BR112018069510B1

BR112018069510B1 - Dispositivos e sistemas de colheita de energia de fluxo

Info

Publication number: BR112018069510B1
Application number: BR112018069510-6A
Authority: BR
Inventors: Stewart Sherrit; Hyeong Jae Lee; Tim Colonius; Luis Phillipe Tosi
Original assignee: California Institute Of Technology
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2022-12-20
Also published as: US20190097548A1; BR112018069510A2; GB2565452B; GB201816629D0; GB2565452A; WO2017196454A3; US11316447B2; WO2017196454A2; NO20181269A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um sistema de colheita de energia de fluxo incluindo um bico-difusor definindo um canal de fluxo em forma de ranhura e um dispositivo de colheita de energia de fluxo no canal de fluxo em forma de ranhura do bico-difusor. O canal de fluxo em forma de ranhura inclui uma parte convergente, uma parte divergente e uma seção de constrição entre as partes convergente e divergente. O dispositivo de colheita de energia de fluxo inclui um elemento flextensional tendo um quadro e um cantilever estendendo-se para fora do quadro, e uma pilha de elementos piezelétricos alojados em uma cavidade interna definida no quadro. O cantilever é um material não piezelétrico. O quadro do elemento flextensional está na parte convergente e o cantilever está na seção de constrição do canal de fluxo em forma de ranhura. O quadro é configurado para deformar e alongar os elementos piezelétricos para gerar uma corrente com base no efeito piezelétrico quando um fluido flui através do canal de fluxo em forma de ranhura e gera forças desequilibradas no cantilever devido à vibração aeroelástica.

Description

DECLARAÇÃO SOBRE PESQUISA/DESENVOLVIMENTO FEDERALMENTE PATROCINADO

[001] A invenção aqui descrita foi feita no desempenho do trabalho sob um contrato da NASA NNN12AA01C, e está sujeita às disposições da Lei Pública 96517 (35 USC 202) em que o contratante optou por manter o título.

CAMPO DA TÈCNICA

[002] A presente descrição refere-se geralmente a dispositivos de colheita de energia de fluxo.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[003] Para operar eletrônicos em locais remotos, tais como sensores ou atuadores no fundo de um poço de produção de petróleo, a energia deve ser transmitida pelo poço para os eletrônicos ou gerada no fundo na zona de produção do poço. No entanto, a transmissão de energia pelo poço para os eletrônicos é difícil devido à presença de vários equipamentos de produção de petróleo no poço, tal como vedadores de produção.

[004] Coletores convencionais de energia piezelétrica de tipo cantilever bimorfo, que são tipicamente utilizados em dispositivos existentes de colheita de energia induzida por vibração, podem ser utilizados para produzir energia localmente próximo do dispositivo eletrônico que exige energia (por exemplo, um componente eletrônico em um poço). Os coletores de energia piezelétrica convencionais do tipo cantilever bimorfo têm tipicamente uma baixa rigidez de flexão transversal. Esta baixa rigidez de flexão transversal pode criar grandes tensões nos elementos piezelétricos e, portanto, grande potência de saída com pequenas forças de amplitude em relação a outros atuadores piezelétricos convencionais. No entanto, os coletores de energia piezelétrica de tipo cantilever bimorfo convencionais tendem a ser frágeis e, portanto, podem ter uma vida útil curta quando submetidos a grandes deformações.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[005] A presente descrição é dirigida a várias modalidades de um sistema de colheita de energia de fluxo configurado para gerar energia. Em uma modalidade, o sistema de colheita de energia de fluxo inclui pelo menos um difusor de bico definindo um canal de fluxo em forma de ranhura, e pelo menos um dispositivo de colheita de energia de fluxo no canal de fluxo em forma de ranhura de pelo menos um difusor de bico. O canal de fluxo em forma de ranhura inclui uma parte convergente, uma parte divergente, e uma seção de constrição entre as partes convergente e divergente. O dispositivo de colheita de energia de fluxo inclui um elemento flextensional tendo um quadro e um cantilever que se estende para fora do quadro. O cantilever é um material não piezelétrico. O dispositivo de colheita de energia de fluxo também inclui uma pilha de elementos piezelétricos alojados em uma cavidade interna definida no quadro. O quadro do elemento flextensional está na parte convergente e pelo menos uma parte do cantilever está na seção de constrição do canal de fluxo em forma de ranhura. O quadro é configurado para deformar e alongar a pilha de elementos piezelétricos para gerar uma corrente com base no efeito piezelétrico quando um fluido flui através do canal de fluxo em forma de ranhura e gera forças desequilibradas no cantilever devido à vibração aeroelástica.

[006] Uma frequência de ressonância do quadro e pilha de elementos piezelétricos pode ser menor do que uma frequência de ressonância do cantilever. A pilha de elementos piezelétricos pode ser isolada do canal de fluxo em forma de ranhura. O sistema de colheita de energia de fluxo também pode incluir uma tubulação. Pelo menos um difusor de bico pode incluir uma série de bicos-difusores dispostos em uma superfície externa da tubulação, e pelo menos um dispositivo de colheita de energia de fluxo pode incluir uma série de dispositivos de colheita de energia de fluxo na série de bicos-difusores. Pelo menos dois dispositivos de colheita de energia de fluxo da série de dispositivos de colheita de energia de fluxo podem ser dispostos em paralelo ou em série. O quadro e o cantilever do elemento flextensional podem, cada um, ser feitos de metal. O sistema de colheita de energia de fluxo também pode incluir um par de espaçadores transversais opostos que se estendem para fora do quadro do elemento flextensional. O par de espaçadores transversais opostos acopla fixamente o elemento flextensional de pelo menos um dispositivo de colheita de energia de fluxo a pelo menos um difusor de bico. Um comprimento de cada um dos elementos piezelétricos pode ser paralelo a um comprimento do cantilever do elemento flextensional. O comprimento de cada um dos elementos piezelétricos pode ser maior do que a espessura de cada um dos elementos piezelétricos.

[007] A presente descrição é também dirigida a vários métodos para gerar energia em um poço tendo uma parede de formação e uma tubulação afastada da parede de formação por uma região anular. Em uma modalidade, o método inclui posicionar um sistema de colheita de energia de fluxo na região anular. O sistema de colheita de energia de fluxo inclui uma série de bicos-difusores definindo uma série de canais de fluxo em forma de ranhura, e uma série de dispositivos de colheita de energia de fluxo na série de canais de fluxo em forma de ranhura. Cada canal de fluxo em forma de ranhura inclui uma parte convergente, uma parte divergente, e uma seção de constrição entre as partes convergente e divergente. Cada dispositivo de colheita de energia de fluxo inclui um elemento flextensional tendo um quadro e um cantilever que se estende para fora do quadro. O cantilever inclui um material não piezelétrico. Cada dispositivo de colheita de energia de fluxo também inclui uma pilha de elementos piezelétricos alojados em uma cavidade interna definida no quadro. Para cada um dos dispositivos de colheita de energia de fluxo, o quadro do elemento flextensional está na parte convergente de um dos canais de fluxo em forma de ranhura e pelo menos uma parte do cantilever do elemento flextensional está na seção de constrição do canal de fluxo em forma de ranhura. Para cada um dos dispositivos de colheita de energia de fluxo, o quadro é configurado para deformar e alongar a pilha de elementos piezelétricos para gerar uma corrente baseada no efeito piezelétrico quando um fluido flui através da região anular e da pluralidade de canais de fluxo em forma de ranhura e gera forças desequilibradas no cantilever devido à vibração aeroelástica.

[008] O método também pode incluir transmitir a corrente para um dispositivo eletrônico no poço. O posicionamento do sistema de colheita de energia de fluxo na região anular pode incluir dispor circunferencialmente a série de bicos-difusores e a série de dispositivos de colheita de energia de fluxo na região anular e orientar os canais de fluxo em forma de ranhura paralelos a um eixo longitudinal do poço. Pelo menos dois dispositivos de colheita de energia de fluxo da série de dispositivos de colheita de energia de fluxo podem ser dispostos em paralelo ou em série.

[009] Este resumo é fornecido para introduzir uma seleção de características e conceitos de modalidades da presente descrição que são descritas abaixo na descrição detalhada. Este resumo não é destinado a identificar características-chave ou essenciais do assunto reivindicado, nem é destinado a ser usado para limitar o escopo do assunto reivindicado. Uma ou mais das características descritas podem ser combinadas com uma ou mais outras características descritas para fornecer um dispositivo viável.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[010] Estas e outras características e vantagens das modalidades da presente descrição tornar-se-ão mais evidentes por referência à seguinte descrição detalhada, quando considerada em conjunto com os seguintes desenhos. Nos desenhos, números de referência similares são usados em todas as figuras para referenciar características e componentes similares. As figuras não são necessariamente desenhadas em escala, nem é exigido que todas as características nos desenhos se enquadrem necessariamente no escopo da invenção descrita. Além disso, o arquivo de patente ou pedido contém pelo menos um desenho executado em cores. Cópias desta patente ou publicação de pedido de patente com desenho(s) colorido(s) serão fornecidas pelo Escritório mediante solicitação e pagamento da taxa necessária.

[011] As Figuras 1A-1B são uma vista transversal vertical e uma vista transversal horizontal, respectivamente, de um dispositivo de colheita de energia de fluxo de acordo com uma modalidade da presente descrição em um estado sem carga.

[012] As Figuras 2A-2E representam diferentes graus de deformação da modalidade do dispositivo de colheita de energia de fluxo ilustrado nas Figuras 1A- 1B.

[013] As Figuras 3A e 3B são uma vista em perspectiva em corte e uma vista detalhada ampliada, respectivamente, de um sistema de colheita de energia de fluxo de acordo com uma modalidade da presente descrição incluindo uma série de bicos- difusores e uma série de dispositivos de colheita de energia de fluxo nos bicos- difusores.

[014] A Figura 4 é uma vista transversal da modalidade do sistema de colheita de energia de fluxo ilustrado na Figura 3A em uma região anular de um poço configurado para gerar eletricidade no poço a partir do fluido que flui através da região anular do poço.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[015] A presente descrição é dirigida a várias modalidades de dispositivos e sistemas de colheita de energia de fluxo incluindo um elemento flextensional tendo um quadro e um cantilever, e uma pilha de elementos piezelétricos alojados no quadro. Quando um fluido (por exemplo, um gás ou um líquido) flui sobre o elemento flextensional, forças desequilibradas no cantilever criadas pela vibração aeroelástica (por exemplo, forças de fluxo instáveis no cantilever) geram tensões internas no cantilever. Estas tensões internas no cantilever causam deformação do quadro e da pilha de elementos piezelétricos no quadro, e a deformação dos elementos piezelétricos gera uma corrente de acordo com o efeito piezelétrico. De acordo com uma ou mais modalidades da presente descrição, o dispositivo de colheita de energia de fluxo é configurado de tal modo que o modo de deformação extensional de comprimento (por exemplo, o modo de deformação de alongamento) dos elementos piezelétricos é excitado por forças desequilibradas no cantilever. O modo comprimento extensional de comprimento (por exemplo, o modo de deformação de alongamento) dos elementos piezelétricos tem uma eficiência de conversão de energia que é maior do que o modo de deformação transversal dos elementos piezelétricos que é empregue em coletores convencionais de energia piezelétrica do tipo cantilever bimorfo.

[016] Adicionalmente, de acordo com uma ou mais modalidades da presente descrição, a frequência de ressonância dos elementos piezelétricos e do quadro pode ser menor do que a frequência de ressonância do cantilever de tal modo que o fluxo de fluido não precisa deflexionar (por exemplo, dobrar) o cantilever para deformar os elementos piezelétricos e gerar corrente. Por conseguinte, como o cantilever não precisa ser dimensionado para dobrar, a espessura do cantilever pode ser aumentada em comparação com coletores piezelétricos convencionais do tipo cantilever bimorfo tendo cantileveres relativamente finos para atenuar a fadiga e a erosão. Adicionalmente, os elementos piezelétricos no quadro do presente quadro são isolados do fluxo de fluido em torno do quadro do elemento flextensional, que é configurado para reduzir os efeitos de corrosão, erosão, e degradação geral nos elementos piezelétricos que poderiam, de outro modo, reduzir o ciclo de vida do dispositivo.

[017] Os dispositivos e sistemas de colheita de energia de fluxo da presente descrição podem ser adequados para uso em uma variedade de aplicações de geração de energia, tal como, por exemplo, na indústria de petróleo (por exemplo, geração de energia no poço de petróleo para energizar um ou mais dispositivos elétricos no poço de petróleo) e/ou em operações aeronáuticas e espaciais (por exemplo, geração de energia a partir de vento ou ondas em corpos planetários com uma atmosfera). Ao produzir energia localmente perto da localização do dispositivo eletrônico que exige energia (por exemplo, sensores e/ou atuadores), os dispositivos e sistemas de colheita de energia de fluxo da presente descrição eliminam a necessidade de transmitir energia por longas distâncias (por exemplo, no fundo do poço), o que reduz a complexidade geral do sistema e as dificuldades associadas à transmissão de energia.

[018] Com referência agora às Figuras 1A-1B, um dispositivo de colheita de energia de fluxo 100 de acordo com uma modalidade da presente descrição inclui um elemento flextensional 101 tendo um quadro 102 (por exemplo, um corpo ou um invólucro) e um cantilever 103 (por exemplo, um atuador flextensional) conectado ao quadro 102. Em uma ou mais modalidades, o cantilever 103 e o quadro 102 podem ser formados separadamente e subsequentemente unidos por qualquer processo ou técnica de fabricação adequada, ou o cantilever 103 e o quadro 102 podem ser formados integradamente como um elemento monolitico. Na modalidade ilustrada, o quadro 102 é um corpo alongado que tem um par de extremidades opostas 104, 105 (isto é, uma extremidade dianteira 104 e uma extremidade traseira 105) e pelo menos uma parede lateral 106 (por exemplo, uma parede lateral cilíndrica) que se estende entre o par de extremidades opostas 104, 105. Na modalidade ilustrada, o cantilever 103 se estende para fora a partir da extremidade traseira 105 do quadro 102. O cantilever 103 inclui uma extremidade fixa 107 (por exemplo, extremidade presa) na extremidade traseira 105 do quadro 102 e uma extremidade livre 108 oposta à extremidade fixa 107. O cantilever 103 pode ter qualquer forma adequada, tal como, por exemplo, uma placa plana (por exemplo, uma placa geralmente retangular ou um feixe geralmente retangular) ou uma haste. O dispositivo de colheita de energia de fluxo 100 da presente descrição também inclui uma pilha de elementos piezelétricos 109, 110 alojados em uma cavidade interna ou câmara 111 definida no quadro 102 do elemento flextensional 101. Na modalidade ilustrada, a cavidade interna 111 do quadro 102 é fechada ou selada de tal modo que os elementos piezelétricos 109, 110 alojados no quadro 102 são isolados de um exterior do quadro 102 (por exemplo, os elementos piezelétricos 109, 110 alojados no quadro 102 isolados do fluido que flui em torno do quadro 102 do elemento flextensional 101). Embora na modalidade ilustrada a pilha inclua um par de elementos piezelétricos 109, 110, em uma ou mais modalidades, a pilha pode incluir qualquer outro número adequado de elementos piezelétricos (por exemplo, mais de dois elementos piezelétricos). Na modalidade ilustrada, o cantilever 103 é feito de um material não piezelétrico, tal como metal.

[019] Na modalidade ilustrada, o elemento flextensional 101 também inclui um par de elementos de suporte opostos 112, 113 que se estendem para a cavidade interna 111 a partir das extremidades opostas 104, 105, respectivamente, do quadro 102. Os elementos de suporte 112, 113 são configurados para suportar extremidades dos elementos piezelétricos 109, 110 e manter os elementos piezelétricos 109, 110 sob uma carga compressiva. Adicionalmente, na modalidade ilustrada, o quadro 102 do elemento flextensional 101 é configurado para sobreviver a vibrações de grandes amplitudes. A manutenção dos elementos piezelétricos 109, 110 sob uma carga compressiva e da capacidade do quadro 102 de sobreviver a vibrações de grandes amplitudes é configurada para fornecer tanto alta densidade de energia nos elementos piezelétricos 109, 110 quanto resistência à fadiga do elemento flextensional 101. Em um ou mais modalidades, o cantilever 103 e o quadro 102 do elemento flextensional 101 podem ambos ser feitos de metal.

[020] Na modalidade ilustrada, um comprimento de cada um dos elementos piezelétricos 109, 110 é paralelo ou substancialmente paralelo a um comprimento do cantilever 103. Além disso, na modalidade ilustrada, o comprimento de cada um dos elementos piezelétricos 109, 110 é maior do que a espessura de cada um dos elementos piezelétricos 109, 110. Quando o dispositivo de colheita de energia de fluxo 100 está em um estado descarregado, como mostrado nas Figuras 1A-1B, o cantilever 103 estende-se ao longo de um eixo que se estende entre os elementos piezelétricos 109, 110 (por exemplo, os elementos piezelétricos 109, 110 são espelhados ou centrados em torno do eixo ao longo do qual o cantilever 103 se estende quando o dispositivo de colheita de energia de fluxo 100 está em um estado descarregado). Adicionalmente, na modalidade ilustrada, os elementos piezelétricos 109, 110 são empilhados em uma direção (por exemplo, uma direção vertical) que é ortogonal ou substancialmente ortogonal à direção (por exemplo, uma direção horizontal) na qual o cantilever 103 se estende.

[021] Com referência continuada à modalidade ilustrada nas Figuras 1A-1B, o elemento flextensional 101 também inclui um par de espaçadores transversais opostos 114, 115. Na modalidade ilustrada, os espaçadores 114, 115 se estendem para fora a partir da parede lateral 106 do quadro 102 do elemento flextensional 101. Embora na modalidade ilustrada o elemento flextensional 101 inclua um par de espaçadores 114, 115, em uma ou mais modalidades, o elemento flextensional 101 pode incluir qualquer outro número adequado de espaçadores, tal como três ou quatro espaçadores dispostos em torno da parede lateral 106 do quadro 102. Os espaçadores 114, 115 são configurados para acoplar fixamente o quadro 102 do elemento flextensional 101 a outra estrutura (por exemplo, um difusor de bico para dirigir o fluxo de fluido sobre o quadro 102 e o cantilever 103 do elemento flextensional 101).

[022] Quando o dispositivo de colheita de energia de fluxo 100 da presente descrição é introduzido em um fluxo de fluido F (por exemplo, um fluxo de gás ou fluxo de líquido), o fluxo de fluido F flui ao longo de uma superfície externa 116 do quadro 102 e sobre o cantilever do elemento flextensional 101. O fluxo de fluido F pode estar presente em uma variedade de ambientes diferentes nos quais se deseja gerar energia localmente, tal como, por exemplo, fluxo de líquido em um poço ou vento ou ondas em um corpo planetário com uma atmosfera. Em uma ou mais modalidades, o dispositivo de colheita de energia de fluxo 100 pode ser configurado para gerar energia a partir de qualquer fluxo de fluido F tendo uma taxa de fluxo de pelo menos aproximadamente 3L/min. Quando um fluxo de fluido F irregular ou instável flui sobre o cantilever 103, forças diferenciais/desequilibradas sobre ou ao longo do cantilever 103 criam tensões internas no cantilever 103. Isto é, um fluxo de fluido desigual F sobre o cantilever 103 do elemento flextensional 101 pode gerar vibração aeroelástica (por exemplo, oscilações autossustentadas) no cantilever 103, o que gera tensões internas no cantilever 103. As tensões internas que se desenvolvem no cantilever 103 são efetivamente combatidas por uma força pontual e um momento na interface entre o ponto fixo fim 107 do cantilever 103 e extremidade traseira 105 do quadro 102, que causam deformação do quadro 102 e deformação extensional de comprimento da pilha de elementos piezelétricos 109, 110 no quadro 102. A deformação extensional de comprimento dos elementos piezoelétricos 109, 110 gera uma corrente de acordo com o efeito piezelétrico. Na modalidade ilustrada, a vantagem mecânica entre uma força pontual (Fy) no cantilever 103 e a carga de extensão de comprimento (Fx) no quadro 102 do elemento flextensional 101 e dos elementos piezelétricos 109, 110 é proporcional a Lx/Ly, e a magnitude da força no quadro 102 do elemento flextensional 101 e dos elementos piezelétricos 109, 110 é amplificada se Ly > Lx.

[023] As Figuras 2A-2E representam diferentes graus de deformação do quadro 102 e dos elementos piezelétricos 109, 110 quando um fluxo de fluido instável F flui sobre o cantilever 103 do elemento flextensional 101 (por exemplo, quando vibração aeroelástica é induzida ou presente no cantilever 103). Nas Figuras 2A-2E, a magnitude do deslocamento é representada por um contorno colorido, onde vermelho representa o maior deslocamento, azul representa o menor deslocamento, amarelo representa um deslocamento moderado, e laranja representa um grau intermediário de deslocamento entre os níveis de deslocamento representados em amarelo e vermelho. O elemento flextensional 101 é mostrado em uma posição neutra (por exemplo, uma posição não deformada) na Figura 2C. As Figuras 2B e 2A representam uma deformação crescente do quadro 102 em uma primeira direção (por exemplo, para baixo) e o alongamento crescente resultante (por exemplo, aumento da deformação extensional de comprimento) dos elementos piezelétricos 109, 110 no quadro 102, e as Figuras 2D e 2E representam a deformação crescente do quadro 102 em uma segunda direção oposta à primeira direção (por exemplo, para cima) e o alongamento crescente resultante (por exemplo, aumento da deformação extensional de comprimento) dos elementos piezelétricos 109, 110 no quadro 102.

[024] Na modalidade ilustrada, a frequência de ressonância dos elementos piezelétricos 109, 110 e do quadro 102 do elemento flextensional 101 são menores do que a frequência de ressonância do cantilever 103 do elemento flextensional 101. Assim, o fluxo de fluido F não precisa deflexionar (por exemplo, dobrar) o cantilever 103 para deformar os elementos piezelétricos 109, 110 e, assim, gerar uma corrente de acordo com o efeito piezelétrico. Em vez disso, o fluxo de fluido F pode excitar o modo de flexão do quadro 102 e dos elementos piezelétricos 109, 110 sem empolar a deflexão de feixe do cantilever 103. Consequentemente, como o cantilever 103 não precisa ser dimensionado para permitir a dobragem do cantilever 103, a espessura do cantilever 103 pode ser aumentada em comparação com coletores piezelétricos convencionais do tipo cantilever bimorfo tendo cantileveres finos para atenuar a fadiga e a erosão do cantilever 103.

[025] Na modalidade ilustrada, os elementos piezelétricos 109, 110 alojados na cavidade interna 111 do quadro 102 do elemento flextensional 101 são isolados do fluxo de fluido F ao longo da superfície externa 116 do elemento flextensional 101. Isolar os elementos piezelétricos 109, 110 do fluxo de fluido F é configurado para reduzir os efeitos da corrosão, erosão e degradação geral dos elementos piezelétricos 109, 110 que poderiam, de outro modo, reduzir o ciclo de vida do dispositivo de colheita de energia de fluxo 100.

[026] Com referência agora às Figuras 3A-3B, um sistema de colheita de energia de fluxo 200 de acordo com uma modalidade da presente descrição inclui uma série de bicos-difusores 201 e uma série de dispositivos de colheita de energia de fluxo 100. Como descrito em mais detalhes abaixo, os bicos-difusores 201 são configurados para direcionar um fluxo de fluido através dos dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 para excitar o modo de deformação extensional de comprimento dos dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 e, assim, gerar uma saída elétrica através do efeito piezelétrico. Os dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 podem ter qualquer configuração descrita acima com referência à modalidade ilustrada nas Figuras 1A-1B. Na modalidade ilustrada, cada um dos bicos-difusores 201 define um canal de fluxo em forma de ranhura 202 tendo uma parte convergente 203 (por exemplo, uma seção de bico), uma parte divergente 204 (por exemplo, uma seção de difusor), e uma seção de constrição 205 entre as partes convergente e divergente 203, 204. Adicionalmente, na modalidade ilustrada, o canal de fluxo em forma de ranhura 202 inclui uma entrada 206 a montante da parte convergente 203 e uma saída 207 à jusante da parte divergente 204.

[027] Os dispositivos de colheita de energia de fluxo estão dispostos nos canais de fluxo em forma de ranhura 202 dos bicos-difusores 201. Na modalidade ilustrada, os quadros 102 dos elementos flextensionais 101 estão nas partes convergentes 203 dos canais de fluxo 202 e os cantileveres 103 estendem-se para as seções de constrição 205 dos canais de fluxo 202. Adicionalmente, na modalidade ilustrada, as partes de extremidade dos cantileveres 103 estendem-se para as partes divergentes 204 dos canais de fluxo 202. Os espaçamentos transversais 114, 115 nos quadros 102 dos elementos flextensionais 101 acoplam fixamente os quadros 102 a partes dos bicos-difusores 201 (por exemplo, as partes convergentes 203 dos canais de fluxo em forma de ranhura 202).

[028] Na modalidade ilustrada, a série de bicos-difusores 201 e a série de dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 são dispostos circunferencialmente. Juntos, os bicos-difusores 201 dispostos circunferencialmente e os dispositivos de colheita de energia 100 definem uma faixa anular 208. Os dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 em posições circunferenciais adjacentes na faixa anular 208 são dispostos em paralelo. Adicionalmente, na modalidade ilustrada, cada posição radial da faixa anular 208 inclui três bicos-difusores 201 dispostos em série e três dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 dispostos em série. Em uma ou mais modalidades, cada posição radial da faixa anular 208 pode incluir qualquer outro número adequado de bicos-difusores 201 e um número correspondente de dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 (por exemplo, cada posição radial da faixa anular 208 pode incluir um único bico-difusor 201 e um único dispositivo de colheita de energia de fluxo 100, um par de bicos-difusores 201 e um par de dispositivos de colheita de energia de fluxo correspondentes 100 ou mais de três bicos-difusores 201 e mais de três dispositivos de colheita de energia de fluxo correspondentes). Por conseguinte, na modalidade ilustrada, os bicos-difusores 201 e os dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 da faixa anular 208 estão dispostos em paralelo e em série. Em uma ou mais modalidades, os bicos-difusores 201 e os dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 podem ser dispostos apenas em paralelo ou apenas em série.

[029] Quando o sistema de colheita de energia de fluxo 200 da presente descrição é introduzido em um fluxo de fluido F (por exemplo, um fluxo de gás ou fluxo de líquido), o fluxo de fluido F flui primeiro para as entradas 206 nos canais de fluxo 202 dos bicos-difusores 201 e é então comprimido pelas partes convergentes 203 (por exemplo, as seções de bico) e pelas seções de constrição 205 dos canais de fluxo 202. O fluxo de fluido F expande-se então através das partes divergentes 204 (por exemplo, as seções de difusor) dos canais de fluxo 202 e depois sai através das saídas 207. À medida que o fluxo de fluido F flui através das partes convergentes 203 dos canais de fluxo 202, o fluxo de fluido F flui sobre os quadros 102 dos elementos flextensionais 101. Como o fluxo de fluido F flui através das seções de constrição 205 dos canais de fluxo 202 e expandem-se através das partes divergentes 204 dos canais de fluxo 202, o fluxo de fluido F flui sobre os cantileveres 103 dos elementos flextensionais 101. O fluxo de fluido F através dos canais de fluxo em forma de ranhura 202 tendem a produzir vibração aeroelástica (por exemplo, um fluxo irregular ou instável) nos cantileveres 103 dos dispositivos de colheita de energia de fluxo 100. Este fluxo instável sobre os cantileveres 103 cria forças diferenciais/desequilibradas e tensões internas nos cantileveres 103. Essas tensões internas nos cantileveres 103 causam a deformação extensional de comprimento dos quadros 102 e da pilha de elementos piezelétricos 109, 110 em cada um dos elementos flextensionais 101, e a deformação extensional de comprimento dos elementos piezelétricos 109, 110 gera uma corrente de acordo com o efeito piezelétrico.

[030] O modo de deformação extensional de comprimento dos elementos piezelétricos 109, 110 tem uma eficiência de conversão de energia que é maior (por exemplo, aproximadamente 3 a 5 vezes maior) do que um modo de deformação transversal dos elementos piezelétricos, que é empregado em coletores convencionais de energia piezelétrica do tipo cantilever bimorfo. Em uma ou mais modalidades, um dos dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 em um dos bicos-difusores 201 é configurado para gerar uma potência de aproximadamente 0,18 W em uma frequência de vibração aeroelástica do fluxo de fluido F de aproximadamente 300 Hz. Em uma ou mais modalidades, um dos dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 em um dos bicos-difusores 201 é configurado para gerar uma potência na faixa de centenas de Milliwatts (por exemplo, aproximadamente 200 mW a aproximadamente 500 mW). Os dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 do sistema de colheita de energia de fluxo 200 podem ser eletricamente conectados de modo que a corrente gerada a partir de cada um dos dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 possa ser transmitida para uma única linha elétrica e depois transmitida para um ou mais dispositivos eletrônicos que exigem energia. Em uma ou mais modalidades, a potência total produzida a partir dos dispositivos de colheita de energia combinados 100 pode ser de aproximadamente 1 W a aproximadamente 2 W, embora em uma ou mais modalidades, a potência total produzida possa exceder 2 W, por exemplo, aumentando o número de dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 no sistema de colheita de energia de fluxo 200.

[031] A Figura 4 representa o sistema de colheita de energia de fluxo 200 da presente descrição instalado no poço 300, de tal modo que o sistema de colheita de energia de fluxo 200 é configurado para gerar energia e fornecer energia a um ou mais dispositivos eletrônicos no poço 300. Na modalidade ilustrada, o sistema de colheita de energia de fluxo 200 instalado em uma região anular 301 definida entre uma parede de formação 302 (por exemplo, uma formação de rocha de reservatório) (ou um invólucro contra a parede de formação 302) e uma tubulação 303 (por exemplo, tubulação de completação). Quando o sistema de colheita de energia de fluxo 200 é instalado na região anular 301 do poço 300, os canais de fluxo em forma de ranhura 202 são orientados paralelamente ou substancialmente paralelos a um eixo longitudinal do furo 300. Quando um fluido (por exemplo, fluido de perfuração) flui através da região anular 301 e através do sistema de colheita de energia de fluxo 200 (isto é, através dos canais de fluxo em forma de ranhura 202 e sobre os dispositivos de colheita de energia de fluxo 100), os dispositivos de colheita de energia de fluxo 100 são configurados para gerar energia através do efeito piezelétrico, que pode ser utilizado para alimentar um ou mais dispositivos eletrônicos no poço 300. Em uma ou mais modalidades, o sistema de colheita de energia de fluxo 200 da presente descrição pode ser utilizado em qualquer outro ambiente em que seja desejado gerar energia, tal como, por exemplo, na atmosfera ou em um corpo de água em um corpo planetário para gerar eletricidade a partir do vento ou das ondas.

[032] Embora esta invenção tenha sido descrita em detalhes com referências particulares às suas modalidades, as modalidades aqui descritas não são destinadas a serem completas nem a limitar o escopo da invenção às formas exatas descritas. Os versados na técnica e na tecnologia à qual esta invenção pertence apreciarão que as alterações e modificações nas estruturas descritas e métodos de montagem e operação podem ser praticadas sem abandonar significativamente os princípios, o espírito e o escopo desta invenção. Embora termos relativos como “externo”, “interno”, “superior”, “inferior” e termos similares tenham sido usados aqui para descrever uma relação espacial de um elemento com outro, entende-se que esses termos destinam-se a abranger diferentes orientações dos vários elementos e componentes da invenção em adição à orientação representada nas figuras. Além disso, como usado aqui, o termo “substancialmente”, “geralmente” e termos similares são usados como termos de aproximação e não como termos de grau, e são destinados a considerar os desvios inerentes em valores medidos ou calculados que seriam reconhecidos pelos versados na técnica. Ademais, como aqui utilizado, quando um componente é referido como estando “ligado” ou “acoplado a” outro componente, ele pode estar diretamente ligado ou acoplado ao outro componente ou componentes intervenientes podem estar presentes entre eles. Além disso, qualquer recurso descrito é opcional e pode ser usado em combinação com um ou mais outros recursos para obter um ou mais benefícios.

Claims

1. Sistema de colheita de energia de fluxo, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: pelo menos um bico-difusor que define um canal de fluxo em forma de ranhura, o canal de fluxo em forma de ranhura compreendendo uma parte convergente, uma parte divergente e uma seção de constrição entre as partes convergente e divergente; e pelo menos um dispositivo de colheita de energia de fluxo no canal de fluxo em forma de ranhura do pelo menos um bico-difusor, o pelo menos um dispositivo de colheita de energia de fluxo compreendendo: um elemento flextensional tendo um quadro e um cantilever que se estende para fora do quadro, o cantilever compreendendo um material não piezelétrico; e uma pilha de elementos piezelétricos alojados em uma cavidade interna definida no quadro, em que o quadro do elemento flextensional está na parte convergente e pelo menos uma parte do cantilever está na seção de constrição do canal de fluxo em forma de ranhura, e em que o quadro é configurado para deformar e alongar a pilha de elementos piezelétricos para gerar uma corrente baseada no efeito piezelétrico quando um fluido flui através do canal de fluxo em forma de ranhura e gera forças desequilibradas no cantilever devido à vibração aeroelástica.

2. Sistema de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que uma frequência de ressonância do quadro e da pilha de elementos piezelétricos é menor do que uma frequência de ressonância do cantilever.

3. Sistema de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a pilha de elementos piezelétricos é isolada do canal de fluxo em forma de ranhura.

4. Sistema de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente compreende: uma tubulação, em que o pelo menos um bico-difusor compreende uma pluralidade de bicos-difusores dispostos em uma superfície externa da tubulação, e em que o pelo menos um dispositivo de colheita de energia de fluxo compreende uma pluralidade de dispositivos de colheita de energia de fluxo na pluralidade de bicos-difusores.

5. Sistema de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos dois dispositivos de colheita de energia de fluxo da pluralidade de dispositivos de colheita de energia de fluxo são dispostos em paralelo ou em série.

6. Sistema de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que cada um do quadro e do cantilever do elemento flextensional compreende metal.

7. Sistema de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente compreende um par de espaçadores transversais opostos estendendo-se para fora do quadro do elemento flextensional, o par de espaçadores transversais opostos acoplando fixamente o elemento flextensional do pelo menos um dispositivo de colheita de energia de fluxo ao pelo menos um bico-difusor.

8. Sistema de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que um comprimento de cada um dos elementos piezelétricos é paralelo a um comprimento do cantilever do elemento flextensional.

9. Sistema de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o comprimento de cada um dos elementos piezelétricos é maior do que a espessura de cada um dos elementos piezelétricos.

10. Dispositivo de colheita de energia de fluxo, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um elemento flextensional compreendendo: um quadro que define uma cavidade interna; e um cantilever que se estende para fora do quadro, o cantilever compreendendo um material não piezelétrico; e uma pilha de elementos piezelétricos alojados na cavidade interna do quadro, em que uma extremidade fixa do cantilever é conectada a uma extremidade da pilha de elementos piezelétricos em uma extremidade traseira do quadro.

11. Dispositivo de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que uma frequência de ressonância do quadro e da pilha de elementos piezelétricos é inferior a uma frequência de ressonância do cantilever.

12. Dispositivo de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que a pilha de elementos piezelétricos é isolada de um exterior do quadro do elemento flextensional.

13. Dispositivo de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que cada um do quadro e do cantilever do elemento flextensional compreende metal.

14. Dispositivo de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente compreende um par de espaçadores transversais opostos que se estendem para fora do quadro do elemento flextensional, o par de espaçadores transversais opostos configurados para acoplar fixamente o elemento flextensional a uma estrutura.

15. Dispositivo de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que um comprimento de cada um dos elementos piezelétricos é paralelo a um comprimento do cantilever do elemento flextensional.

16. Dispositivo de colheita de energia de fluxo, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o comprimento de cada elemento piezelétrico é maior do que a espessura de cada elemento piezelétrico.

17. Método para gerar energia no fundo do poço em um poço tendo uma parede de formação e uma tubulação afastados da parede de formação por uma região anular, o método CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: posicionar um sistema de colheita de energia de fluxo na região anular, o sistema de colheita de energia de fluxo compreendendo: uma pluralidade de bicos-difusores definindo uma pluralidade de canais de fluxo em forma de ranhura, cada canal de fluxo em forma de ranhura compreendendo uma parte convergente, uma parte divergente e uma seção de constrição entre as partes convergente e divergente; e uma pluralidade de dispositivos de colheita de energia de fluxo na pluralidade de canais de fluxo em forma de ranhura, cada dispositivo de colheita de energia de fluxo compreendendo: um elemento flextensional tendo um quadro e um cantilever que se estende para fora do quadro, o cantilever compreendendo um material não piezelétrico; e uma pilha de elementos piezelétricos alojados em uma cavidade interna definida no quadro, em que, para cada um da pluralidade de dispositivos de colheita de energia de fluxo, o quadro do elemento flextensional está na parte convergente de um dentre os canais de fluxo em forma de ranhura e pelo menos uma parte do cantilever do elemento flextensional está na seção de constrição de um dentre os canais de fluxo em forma de ranhura, e em que, para cada um da pluralidade de dispositivos de colheita de energia de fluxo, o quadro é configurado para deformar e alongar a pilha de elementos piezelétricos para gerar uma corrente baseada no efeito piezelétrico quando um fluido flui através da região anular e da pluralidade de canais de fluxo em forma de ranhura e gera forças desequilibradas no cantilever devido à vibração aeroelástica.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente compreende transmitir a corrente para um dispositivo eletrônico no poço.

19. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o posicionamento do sistema de colheita de energia de fluxo na região anular compreende dispor circunferencialmente a pluralidade de bicos-difusores e a pluralidade de dispositivos de colheita de energia de fluxo na região anular e orientar os canais de fluxo em forma de ranhura paralelamente a um eixo longitudinal do poço.

20. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos dois dispositivos de colheita de energia de fluxo da pluralidade de dispositivos de colheita de energia de fluxo são dispostos em paralelo ou em série.