência elétrica obtida pela pressão / queda na casa de força 17 através da turbina bulbo 20, em quaisquer períodos do ano hidrológico, sejam as águas baixa, média e alta, é gerada como função desse desnível hídrico H e da vazão turbinada (QTB). Como verificado nos ensaios experimentais realizados em modelo reduzido, o desnível H máximo de uma Usina CHF, para sua operação segura contra adernamentos e vibrações, é da ordem de 8 metros, estando o desnível de projeto H para operação da Usina CHF compreendido na faixa de 2 a 8 metros , ο que reproduz uma velocidade do escoamento na seção de encaixamento da Usina CHF variando de 6,3 a 12,5 m/s, enquanto que a velocidade máxima do escoamento obtida em trechos fluviais naturais é da ordem 1,5 m/s a 3,5 m/s, sendo também um desafio (incerteza) na geração de energia hidro cinética prospectar estirões fluviais com esta magnitude de velocidades naturais, como anteriormente referido.

[0040] Uma Usina CHF é idealizada para trabalhar com desnível hídrico de projeto H constante durante a maior parte de sua operação, qualquer que seja a vazão do rio ou turbinada (carga de projeto da Usina). A carga de projeto H (2 a 8 metros) é definida a partir de questões ambientais, de modo que o pequeno “reservatório” criado pelo aproveitamento seja restrito a altura máxima da calha fluvial a montante da seção de encaixamento da usina, para quaisquer vazões de escoamento ao longo do ano hidrológico. Quando os MGE’s flutuam, há, portanto, necessidade de variar o peso total do modulo, por adição ou subtração de tara. A tara é constituída por água do próprio rio, sendo armazenada em porões do MGE 5. É alterada automaticamente, visando aumentar ou diminuir a obstrução ao curso d’água, para que o desnível H de projeto se mantenha o mesmo ao longo do ano hidrológico.

[0041] Pequenos diques laterais à seção do rio tomada pelos pilares 13, denominada seção de encaixamento da Usina, obrigam todo o fluxo a passar entre os pilares 13. Tais diques podem ser de terra, ou terra mais pedra, ou de concreto. Em certos casos, pode-se prever, que em cheias excepcionais, haja escoamento vertido sobre os diques, especialmente quando os mesmos forem de concreto.

[0042] Eclusas ou passos de navegação (não mostrado) podem ser alocados no(s) canto(s) da seção de encaixamento da Usina, visando promover, ou não interromper, o transporte fluvial natural da bacia hidrográfica. Podem também ser previstos na seção de encaixamento da Usina espaços para passagem de materiais flutuantes (não mostrado).

[0043] O aproveitamento da energia hidráulica de um rio pode se dar isoladamente, por uma única Usina CHF, ou por uma série de Usinas CHF’s em cascata. Uma Usina CHF pode ser implantada em rios de quaisquer portes, sendo adequado que haja a permanência de vazões mínimas para a geração de energia por pressão/queda. Dependendo da área da bacia hidrográfica e da vazão do rio, uma Usina CHF pode funcionar como pequena ou grande usina hidrelétrica.

[0044] Quanto mais regular for o regime hidrológico do curso d’água (regime de vazões), maior será a eficiência na geração da energia hídrica de pressão, turbina Bulbo 20 numa Usina CHF. Daí a vantagem em se dispor de obras de regularização fluvial de vazões a montante, por exemplo, quando existe uma usina hidrelétrica convencional rio acima, com reservatório de regularização. Nesse caso, o rendimento operativo das Usinas CHF’s para a geração de hidro energia por pressão na turbina Bulbo 20 é maximizado.

[0045] Para geração da energia hidro cinética na turbina hidro cinética 23, devido a velocidade do escoamento ser função da queda H de projeto na seção de encaixamento da Usina CHF, como anteriormente referido, e considerando que a Usina CHF opera com queda H constante (queda de projeto) durante todo o ano hidrológico, o regime hidrológico (regime de vazões) em nada influencia na geração hidro cinética da Usina CHF.

[0046] Os casos abaixo são, portanto, exemplos de situações de maior viabilidade para uma Usina CHF:

[0047] Estirões fluviais a jusante de barramentos regularizadores de descarga.

[0048] Estirões fluviais de pequeno desnível, embutidos numa série em “cascata” de usinas hidrelétricas convencionais.

[0049] Cursos d’água com grande concentração de descarga sólida, e/ou grande potencial pesqueiro, e/ou com grande carga de poluição.

[0050] Cursos d’água com potencial para navegação interior, onde uma série em cascata de CHF’s pode, inclusive, apresentar o benefício adicional de navegabilidade.

[0051] Cursos d’água em regiões de grande desenvolvimento, com baixos desníveis hídricos disponíveis para geração hidrelétrica e onde o alto valor da terra inviabiliza o reservatório de acumulação de uma usina convencional, situações comuns em bacias litorâneas e/ou em vales de densa ocupação. “Cascata” de Usinas CHF’s podem ser construídas nestas regiões para atender a demanda local de cidades e indústrias.

[0052] Cursos d’água em vales de alta fragilidade ambiental, como é o caso de algumas regiões na Bacia Amazônica.

[0053] Cursos d’água de alta produção hídrica, que tornam mais competitiva a energia gerada numa CHF.

[0054] Portanto, existem várias possibilidades que, conjugadas ou não, tornam atrativa a implantação de uma Usina CHF isolada ou a execução de um planejamento que integre Usinas CHF’s, ou “cascatas” de Usinas CHF’s com usinas hidrelétricas convencionais.

[0055] Ademais, deve-se enfatizar que, devido ao seu caráter modulado, os prazos de construção e para início da plena geração de uma Usina CHF serão, em regra geral, bem menores do que os de uma usina hidrelétrica convencional que requer um barramento. Portanto, as Usinas CHF’s implicam em investimentos de retorno financeiro e social mais rápido.

VII-APEFEIÇOAMENTOS INTRODUZIDOS

[0056] O principal desenvolvimento tecnológico introduzido com a presente invenção está no detalhamento do Módulo de Geração de Energia (MGE).

[0057] Nas Figuras 1 e 2, são apresentados as configurações e os elementos do MGE segundo o estado da técnica representado por PI 0301109-7.

[0058] O Módulo de Geração de Energia MGE da presente invenção vai além daquele apresentado em PI 0301109-7 (figuras 1 e 2) e traz seus próprios elementos (figuras 5 a 7), revelando assim a unidade geradora de energia da presente invenção como uma nova concepção de usina hidrelétrica flutuante.

[0059] Um aperfeiçoamento trazido pela presente invenção é a otimização dos espaços internos do MGE para geração de energia hidro cinética (figuras 5 a 7), como a seguir descrito. O casco flutuante do MGE pode ser de aço, concreto ou plástico reforçado. O seu perfil hidrodinâmico foi obtido a partir de ensaios realizados em laboratório de hidráulica experimental-modelo reduzido bidimensional na escala 1:50, que permitiram identificar um “perfil de casco” com condições hidrodinâmicas de estabilidade de flutuabilidade adequados à maximização dos desníveis fluviais H e à geração de hidroenergia por pressão / queda na turbina bulbo 20. Como na técnica anterior, suas dimensões verticais devem ser compatíveis com a cota escolhida para o topo do avental 9 de revestimento de fundo, de acordo com as características hidrodinâmicas de flutuabilidade do perfil proposto, bem como com o regime das vazões e níveis de água do curso d’agua. Suas dimensões horizontais, por outro lado, dependem principalmente do tamanho e quantidade, por MGE, das turbinas-geradores 20, estes selecionados a partir de estudos hidro energéticos, equipamentos eletro e hidro mecânicos de geração de energia por pressão/queda.

[0060] Comparando-se as figuras 1 e 2, correspondendo ao MGE da anterioridade, com as figuras 5 a 7, representando o MGE da presente invenção, observa-se o acréscimo nos espaços no MGE dos elementos responsáveis pela geração da energia hidro cinética, elementos 21 a 28 das figuras 5 a 7, permitindo-se, assim, além da geração da energia por pressão/queda da anterioridade, a otimização da geração de energia hidrelétrica global no MGE da Usina CHF.

[0061] Os aperfeiçoamentos introduzidos no MGE da presente invenção estão apresentados nas figuras 5 a 7 e listados nos elementos (21) a (28), e serão descritos abaixo segundo os Sistema (a) “do escoamento das vazões/velocidades aduzidas - turbinadas”, e Sistema (b) “do escoamento da geração de energia hidro cinética”.

[0062] São mantidas as configurações do sistema guia de apoio e deslocamento vertical dos módulos de geração (MGE) entre os pilares longitudinais 13, representadas nas figuras 5 e 6 da técnica anterior, assim como o sistema de operação de variação da água de lastro dos módulos de geração, estes previstos na anterioridade.

[0063] Em relação ao Sistema (a) “do escoamento das vazões/velocidades aduzidas -turbinadas”, nos períodos de águas média-alta do ano hidrológico, na seção de encaixamento da Usina CHF, o MGE, que opera segundo uma queda /desnível de projeto H, a captação d’água da câmara hidro cinética 21, localizada dentro e altimetricamente no fundo do MGE, na face de montante deste MGE, capta parte das vazões sobrantes “vertidas” QTHC, e a outra porção se escoa sob as paredes de fundo do MGE 3 e sobre o avental de apoio do MGE 9. Esta vazão captada QTHC na captação d’água da câmara hidro cinética 21 é aduzida ao longo da câmara hidro cinética 22, que ocupa toda extensão longitudinal do MGE e está localizada dentro do MGE e altimetricamente bem próximo a parede de fundo do MGE 3, a câmara hidro cinética 22 escoando as vazões captadas pela captação d’água da câmara hidro cinética 21 e transmitindo as vazões e velocidades escoadas até seu trecho final, representado pelo canal de fuga da câmara hidro cinética 26 localizado no fundo 3 e na face de jusante do MGE. A seção transversal da câmara hidro cinética 22 será circular, que viabiliza prover máxima eficiência hidráulica, com diâmetro compatível com o da hélice/palhetas da turbina-gerador hidro cinética 23. O monitoramento/controle das vazões/velocidades captadas na captação d’água da câmara hidro cinética 21 e escoadas na a câmara hidro cinética 22 é realizado por comporta de controle 28 do escoamento na câmara hidro cinética, a mesma localizada a montante e o mais próximo possível da câmara de geração de energia hidro cinética 24, de modo que a comporta 28 não influa na velocidade do escoamento na câmara hidro cinética 22, sendo que a câmara de geração de energia hidro cinética 24 está planimetricamente localizada a jusante da comporta 28. A manutenção/reparos da câmara hidro cinética 22 e da sua comporta 28 é feita vedando-se a entrada (montante) e a saída (jusante) do escoamento na câmara hidro cinética 22, a partir de stop-logs de manutenção da câmara hidro cinética 27, estes localizados no início (montante) e final (jusante) da câmara hidro cinética 22. Dentro do MGE, o Sistema (a) referido é dimensionado/planejado para localizar-se planimetricamente entre 1(um) par dos componentes de geração hidro energética por pressão/queda H, estes constituídos por casa de força 17 e turbina bulbo 20. Desta forma, considerando-se o arranjo do MGE em planta, como simulado na figura 5, com 4 (quatro) casas de força 17 e suas correspondentes turbinas bulbo 20, tem-se 3 (três) conjuntos do Sistema (a).

[0064] Em relação ao Sistema (b) “do escoamento da geração de energia hidro cinética”, este é composto pela câmara de geração de energia hidro cinética 24, localizada planimetricamente a cerca da metade da extensão longitudinal do MGE e a montante das paredes transversais da casa de força 18 da geração de energia por pressão, e altimetricamente no fundo do MGE, logo acima da câmara hidro cinética 22. As dimensões da câmara de geração de energia hidro cinética 24 devem ser compatíveis para acomodar a turbina-gerador hidro cinética 23, bem como para a realização dos serviços de manutenções e reparos na turbina-gerador hidro cinética 23 e na comporta de controle do escoamento na câmara hidro cinética 28. Deve também acomodar um conjunto de motor-bomba (não mostrados) para esvaziar a câmara hidro cinética 22, quando das manutenções na câmara hidro cinética 22. Como referido, está inserido na câmara de geração de energia hidro cinética 24 a turbina-gerador hidro cinética 23, com desnível Y em relação a turbina de pressão (bulbo) 20 (figura 7). A câmara de geração de energia hidro cinética 24 ocupa toda extensão transversal do MGE, sendo sustentada pelas duas paredes laterais do MGE 1. A localização planimétrica da turbina-gerador hidro cinética 23 para gerar hidro energia corresponde a cerca da metade da extensão da câmara hidro cinética 22. Os hélices/palhetas da turbina 23, que devem estar submersos na câmara hidro cinética 22, são conectados com o gerador elétrico pelo rotor da turbina (não mostrado), este alocado dentro da câmara de geração de energia hidro cinética 24. As palhetas-hélices da turbina-gerador hidro cinética 23, submersa na câmara hidro cinética 22, como referido, transforma a energia hidráulica (energia hidro cinética) do fluxo/vazão/velocidades de água, captado na captação d’água da câmara hidro cinética 21 e escoado na câmara hidro cinética 22, em energia mecânica na forma de torque e velocidade de rotação das palhetas/hélices 23, a qual é transmitida a um rotor acoplado ao gerador de energia (não mostrado) e localizado na câmara de geração de energia hidro cinética 24, para gerar a potência elétrica na referida câmara 24, sendo a velocidade do escoamento na câmara hidro cinética 22 uma função direta da queda/desnível de projeto H, podendo chegar a valores de 6,3 a 12.5 m/s, respectivamente, para queda de projeto H variando de 2 a 8 metros na seção de encaixamento da Usina CHF, enquanto que nos cursos d’água as velocidade naturais máximas são de 1,5 a 3,5 m/s. A potência elétrica gerada nas palhetas/hélices 23 é uma equação matemática do tipo potência com concavidade crescente, função da velocidade do escoamento, seja: P = f (V). Ou seja, quanto maiores forem as quedas H, maiores serão as velocidades escoadas na câmara hidro cinética 22, e maiores serão as potências elétricas geradas pela Usina CHF na sua seção de encaixamento por equipamentos de geração hidrelétrica por velocidade-Turbina-Gerador Hidro Cinética 23, a mesma localizada na câmara de geração de energia hidro cinética 24. Na câmara de geração de energia hidro cinética 24 serão realizadas as manutenções e reparos da turbina-gerador hidro cinética 23 e das comportas 28, sendo seu espaço compatível com a ergonomia de tais funções , e assim estando disponíveis nesta câmara de geração de energia hidro cinética 24 pontes rolantes e os equipamentos (não mostrados) necessários para tais serviços .0 acesso a câmara de geração de energia hidro cinética 24 é feito pelo elevador de acesso à câmara de geração de energia hidro cinética 25, localizado em uma das extremidades do MGE e planimetricamente conectado a câmara de geração de energia hidro cinética 24, este elevador 25 interligando a superfície do MGE à área da câmara de geração de energia hidro cinética 24, a última localizada próximo a câmara hidro cinética 22 e ao fundo 3 do MGE.

[0065] A descrição da presente invenção é não limitante e exemplificativa das possibilidades permitidas pela invenção ora apresentada, de acordo com o entendimento desta por um técnico no assunto

Claims

Câmara hidro cinética (22), caracterizada pelo fato de que compreende uma seção transversal circular, com diâmetro compatível com o do hélice/palhetas da turbina hidro cinética (23), sendo a câmara hidro cinética (22) localizada dentro e altimetricamente no fundo de um Módulo de Geração de Energia (MGE), próximo da parede de fundo do MGE (3), ocupando toda extensão longitudinal do MGE, e planimetricamente utilizando o espaço entre 1(um) par dos componentes hidro energéticos por pressão/queda -casa de força(17) e turbina bulbo (20), sendo a Câmara (22) constituída por:
uma captação d’água da câmara hidro cinética (21), localizada dentro e altimetricamente no fundo (3) do MGE, na face de montante deste MGE;
canal de fuga da câmara hidro cinética (26), localizado ao fundo e na face de jusante do MGE;
comporta de controle do escoamento na câmara hidro cinética (28), próximo/a montante da câmara de geração de energia hidro cinética (24); e
stop-logs de manutenção da câmara hidro cinética (27), localizados no início, montante, e final, jusante, da câmara (22),
Câmara de geração de energia hidro cinética (24), caracterizada pelo fato de que está localizada planimetricamente a cerca da metade da extensão longitudinal de um Módulo de Geração de Energia-MGE e a montante das paredes transversais da casa de força (18) da geração de energia por pressão, e altimetricamente logo acima da câmara hidro cinética (22), ao fundo do MGE, tendo a câmara de geração de energia hidro cinética (24) dimensões compatíveis para acomodar a turbina - gerador (23), motor bombas, bem como os equipamentos e espaço para a realização de reparos e manutenção dos mesmos.
Câmara de geração de energia hidro cinética (24), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que ocupa toda extensão transversal do MGE, sendo a câmara (24) sustentada pelas duas paredes laterais do MGE (1).
Câmara de geração de energia hidro cinética (24), de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que apresenta um elevador de acesso à câmara de geração de energia hidro cinética (25), este localizado em uma das extremidades do MGE e planimetricamente conectado a (24), este elevador (25) interligando a superfície do MGE à área da câmara de geração de energia hidro cinética (24), esta última localizada próximo a câmara hidro cinética (22) e ao fundo (3) do MGE.
Método de geração de energia, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma câmara hidro cinética (22), conforme definida na reivindicação 1 escoa as vazões e transmite as velocidades do fluxo de água (QTHC) captados na câmara de captação (21) para as palhetas-hélices da turbina-gerador hidro cinética (23), submersa na câmara hidro cinética (22), que transforma a energia hidráulica, a energia cinética, em energia mecânica na forma de torque e velocidade de rotação dos hélices/palhetas (23), a qual é propagada a um rotor acoplado ao gerador de energia para gerar a potência elétrica em (24), sendo a velocidade do escoamento em (22) uma função direta da queda/desnível de projeto H.
Método de geração de energia, caracterizado pelo fato de que uma câmara de geração de energia hidro cinética (24), conforme definida em qualquer uma das reivindicações 3 ou 4, gera a energia hidro cinética do MGE a partir dos hélices/palhetas da turbina (23), que estão submersos na câmara hidro cinética (22), conectados com o gerador pelo rotor da turbina, este gerador alocado dentro da câmara de geração de energia hidro cinética (24).
Método de geração de energia, caracterizado pelo fato de que compreende gerar energia híbrida por pressão e velocidade, combinando-se o método definido na reivindicação 5 com o método definido na reivindicação 6.
Método de geração de energia de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a energia híbrida gerada por pressão e velocidade ocorre simultaneamente.
Módulo de Geração de Energia - MGE, caracterizado pelo fato de que compreende a combinação da câmara hidro cinética (22), conforme definida na reivindicação 1, e a câmara de geração de energia hidro cinética (24), conforme definida em qualquer uma das reivindicações 2 a 5.
Módulo de Geração de Energia - MGE, caracterizado pelo fato de que o módulo MGE gera hidroenergia híbrida, compreendendo geração de energia por pressão em (18) e (20), e geração de hidroenergia por velocidade em (24) e (23), de forma simultânea.
Usina Central Hidrelétrica Flutuante - CHF, caracterizada pelo fato de que compreende pelo menos uma câmara hidro cinética (22), conforme definida na reivindicação 1, uma a câmara de geração de energia hidro cinética (24), conforme definida em qualquer uma das reivindicações 2 a 4, um módulo de geração de energia, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 9 ou 10, ou uma combinação destes.