BR112016014083B1 - Método, sistema submarino e unidade de energia submarina para suprimento de energia elétrica a um equipamento submarino sob a água - Google Patents

Abstract

TRANSMISSÃO DE ENERGIA SOB A ÁGUA. A presente invenção refere-se a um método de suprimento de energia a um sistema elétrico de equipamento submarino sob a água, sem uma conexão elétrica acoplada a úmido. O método compreende o acoplamento temporário de um elemento de acoplamento rotativo de uma fonte de energia ao equipamento submarino e a rotação desse elemento para gerar energia elétrica a bordo do equipamento. O equipamento submarino que executa o método compreende: um gerador de energia elétrica a bordo conectado a uma carga elétrica tal como uma bateria recarregável para carregar a bateria quando o gerador é acionado; e um elemento de acoplamento rotativo que é girado por um impulsor externo para acionar o gerador. O equipamento submarino alternativo para executar o método compreende: um estator, mas não um rotor, de um gerador de energia elétrica a bordo, o qual supre a corrente à carga quando um rotor externamente acionado é posicionado adjacente ao estator e girado em relação ao estator. Uma fonte de energia que compreende um rotor do gerador é acoplada com o equipamento para essa finalidade.

Description

[001] A presente invenção refere-se à transmissão ou à transferência de energia sob a água entre sistemas submarinos distintos que suprem energia e que recebem energia, em particular a energia elétrica.

[002] A indústria de óleo e gás offshore provê muitos exemplos dos sistemas submarinos que suprem ou recebem energia elétrica no suporte da exploração e da produção. Estes incluem: veículos sob a água não tripulados (UUVs); patins para UUVs; garagens submarinas, docas ou outros pontos de carga nos quais as baterias de um UUV ou de seu patim podem ser recarregadas; e ferramentas ou sensores autônomos alimentados pelas baterias que podem, por sua vez, ser recarregadas por um UUV ou por seu patim.

[003] Uma vez que a invenção é particularmente apta para o uso com UUVs, tais veículos serão usados neste relatório descritivo para exemplificar o conceito da invenção. No entanto, o amplo conceito da invenção não é limitado para o uso com UUVs: algumas aplicações da invenção podem, ao invés disto, envolver o uso de submarinos tripulados ou certamente mergulhadores equipados em águas mais rasas.

[004] É frequentemente necessário executar tarefas tais como a inspeção, o monitoramento, a manutenção e a construção durante operações submarinas. Abaixo da profundidade do mergulhador, tais tarefas são executadas geralmente por UUVs, tais como veículos operados remotamente (ROVs) e veículos sob a água autônomos (AUVs).

[005] Os ROVs são caracterizados por uma conexão física a um navio de suporte na superfície através de um cordão umbilical que conduz energia, dados e sinais de controle. Eles são categorizados tipicamente como ROVs da classe de trabalho ou como ROVs da classe de inspeção.

[006] Os ROVs da classe de trabalho são grandes e potentes o bastante executar uma variedade de tarefas submarinas de manutenção e construção, para cuja finalidade eles podem ser adaptados mediante a adição de patins especializados e ferramentas de uma forma intercambiável modular. Tais ferramentas podem, por exemplo, incluir ferramentas de torque e ferramentas alternantes impelidas por motores hidráulicos ou elétricos ou por acionadores.

[007] Os ROVs da classe de inspeção são menores, mas mais manobráveis do que os ROVs da classe de trabalho para executar tarefas de inspeção e monitoramento, embora também possam executar tarefas de manutenção leves tais como a limpeza ao usar ferramentas apropriadas. Além da inspeção visual usando luzes e câmeras, os ROVs da classe de inspeção podem manter sensores no contato com, ou na proximidade de, uma estrutura submarina tal como uma tubulação para inspecionar e monitorar a sua condição ou outros parâmetros.

[008] Luzes, câmeras, sensores e ferramentas eletricamente impelidas carregados por ROVs compreendem invariavelmente sistemas elétricos. As ferramentas de ROV hidraulicamente impelidas também podem conter sistemas elétricos para o controle e o monitoramento.

[009] Os AUVs são as contrapartes robóticas autônomas dos ROVs. Eles se movem de tarefa a tarefa em um curso programado por períodos limitados sem uma conexão física a um navio de suporte na superfície. No entanto, eles devem fazer viagens frequentes à superfície ou a uma garagem submarina ou a uma doca para recarregar a bateria; eles também requerem baterias grandes para a resistência adequada entre as recargas.

[0010] Para evitar a necessidade de um UUV fazer uma longa viagem à superfície sempre que as ferramentas ou os sensores tiverem que ser trocados, um jogo de ferramentas ou sensores pode ser armazenado em uma cesta de distribuição que é abaixada até um local submarino apropriado. O UUV pode então apanhar e carregar a ferramenta ou o sensor apropriado da cesta de distribuição a um local de trabalho.

[0011] O documento de patente WO 2009/061562 propõe um sistema para o trabalho submarino em que múltiplos AUVs sem cordão cooperam com uma estação de atracação central. Os AUVs retornam à estação de atracação periodicamente para serem reprogramados e carregar as suas baterias. A estação de atracação isenta um navio de suporte de ter que permanecer na estação na superfície. Similarmente, o documento de patente WO 2013/072690 divulga uma garagem submarina à qual um AUV pode retornar periodicamente para a proteção, o reabastecimento ou a recarga, e eventualmente para a recuperação até a superfície.

[0012] No documento de patente WO 2008/037349, um gerador de energia é construído em uma estação de atracação para recarregar o AUV quando este é acoplado à estação. Por outro lado, a patente U.S. 7183742 divulga uma estação de atracação de UUV submarina que compreende uma célula de combustível que é energizada para gerar energia elétrica quando um UUV é acoplado à estação, para recarregar as baterias a bordo do UUV.

[0013] Além de receber a energia, os UUVs podem suprir a energia a outros sistemas submarinos, diretamente ou por meio de patins. Por exemplo, é conhecido a partir do documento de patente WO 2013/040296 para que a bateria de um patim autônomo seja recarregada pela conexão sob a água ao sistema elétrico de um ROV.

[0014] Pequenas unidades submarinas autônomas alimentadas por bateria tais como transponders e balizas também são conhecidas. Tais unidades são tipicamente UUV portáteis a ser colocadas em um local submarino desejado. Também foi proposto para que ferramentas ou sensores autônomos sejam colocados sobre ou ao lado de uma estrutura submarina para executar independentemente operações nessa estrutura de um UUV.

[0015] Para evitar que as baterias de unidades submarinas autônomas, ferramentas, sensores ou patins sejam esgotadas, um UUV pode visitaR as mesmas periodicamente para conectar eletricamente e recarregar as mesmas. O UUV pode tanto suprir a energia de uma bateria a bordo quanto através de um cordão umbilical que supre energia oriunda da superfície.

[0016] Cada um dos exemplos acima requer que um acoplamento de transmissão de energia seja efetuado sob a água entre circuitos elétricos de dois sistemas distintos, ou seja, o sistema principal que supre a energia e o sistema secundário que recebe a energia.

[0017] Um acoplamento submarino de energia elétrica é mais comumente efetuado por um conector elétrico acoplado a úmido. Simplesmente mediante a inserção de um plugue em um soquete sob a água, o acoplamento a úmido acopla um cabo ou um fio elétrico tal como um cordão umbilical ou cabo ao equipamento elétrico submarino. Embora seja simples em princípio, o acoplamento a úmido sofre da não confiabilidade em sua conexão entre elementos de contato, especialmente o risco do ingresso de água salgada que causa a perda de energia ou danos de curto-circuito. O acoplamento a úmido também sofre os efeitos do desgaste com a operação repetida.

[0018] O documento de patente WO 01/21476 divulga um sistema de engate de linha para conduzir a energia a um AUV de uma plataforma na superfície através de um veículo de engate flutuante que age essencialmente como uma saída de energia flutuante para recarregar a fonte de alimentação a bordo do AUV. A energia conduzida é a corrente elétrica ou a energia hidráulica transferida através de uma conexão do acoplamento a úmido, isto é, um conector projetado para o acoplamento e o desacoplamento sob a água.

[0019] Para evitar esses inconvenientes, alternativas sem contato ou sem fio foram propostas para evitar o acoplamento a úmido entre os elementos de contato. Por exemplo, a patente U.S. 8511389 ensina a transferência de energia sem contato indutiva em um ambiente submarino mediante o uso de um acoplador indutivo estático. Nessa solução, a transferência submarina de energia elétrica é baseada no princípio de um transformador: envolve um enrolamento primário localizado em uma unidade de recarga remota ou móvel tal como um ROV e um enrolamento secundário localizado em uma fonte de alimentação para o equipamento elétrico que deve ser recarregado.

[0020] Uma solução indutiva estática sofre de uma pobre eficiência, é volumosa e requer bastante energia para obter uma taxa adequada de transferência de energia. Caso contrário, pode fornecer muito pouca corrente para recarregar um AUV em uma escala horária eficaz. Consequentemente, as soluções indutivas estáticas são restringidas geralmente à energização de sistemas de controle eletrônico que requerem muito menos corrente do que os sistemas de energia elétrica.

[0021] O documento de patente WO 94/09558 e seu equivalente, a Patente U.S. 5301096, divulgam um sistema de aplicação de energia sem contato submergível para energizar cargas elétricas sob a água tais como veículos sob a água. Um conversor supre energia de alta frequência a um circuito condutor submerso que é suspendido de um navio de suporte na superfície e se estende até o leito do oceano. O sistema aplica a energia às cargas sob a água através de ligações comprimidas ou cativas fixadas em qualquer local ao longo do circuito condutor. O movimento de translação linear pode ocorrer entre as ligações e o circuito, embora o movimento rotativo, presumivelmente de uma ligação em torno do circuito, também seja mencionado, mas não descrito. O sistema é complexo e muito pouco prático, especialmente para o uso nas aplicações em águas profundas.

[0022] O documento de patente WO 2013/085030 divulga um sistema de transmissão de energia que transmite sem fio a energia sob a água entre dois dispositivos por meio de ressonância de campo magnético. Cada dispositivo é provido com uma bobina de ressonância que executa a transmissão de energia. A primeira bobina converte a energia CA em energia magnética, a qual é transmitida sem fio à segunda bobina na qual ela é reconvertida em energia CA.

[0023] É contra esses antecedentes que a presente invenção foi planejada. O objetivo da invenção consiste em evitar os problemas sofridos por conectores elétricos acoplados a úmido e acopladores indutivos quando uma fonte de energia provisória é provida ao equipamento submarino. A invenção faz isso ao evitar a necessidade de uma conexão elétrica entre o sistema de suprimento e o sistema de recepção. A invenção também minimiza o tamanho e o peso dos componentes do sistema de recepção em particular.

[0024] Consequentemente, em um aspecto a invenção reside em um método de suprimento de energia a um sistema elétrico de equipamento submarino, sob a água, sem requerer uma conexão elétrica acoplada a úmido. O método compreende o acoplamento temporário de um elemento de acoplamento rotativo de uma fonte de energia ao equipamento submarino, permitindo acoplamento eletromagnético entre o elemento de acoplamento rotativo da unidade de energia e um estator do equipamento submarino e viabilizando que o elemento de acoplamento rotativo gere energia elétrica a bordo do equipamento. Equipamento submarino que executa o método compreende: uma carga elétrica e um estator que é conectado à carga e que é montado para ter um rotor externamente acionado colocado temporariamente em ou em torno do estator para completar um gerador de energia elétrica para suprir a corrente elétrica à carga quando o rotor é colocado em ou em torno do estator e girado em relação ao estator. Uma fonte de energia que compreende um rotor de gerador é acoplada com o equipamento para essa finalidade.

[0025] O conceito da invenção engloba o equipamento submarine alternativo para receber a energia sem requerer uma conexão elétrica acoplada a úmido. Esse equipamento submarino compreende um gerador de energia elétrica a bordo conectado a uma carga elétrica tal como uma bateria recarregável para carregar a bateria quando o gerador é acionado; e um elemento de acoplamento rotativo que parte por um acionamento externo para acionar o gerador. O elemento de acoplamento rotativo é montado para permitir o acoplamento magnético com o acionador externo e é protegido em um compartimento que é montado para isolar o elemento de acoplamento rotativo da água do mar ambiente.

[0026] Sumarizando, o objetivo da invenção consiste no suprimento de energia elétrica ao equipamento elétrico submarino autônomo, tal como o trabalho feito com ferramentas e AUVs. A energia será usada normalmente para recarregar baterias a bordo do equipamento elétrico. No entanto, é possível, ao invés disto, energizar o equipamento diretamente ou sem carregar uma bateria. Nesse caso, o equipamento pode ser ativado quando a energia é suprida ao mesmo e desativado quando a fonte de alimentação é desligada.

[0027] A invenção atinge o seu objetivo mediante a provisão de sistemas separáveis para produzir, suprir e receber energia elétrica temporariamente. Uma fonte de energia primária é temporariamente acoplada não eletricamente a um receptor de energia secundário para gerar energia elétrica a bordo do receptor de energia, ou seja, o equipamento elétrico que tem uma carga elétrica que tem que ser suprida com corrente; por exemplo, cujas baterias devem ser recarregadas. O acoplamento provisório é não elétrico, para impedir a interferência entre a água do mar e as correntes elétricas.

[0028] Mais especificamente, um pequeno gerador de energia elétrica, ou um elemento do estator de um gerador de energia, permanece integrado permanentemente in situ com o equipamento cuja carga elétrica deve ser suprida com corrente. A energia elétrica é gerada a bordo desse equipamento mediante o acoplamento temporário de uma fonte de energia rotativa para acionar ou energizar o gerador ou para prover um elemento do rotor que completa o gerador. A fonte de energia rotativa inclui um motor que gira apropriadamente uma haste ou eixo, o qual é acoplado temporariamente a um receptáculo ou um outro elemento de acoplamento que gira o gerador para produzir energia elétrica. O motor pode, por exemplo, ser implementado por uma ferramenta de torque de ROV padrão. Outras montagens de acoplamento são possíveis, tal como será descrito.

[0029] Por conseguinte, a invenção elimina a necessidade de conexões elétricas acopladas a úmido. Ela permite níveis utilmente elevados de transferência de energia enquanto minimiza o tamanho, o peso e a complexidade do equipamento no lado secundário em especial. Ela emprega sistemas mecânicos ou hidráulicos e interfaces que são bem compreendidas e aceitas na indústria de engenharia submarina.

[0030] O elemento de acoplamento rotativo da unidade de energia e o estator do equipamento submarino são montados juntos para formar um gerador. Esse gerador, cujos componentes chaves são divididos entre a unidade de energia e o equipamento submarino, irá gerar a energia elétrica a bordo do equipamento submarino com a rotação do elemento de acoplamento rotativo em relação ao estator.

[0031] De preferência, a unidade de energia e/ou o equipamento submarino são estabilizados contra forças de reação de torque ao efetuar uma fixação secundária entre a unidade de energia e o equipamento submarino.

[0032] A invenção também reside em itens do equipamento submarino que requerem ocasionalmente que energia seja provida aos mesmos oriunda de uma fonte externa. Em um sentido, o equipamento da invenção compreende: pelo menos uma carga elétrica a bordo; um gerador de energia elétrica a bordo conectado à carga para suprir a corrente elétrica à carga quando o gerador é acionado; e um elemento de acoplamento rotativo montado para ser girado por um acionador externo para acionar o gerador. O elemento de acoplamento rotativo é montado para efetuar o acoplamento magnético com o acionador externo e protegido em gabinete que é montado para separar o elemento de acoplamento rotativo do ambiente da água do mar.

[0033] Por exemplo, a carga elétrica pode compreender pelo menos uma bateria recarregável a bordo, em cujo caso o gerador, ou o estator de um gerador dividido, é conectado à bateria para carregar a bateria quando o gerador é acionado.

[0034] Entorno do elemento de acoplamento rotativo pode compreender uma janela alinhada com o elemento de acoplamento rotativo, em que a janela é magneticamente transparente em relação a uma parede circundante do gabinete.

[0035] Em um outro sentido, para implementar método do gerador compartilhado da invenção, o equipamento da invenção compreende: pelo menos uma carga elétrica a bordo; e um estator macho ou fêmea que é conectado à carga e que é montado para ter um rotor externamente acionado colocado temporariamente ou em torno do estator para completar um gerador de energia elétrica para suprir a corrente elétrica à carga quando o rotor é colocado em ou em torno do estator e girado em relação ao estator.

[0036] O conceito da invenção engloba sistemas submarinos para o suprimento de energia elétrica a um equipamento submarino da invenção sob a água, em que o sistema compreende uma unidade de energia que é separada do equipamento submarino e que implementa o acionador externo.

[0037] Por exemplo, se o equipamento submarino compreende um primeiro elemento de acoplamento rotativo, então o acionador externo pode compreender um segundo elemento de acoplamento rotativo que é montado para efetuar o acoplamento magnético com o primeiro elemento de acoplamento rotativo e que gire o primeiro elemento de acoplamento rotativo para acionar o gerador de energia elétrica a bordo.

[0038] A proteção em torno do segundo elemento de acoplamento rotativo pode compreender uma janela alinhada com esse elemento, em que a janela é magneticamente transparente em relação a uma parede circundante da proteção. Desse modo, o acoplamento magnético pode ser efetuado sem contato entre os primeiro e segundo elementos de acoplamento rotativo.

[0039] Em um outro sentido do sistema submarino da invenção,com relação à montagem de gerador compartilhado, a unidade de energia implementa o acionador externo para o rotor e o rotor pode ser protegido em um gabinete magneticamente transparente para separar o rotor do ambiente da água do mar.

[0040] Qualquer um ou ambos dentre a unidade de energia e o equipamento submarino podem ter uma ou mais formações de alinhamento para alinhar o equipamento submarino e a unidade de energia. Similarmente, qualquer um ou ambos dentre a unidade de energia e o equipamento submarino podem ter um ou mais pontos de fixação secundários para estabilizar o equipamento submarino e/ou a unidade de energia contra forças de reação de torque ambientes.

[0041] O conceito da invenção também se estende a: uma unidade de energia submarina para suprir energia a um equipamento submarino distinto sob a água; e um sistema submarino para suprir energia elétrica a um equipamento submarino sob a água, em que o sistema compreende tal unidade de energia. A unidade de energia da invenção compreende: um elemento de acoplamento rotativo que é um rotor do gerador que inclui ímãs ou enrolamentos; e um motor para girar o rotor. Um invólucro magneticamente transparente pode abrigar o rotor do gerador e proteger o rotor do gerador do ambiente da água do mar.

[0042] As formações de apoio podem ser espaçadas axialmente ao longo de um eixo de rotação do rotor, por exemplo, um ou mais flanges circunferenciais que se estendem em torno do rotor e/ou uma formação em pivô disposta no eixo de rotação do rotor.

[0043] A fim de que a invenção possa ser compreendida mais prontamente, agora será feita referência, a título de exemplo, aos desenhos anexos, nos quais: a Figura 1a é uma vista esquemática em perspectiva de um AUV se aproximando de uma estação de carga submarina, cujos sistemas submarinos são equipados para a transferência de energia da estação de carga ao AUV de acordo com a invenção; a Figura 1b corresponde à Figura 1a, mas mostra o AUV acoplado com a estação de carga de modo que a estação de carga possa transferir energia ao AUV; as Figuras 2a e 2b são vistas parcialmente secionais esquemáticas do AUV e da estação de carga das Figuras 1a e 1b com o AUV respectivamente prestes a acoplar e ser acoplado com a estação de carga, neste caso através de um acoplamento rotativo mecânico; as Figuras 3a e 3b correspondem às Figuras 2a e 2b respectivamente, mas mostram um acoplamento rotativo magnético entre o AUV e a estação de carga; as Figuras 4a e 4b correspondem às Figuras 3a e 3b respectivamente, mas mostram uma variante do acoplamento rotativo magnético mostrado naquelas Figuras; as Figuras 5a e 5b correspondem às Figuras 2a e 2b respectivamente, mas mostram um arranjo de gerador compartilhado que compreende um rotor da estação de carga que coopera com um estator do AUV para efetuar o acoplamento eletromagnético entre esses sistemas submarinos; as Figuras 6a e 6b correspondem às Figuras 5a e 5b respectivamente, mas mostram uma variante do arranjo de gerador dividido mostrado naquelas Figuras; as Figuras 7a a 7c são uma sequência de vistas parcialmente secionais esquemáticas de um AUV que se aproxima-se, alinhando com e acoplando com uma estação de carga submarina ao usar vários elementos de alinhamento e de fixação; e a Figura 8 é uma vista ampliada em detalhes de alguns dos elementos de alinhamento e de fixação visíveis nas Figuras 7a a 7c.

[0044] As Figuras 1a e 1b dos desenhos mostram a invenção no contexto de um AUV 10 cuja bateria a bordo requer recarga ocasional, de preferência sem o AUV 10 ter que retornar com desperdício de tempo a um navio de suporte na superfície em cada ocasião.

[0045] Com a finalidade de recarregar, a Figura 1a mostra o AUV 10 que se move para uma estação de carga submarina 12 colocada no leito do oceano 14. A Figura 1b mostra então o AUV 10 acoplado com a estação de carga 12 de modo que a estação de carga 12 possa transferir a energia ao AUV 10.

[0046] A estação de carga 12 pode ter instalações a bordo para a geração e a armazenagem de eletricidade ou pode ser alimentada com energia elétrica ou hidráulica oriunda de uma fonte externa, por exemplo, a energia elétrica de uma instalação de superfície através de um cordão umbilical 16 tal como mostrado.

[0047] As Figuras 1a, 2a e 2b mostram elementos de acoplamento mecânico cooperáveis do AUV 10 e da estação de carga 12, por meio dos quais a energia mecânica pode ser transferida da estação de carga 12 ao AUV 10 para a conversão em energia elétrica a bordo do AUV 10.

[0048] Neste exemplo, os elementos de acoplamento são um rotor macho 18 na estação de carga 12 e um soquete rotativo fêmea 20 no AUV 10. O rotor 18 projeta-se da estação de carga 12 e é moldado para conectar de maneira acoplável dentro de uma cavidade moldada complementarmente 22 do soquete 20 quando o AUV 10 atraca com a estação de carga 12.

[0049] Os elementos de acoplamento 18, 20 mostrados nas Figuras 1a, 2a e 2b são montados para transmitir o torque; desse modo, uma vez que o rotor 18 é acoplado na cavidade 22, o rotor 18 pode começar a girar para girar o soquete 20.

[0050] No exemplo mostrado, o rotor 18 e a cavidade 22 têm seções transversais hexagonais complementares para travar os mesmos contra o movimento angular relativo em uso. Seria possível adotar outros formatos de seção transversal de bloqueio tais como outros formatos poligonais.

[0051] As Figuras 2a e 2b mostram que o rotor 18 é girado, em uso, por um motor 24 na estação de carga 12. O motor 24, por sua vez, é energizado por uma fonte de energia 26 na estação de carga 12 e é controlado por um controlador 28. O motor 24 pode ser um motor elétrico ou hidráulico; consequentemente, a fonte de energia 26 pode suprir energia elétrica ou hidráulica ao motor 24 conforme apropriado.

[0052] O controlador 28 é programado apropriadamente para responder a um sensor (não mostrado) que confirma o acoplamento entre o rotor 18 e o soquete 20 antes que o controlador 28 possa acionar o motor 24.

[0053] As Figuras 2a e 2b também mostram que o soquete 20 é conectado por um eixo de impulsão 30 a uma máquina eletromagnética rotativa no AUV 10, neste caso exemplificado como um gerador CC 32, embora um alternador também seja possível. O gerador 32 converte a energia mecânica do soquete rotativo 20 em energia elétrica para carregar uma bateria 34 a bordo do AUV 10.

[0054] Opcionalmente, o rotor 18 é conectado ao motor 24 e/ou o soquete 20 é conectado ao gerador 32 de uma maneira complacente para lidar com as tolerâncias de alinhamento. Por exemplo, acoplamentos ou juntas flexíveis (não mostradas) podem ser incorporados entre o rotor 18 e o motor 24 e/ou entre o soquete 20 e o gerador 32.

[0055] O AUV 10 pode ser fixado à estação de carga 12 em um ponto de fixação adicional para estabilizar o AUV 10 contra as forças de reação de torque quando o rotor 18 e o soquete 20 giram em uso. Por exemplo, um braço manipulador 36 do AUV 10 pode agarrar um punho 38 provido na estação de carga 12 tal como mostrado nas Figuras 1a e 1b.

[0056] Outras montagens de fixação para resistir às forças de reação de torque são possíveis, tais como elementos conectores fixos no AUV 10 e na estação de carga 12 posicionados para alinhar, ficar juntos e acoplar quando o rotor 18 alinha e acopla com o soquete 20.As montagens desse tipo são mostradas nas Figuras 4a e 4b, nas Figuras 7a a 7c e na Figura 8; eles podem ser aplicados a outras modalidades da invenção.

[0057] O arranjo de acoplamento mecânico mostrado nas Figuras 1a, 2a e 2b requer um alinhamento razoavelmente exato entre o rotor e 18 e o eixo 20. Além disso, o motor 24 e o gerador 32 requerem vedações de eixo que irão entrar em contato com a água de mar em uso. No entanto, o arranjo tem as vantagens de simplicidade e a capacidade de transmitir níveis substanciais de energia.

[0058] As Figuras 3a e 3b mostram os elementos de acoplamento alternativos que também são montados para transmitir o torque entre o AUV 10 e a estação de carga 12, neste caso os elementos de acoplamento magnético 40, 42, respectivamente. Aqui, os polos dissimilares dos elementos de acoplamento 40, 42 alinham com e se atraem entre si quando esses elementos 40, 42 ficam juntos um do outro.

[0059] O acoplamento mecânico entre os elementos de acoplamento magnético 40, 42 também é possível, tal como as Figuras 3a e 3b mostram. A este respeito, deve ser observado que o elemento de acoplamento 42 da estação de carga 12 tem um formato macho, ao passo que o elemento de acoplamento 40 do AUV 10 tem um formato fêmea complementar.

[0060] Ambos os elementos de acoplamento magnético 40, 42 podem ficar abertos à água do mar, tal como as Figuras 3a e 3b mostram. Outra vez, portanto, o motor 24 e o gerador 32 irão requerer vedações de eixo que irão entrar em contato com a água do mar em uso. Para evitar isso, as Figuras 4a e 4b mostram uma outra abordagem, que é para um ou ambos os elementos de acoplamento magnético 44, 46 a serem dispostos dentro de um gabinete cheio de óleo 48, 50 com o motor 24 e/ou o gerador 32, respectivamente.

[0061] No exemplo mostrado nas Figuras 4a e 4b, as janelas 52, 54 vedam os gabinetes 48, 50 e são alinhadas com os elementos de acoplamento magnético 44, 46 que, em uso, giram dentro dos gabinetes 48, 50 imediatamente atrás das janelas 52, 54. As janelas 52, 54 são placas ou membranas finas de plástico, aço inoxidável ou de um metal não ferroso tal como o titânio.

[0062] Quando os gabinetes 48, 50 do AUV 10 e a estação de carga 12 ficam juntos e confinam entre si, as suas janelas 52.54 também alinham e confinam, desse modo também alinhando os elementos de acoplamento magnético 44, 46 que se encontram atrás das janelas 52, 54. As janelas 52, 54 são finas o bastante para serem magneticamente transparentes, pelo menos até o ponto em que a atração magnética entre os elementos de acoplamento 44, 46 pode agir através das janelas 52, 54 com uma intensidade suficiente para permitir a transmissão eficaz de torque entre os elementos de acoplamento 44, 46.

[0063] Para assegurar o alinhamento e para resistir às forças de reação de torque quando os elementos de acoplamento 44, 46 giram, os elementos conectores aqui exemplificados como os talões afunilados 56 no gabinete 48 da estação de carga 12 acoplam nas depressões complementares 58 providas no gabinete 50 do AUV 10.

[0064] Embora o alinhamento durante o acoplamento e o desacoplamento requeira que se lide com forças magnéticas, o arranjo mostrado nas Figuras 4a e 4b tem o potencial de eliminar vedações de eixo no motor e/ou no gerador. Além disso, um alternador sem escova sem nenhum ímã permanente pode ser usado como gerador.

[0065] As Figuras 5a, 5b, 6a e 6b mostram modalidades da invenção em que o acoplamento eletromagnético é efetuado entre a estação de carga 12 que define um circuito preliminar e o AUV 10 que define um circuito secundário. Essas modalidades têm a vantagem de não requerer nenhuma peça móvel no sistema secundário, embora alguma força de desacoplamento possa ser requerida para superar o campo magnético.

[0066] Na modalidade mostrada nas Figuras 5a e 5b, os elementos de acoplamento são elementos do gerador que são compartilhados entre o AUV 10 e a estação de carga 12. Os elementos do gerador ficam juntos entre si para formar uma unidade do gerador, aqui um alternador, quando o AUV 10 atraca com a estação de carga 12.

[0067] Neste exemplo do conceito de gerador compartilhado, o motor 24 na estação de carga 12 gira um rotor cilíndrico 60 do gerador que é montado para encaixar em e girar dentro de um estator anular 62 do AUV 10 para efetuar o acoplamento eletromagnético. De fato, o estator 62 forma um soquete que pode receber o rotor 60 quando o rotor 60 e o estator 62 estiverem alinhados em um eixo longitudinal central comum 64.

[0068] O estator 62 contém os enrolamentos 66, ao passo que o rotor 60 contém os ímãs (não mostrados). Os enrolamentos 66 são conectados a uma unidade de controle e carga eletrônica 68 que, por sua vez, contém a bateria 34 a bordo do AUV 10.

[0069] Os enrolamentos 66 são apropriadamente moldados em resina para serem protegidos da água do mar. Os ímãs do rotor 60 podem ser encapsulados, mas abertos para a água do mar ou fazer parte de um plugue magneticamente transparente de parede fina que é inserido no estator 62.

[0070] Uma extremidade do estator 62 é aberta para receber o rotor 60 e é circundada por uma superfície de apoio frustocônica 70 que fica voltada para a direção oposta ao estator 62 e para o eixo longitudinal central 64. A outra extremidade do estator 62 é fechada por uma parede de extremidade 72 que tem um rebaixo de apoio central 74 posicionado no eixo longitudinal central 64.

[0071] O rotor 60 é circundado por um flange circunferencial perto de sua extremidade proximal que define uma superfície de apoio frustocônica 76 confrontada distalmente. Um espicho de apoio central 78 no eixo longitudinal central 64 se projeta distalmente da extremidade distal do rotor 60.

[0072] Quando o rotor 60 é acoplado inteiramente dentro do estator 62 tal como mostrado na Figura 5b, a superfície de apoio 76 do rotor 60 encaixa bem próxima de encontro à superfície de apoio complementar oposta 70 do estator 62. Simultaneamente, o espicho 78 acopla no rebaixo 74 na parede de extremidade 68 do estator 62. As superfícies de apoio 70, 76, o espicho 78 e o rebaixo 74 interagem de modo a manter o rotor 60 alinhado com o eixo longitudinal central 64 enquanto mantêm um afastamento eficientemente pequeno entre o rotor 60 e o estator 62.

[0073] No uso submarino, a água irá servir como um lubrificante eficaz entre as superfícies de apoio 70, 76, o espicho 78 e o rebaixo 74. No entanto, essas superfícies também podem ser revestidas ou impregnadas com um material de baixo atrito ou resistente ao desgaste, tal como um PTFE.

[0074] As Figuras 6a e 6b mostram uma variante do arranjo de gerador dividido mostrado nas Figuras 5a e 5b. Os numerais semelhantes são usados para as peças semelhantes. Aqui, o rotor 80 não é exposto como o rotor 60 das Figuras 5a e 5b, mas é de preferência encapsulado em um plugue cilíndrico cheio de óleo 82 integrado com e se projetando de um invólucro cheio de óleo da estação de carga 12. O plugue 82 tem uma parede tubular magneticamente transparente fina 84 que circunda de perto o rotor cilíndrico 80.

[0075] A parede tubular 84 do plugue 82 é dimensionada para encaixar bem próxima dentro de um estator tubular 86 na estação de carga 12 quando o AUV 10 acopla com a estação de carga 12. Isso tem a vantagem que todas as peças móveis ficam contidas dentro do plugue 82, o que significa não há nenhuma peça rotativa entre o estator 86 e o plugue 82 que acopla dentro dos mesmos. Além disso, o rotor 80 e seus rolamentos associados são protegidos dentro do plugue 82.

[0076] Finalmente, as Figuras 7a a 7c mostram uma abordagem do AUV 88, alinhado com e acoplado com uma estação de carga submarina 90 suprida com a energia da superfície através de um cordão umbilical 92.

[0077] O AUV 88 e a estação de carga 90 empregam vários elementos de alinhamento e de fixação, os quais serão descritos agora com referência às Figuras 7a a 7c e também à vista ampliada em detalhes da Figura 8. Deve ser apreciado que elementos de alinhamento e de fixação similares podem ser usados com as modalidades precedentes da invenção.

[0078] Nas Figuras 7a a 7c, os elementos de acoplamento transmissores de energia são um rotor macho vertical 94 na estação de carga 90 e um soquete rotativo fêmea de abertura descendente 96 no AUV 88, servindo como um receptáculo de acoplamento para o rotor 94. O rotor 94 é acionado por um motor 98.

[0079] O soquete 96 é disposto no lado de baixo do AUV 88 ao lado de um pino-guia cilíndrico 100 que pende do AUV 88 até um nível abaixo do soquete 96. O pino-guia 100 tem um eixo longitudinal central que é espaçado de um eixo de rotação paralelo do soquete 96. Um receptáculo-guia tubular vertical 102 na estação de carga 90 tem um eixo longitudinal central que é espaçado a uma distância correspondente de um eixo de rotação paralelo do rotor 94. O receptáculo-guia 102 é dimensionado para receber o pino-guia 100.

[0080] Tal como melhor mostrado na Figura 8, o receptáculo-guia 102 tem uma boca frustocônica alargada para fora 104 para guiar o pino-guia 100 para o topo do receptáculo-guia 102. Similarmente, o rotor 94 tem uma extremidade distal afunilada ascendente para facilitar a inserção do rotor 94 no soquete 96, que tem uma forma fêmea complementar tal como mostrado.

[0081] A estação de carga 90 compreende um gabinete oco de topo aberto 106 que é montado para acomodar o AUV 88 na atracação. O topo aberto do gabinete 106 tem uma virola frustocônica alargada para fora 108 para guiar o AUV 88 que se aproxima rumo ao gabinete 106 de cima para baixo, tal como mostrado na Figura 7a.

[0082] Quando o AUV 88 entra no topo aberto do gabinete 106 tal como mostrado na Figura 7b, o pino-guia 100 entra no receptáculo- guia 102. Isso assegura o alinhamento bruto e provê um pivô em torno do qual o AUV 88 pode girar para um posicionamento fino para alinhar o seu soquete 96 com precisão com o rotor 94 da estação de carga 90. O AUV 88 pode então ser abaixado inteiramente no invólucro 106 para completar a atracação com a estação de carga 90 enquanto o rotor 94 entra no soquete 96 tal como mostrado na Figura 7c. O motor 98 pode então girar o rotor 94 e o soquete acoplado 96 para transferir a energia da estação de carga 90 para o AUV 88.

[0083] Além de facilitar o alinhamento do soquete 96 e do rotor 94, o acoplamento do pino-guia 100 no receptáculo-guia 102 resiste às forças de reação de torque quando o rotor 94 e o soquete acoplado 96 giram.

[0084] Embora a modalidade das Figuras 7a a 7c e da Figura 8 mostrem o acoplamento mecânico entre um rotor e um receptáculo de soquete fêmea como o arranjo mostrado nas Figuras 1a, 1b, 2a e 2b, deve ser compreendido que esta modalidade pode ao invés disto empregar o acoplamento magnético ou eletromagnético tal como nas propostas mostradas nas Figuras 3a e 3b, 4a e 4b, 5a e 5b e 6a e 6b.

[0085] Embora as modalidades ilustradas visem a recarga das baterias a bordo do equipamento submarino exemplificado por um AUV, é possível energizar uma carga elétrica que não uma bateria, tal como um motor. Nesse caso, as baterias mostradas nos desenhos anexos podem ser substituídas por uma carga elétrica diferente ou podem ser conectadas a um gerador ou estator em conjunto com uma carga elétrica diferente. Também é possível energizar o equipamento submarino que não um AUV, tal como uma ferramenta.

[0086] Em termos gerais, o sistema da invenção deve ser de preferência capaz de prover pelo menos 1 KW de potência. A título de ilustração, um alternador de 1 KW padrão tal como aquele usado na indústria de energia eólica tem cerca de 270 mm de diâmetro e 150 mm de comprimento, com um peso de cerca de 20 a 25 kg. Unidades maiores podem suprir, por exemplo, de 5 a 10 KW.

[0087] A tensão e a corrente são apropriadamente configuráveis com base nos requisitos de saída. Por exemplo, para unidades menores, uma saída de tensão CC pode ser de até 100 V a 10 A. Para o suprimento CA para unidades similares, isso pode cair para 110 VAC a 5 A.

[0088] A invenção tem muitas aplicações para a transmissão de energia entre sistemas submarinos sem requerer conexões elétricas acopladas a úmido. Por exemplo, a invenção pode ser usada para energizar um patim que é unido temporariamente a um UUV tal como um ROV, o que deve tornar a troca de patins submarinos mais fácil. O sistema secundário pode ter uma ferramenta autônoma ou um sensor energizados por baterias que são recarregadas de um sistema primário que é um UUV ou seu patim. Certamente, um UUV não precisa estar envolvido de modo algum; em princípio, um submarino tripulado ou um mergulhador podem estar envolvidos no acoplamento de uma fonte de alimentação primária a um receptor de energia secundário de acordo com a invenção.

[0089] O uso de uma haste do motor é meramente uma ilustração: na prática, uma ferramenta de torque elétrica ou hidraulicamente energizada padrão de um ROV ou de um AUV pode ser usada para girar qualquer dispositivo, incluindo o gerador da invenção.

[0090] Muitas outras variações são possíveis dentro do conceito da invenção. Por exemplo, um alternador sem escova sem nenhum ímã permanente ou um alternador de ímãs permanentes podem ser usados para converter a energia mecânica em energia elétrica dentro do sistema secundário, tal como um AUV, ao qual a energia é suprida pelo sistema primário, tal como uma estação de carga submarina.

[0091] Alternadores ou outras unidades geradoras usados na invenção são de preferência cheios de óleo para balancear a pressão hidrostática na profundidade e resistir ao ingresso da água do mar. Uma carga de óleo é eletricamente isolante e afasta o calor dos enrolamentos para refrigerar o gerador. A refrigeração melhora a eficiência e maximiza a saída de energia, sendo observado que a saída de energia é normalmente limitada pelo risco de superaquecimento.

[0092] Os leitores versados na técnica irão apreciar que é possível inverter o arranjo mostrado nas Figuras 5a, 5b, 6a e 6b ao adotar rolamentos no rotor e ímãs no estator, o que pode tornar o alinhamento entre os sistemas mais fácil. Além disso, deve ser possível que a relação macho/fêmea do rotor/estator seja invertida, e desse modo que um rotor fêmea gire em torno de um estator macho.

[0093] Similarmente, o uso de um elemento de acoplamento macho na fonte de energia e um elemento de acoplamento fêmea do receptor secundário de energia tal como mostrado nas Figuras 2a, 2b, 3a e 3b pode ser invertido; certamente, o uso de elementos de acoplamento macho/fêmea não é essencial, uma vez que outras formações de acoplamento são possíveis.

[0094] Onde necessário, a transferência de dados entre sistemas submarinos tais como um AUV e uma estação de carga submarina ou entre um ROV e um patim pode ser efetuada sem fio, por exemplo, por conexões Wi-Fi ou de dados ópticos. Além disso, quaisquer conexões hidráulicas desejadas entre sistemas submarinos podem ser efetuadas em paralelo enquanto ocorre a transferência de energia. Por exemplo, um conector de penetração de um tipo bem conhecido no estado da técnica pode ser posicionado para conectar circuitos hidráulicos dos respectivos sistemas durante a atracação, quando os elementos de conexão rotativos da invenção são colocados junto para a transmissão de energia tal como descrito neste relatório descritivo.

Claims (13)

1. Método de suprimento de energia elétrica a um equipamento submarino (10) sob a água, o método caracterizado pelo fato de que compreende: acoplar temporariamente um elemento de acoplamento rotativo (60, 80) de uma unidade de energia (12) ao equipamento submarino (10); realizar acoplamento eletromagnético entre o elemento de acoplamento rotativo (60, 80) da unidade de energia (12) e um estator (62, 86) do equipamento submarino (10) colocando o elemento de acoplamento rotativo (60, 80) da unidade de energia (12) junto com o estator (62, 86) do equipamento submarino (10) para compor um gerador que gera energia elétrica a bordo do equipamento submarino (10) mediante a rotação do elemento de acoplamento rotativo (60, 80) da unidade de energia (12); girar o elemento de acoplamento rotativo (60, 80) para gerar energia elétrica a bordo do equipamento submarino (10); e estabilizar a unidade de energia (12) e/ou o equipamento submarino (10) contra as forças de reação de torque ao efetuar uma fixação secundária entre a unidade de energia (12) e o equipamento submarino (10).

2. Sistema submarino para o suprimento de energia elétrica a um equipamento submarino (10) sob a água, caracterizado pelo fato de que o equipamento submarino (10) requer uma fonte intermitente de energia oriunda de uma fonte externa, o equipamento (10) compreendendo: pelo menos uma carga elétrica a bordo; um gerador de energia elétrica a bordo (32) conectado à carga para suprir a corrente elétrica à carga quando o gerador (32) é acionado; um primeiro elemento de acoplamento rotativo (46) montado para ser girado por um acionador externo para acionar o gerador (32), em que o primeiro elemento de acoplamento rotativo (46) é montado para efetuar acoplamento magnético com o acionador externo e é abrigado em um gabinete (50) que é montado para separar o primeiro elemento de acoplamento rotativo (46) do ambiente da água do mar em uso; e um ou mais pontos de fixação secundários (100, 102) para estabilizar o equipamento submarino (10) contra as forças de reação de torque quando o primeiro elemento de acoplamento rotativo (46) é girado pelo acionador externo; o sistema ainda compreende uma unidade de energia (12) que é separada do equipamento submarino (10) e que implementa o acionador externo; em que que o acionador externo compreende um segundo elemento de acoplamento rotativo (44) que é montado para efetuar o acoplamento magnético com o primeiro elemento de acoplamento rotativo (46) e que gira o primeiro elemento de acoplamento rotativo (46) para acionar o gerador de energia elétrica a bordo (32); e em que o segundo elemento de acoplamento rotativo (44) é abrigado em um gabinete (48) que é montado para separar o segundo elemento de acoplamento rotativo (44) do ambiente da água do mar em uso.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a carga elétrica compreende pelo menos uma bateria recarregável a bordo (34) e o gerador (32) é conectado à bateria (34) para carregar a bateria (34) quando o gerador (32) é acionado.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o gabinete (50) compreende uma janela (54) alinhada com o primeiro elemento de acoplamento rotativo (46), em que a janela (54) é magneticamente transparente em relação a uma parede circundante do gabinete (50).

5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de que o gabinete (48) compreende uma janela (52) alinhada com o segundo elemento de acoplamento rotativo (44), em que a janela (52) é magneticamente transparente em relação a uma parede circundante do gabinete (48).

6. Sistema submarino para o suprimento de energia elétrica a um equipamento submarino (10) sob a água, caracterizado pelo fato de que o equipamento submarino (10) requer uma fonte intermitente de energia oriunda de uma fonte externa, o equipamento compreendendo: pelo menos uma carga elétrica a bordo; e um estator macho ou fêmea (62, 86) que é conectado à carga e que é montado para possuir um rotor externamente acionado (60, 80) que é colocado temporariamente em ou em torno do estator (62, 86) para completar um gerador de energia elétrica para suprir a corrente elétrica à carga quando o rotor (60, 80) é colocado em ou em torno do estator (62, 86) e girado em relação ao estator (62, 86); e um ou mais pontos de fixação secundários para estabilizar o equipamento submarino contra as forças de reação de torque quando o rotor é girado em relação ao estator; o sistema ainda compreende uma unidade de energia (12) que é separada do equipamento submarino (10) e que implementa o acionador externo para o rotor (60, 80); em que o rotor (80) é abrigado em um gabinete magneticamente transparente (84) para separar o rotor (80) do ambiente da água do mar em uso.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a carga elétrica compreende pelo menos uma bateria recarregável a bordo (34) e o estator (62, 86) é conectado à bateria (34) para carregar a bateria (34) quando o rotor externamente acionado (60, 80) é colocado em ou em torno do estator (62, 86) e girado em relação ao estator (62, 86).

8. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 7, caracterizado pelo fato de que compreende uma ou mais formações de alinhamento (56, 58, 74, 78) para alinhar o equipamento submarino (10) e a unidade de energia (12).

9. Unidade de energia submarina (12) para suprir energia a um equipamento submarino distinto (10) sob a água, a unidade de energia (12) caracterizada pelo fato de que compreende: um elemento de acoplamento rotativo (60, 80) que é um rotor para um gerador que inclui ímãs ou rolamentos; um motor (24) para girar o rotor (60, 80); e um ou mais pontos de fixação secundários para estabilizar a unidade de energia (12) e/ou o equipamento submarino (10) contra as forças de reação de torque em uso; e um gabinete que abriga o rotor de gerador (60, 80) e é montado para separar o rotor de gerador (60, 80) do ambiente da água do mar em uso.

10. Unidade de energia (12), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o rotor (60) compreende formações de apoio espaçadas axialmente ao longo de um eixo de rotação do rotor (60).

11. Unidade de energia (12), de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que as formações de apoio compreendem um flange circunferencial (76) que se estende em torno do rotor (60).

12. Unidade de energia (12), de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizada pelo fato de que as formações de apoio compreendem uma formação de pivô (78) disposta no eixo de rotação do rotor (60).

13. Sistema submarino para suprir energia elétrica a um equipamento submarino (10) sob a água, caracterizado pelo fato de que o equipamento submarino (10) compreende: pelo menos uma carga elétrica a bordo; e um estator macho ou fêmea (62, 86) que é conectado à carga e que é montado para possuir um rotor externamente acionado (60, 80) que é colocado temporariamente em ou em torno do estator (62, 86) para completar um gerador de energia elétrica para suprir a corrente elétrica à carga quando o rotor (60, 80) é colocado em ou em torno do estator (62, 86) e girado em relação ao estator (62, 86); e o sistema compreende uma unidade de energia submarina (12) que é separada do equipamento submarino (10) e é como definida em qualquer uma das reivindicações 9 a 12.

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