BR112019027978A2 - gerador para converter o movimento de onda em um corpo de água em energia útil - Google Patents

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Abstract

Um gerador para capturar e converter energia de ondas em uma forma mais útil é provido. O gerador compreende: pelo menos um flutuador de captura de energia (2) que é móvel em resposta ao movimento da onda; um membro de reação (1) a ser posicionado abaixo do flutuador de captura de energia; linhas de conexão (5a, 5b, 5c, 5d) para conectar o pelo menos um flutuador de captura de energia ao membro de reação e definir um espaçamento (D2) entre o flutuador de captura de energia e o membro de reação; conversores de energia (6a, 6b, 6c, 6d) para converter o movimento relativo entre o membro de reação e pelo menos um respectivo flutuador de captura de energia em energia útil. O gerador inclui meios de ajuste de profundidade, tais como linhas de amarração ajustáveis (3a, 3b, 3c, 3d) que prendem o membro de reação ao leito marinho SB para ajustar a profundidade (D1) do membro de reação no mar. Tanto o flutuador quanto o membro de reação possuem uma flutuabilidade positiva, permitindo que a tensão adequada seja aplicada às linhas de amarração. A tensão melhorada trazida pela flutuabilidade positiva líquida tem o efeito surpreendente de estabilidade melhorada em condições de mar energéticas.

Description

1 / 10
GERADOR PARA CONVERTER O MOVIMENTO DE ONDA EM UM
CORPO DE ÁGUA EM ENERGIA ÚTIL Campo de Invenção
[001] A presente invenção refere-se a geradores que podem ser usados para extrair energia das ondas em um corpo de água, convertendo a energia das ondas em energia mais facilmente utilizável. Fundamentos da Invenção
[002] Nos últimos anos, houve uma ênfase crescente na necessidade de explorar as energias renováveis, para que elas contribuam significativamente para a produção global de energia. Uma combinação de metas governamentais, representação da mídia dos problemas associados a fontes de energia não renováveis e custos cada vez maiores de energia criaram uma força motriz poderosa para o desenvolvimento de sistemas de energia renovável.
[003] Os impactos negativos dos combustíveis fósseis em nosso meio ambiente são bem conhecidos, assim como os problemas e os altos custos associados à energia nuclear. O aproveitamento da enorme abundância natural de energia renovável, por outro lado, é limitado apenas pela nossa capacidade de capturá-la e fornecê-la a um preço economicamente viável.
[004] Uma fonte potencial de energia renovável é a energia das ondas – um recurso energético abundante e consistente disponível em todos os grandes oceanos e mares do mundo. Vários dispositivos de onda para gerar energia a partir da energia das ondas foram propostos, mas esses dispositivos têm muitas limitações, pois nenhum dispositivo possui a capacidade comprovada de explorar de maneira confiável o recurso disponível de energia das ondas a longo prazo.
[005] Divulgamos, nos documentos WO2010007418, WO2011158006 e WO2013068748, geradores aprimorados sucessivamente para converter o movimento de onda em energia útil. Os geradores descritos
2 / 10 usam um corpo de reação submersível para resolver muitas das dificuldades associadas aos conversores de energia das ondas existentes.
[006] No entanto, os conversores de energia das ondas descritos nos documentos WO2010007418, WO2011158006 e WO2013068748 ainda têm potencial para melhorias adicionais. Sumario da invenção
[007] De acordo com a invenção, é fornecido um gerador conforme descrito nas reivindicações anexas.
[008] O gerador da presente invenção é para converter o movimento de onda em um corpo de água em energia útil, o gerador compreendendo: pelo menos um flutuador de captura de energia que é móvel em resposta ao dito movimento de onda; um membro de reação a ser posicionado abaixo do flutuador de captura de energia; meios de conexão para conectar o dito pelo menos um flutuador de captura de energia ao dito membro de reação; meios de conversão de energia para converter o movimento relativo entre o dito membro de reação e o dito pelo menos um respectivo flutuador de captura de energia para a energia útil; em que o gerador inclui meios de definição de profundidade adaptáveis para definir, em uma faixa predeterminada, a profundidade do membro de reação no corpo de água e a altura do membro de reação de um leito do corpo de água; distinguido pelo fato de que o flutuador e o membro de reação têm uma flutuabilidade positiva.
[009] Com referência à técnica anterior, o aparelho descrito e ilustrado no documento WO2010007418 possui um flutuador de captura de energia que permanece na superfície do mar continuamente, o tempo todo. Isso significa que em condições marítimas altamente energéticas, como tempestades, o flutuador estará sujeito a altas cargas. Essas altas cargas devem ser gerenciadas pela estrutura e pelo sistema de tomada de força, resultando em complicação de engenharia onerosa do aparelho.
[0010] O aparelho descrito e ilustrado nos documentos
3 / 10 WO2011158006 e WO2013068748 fornece melhorias sobre isso, no entanto, a estabilidade do membro de reação submerso é limitada pela massa e, portanto, tamanho do membro de reação e, portanto, é significativamente variável na faixa de conformações descritas nos documentos WO2011158006 e WO2013068748.
[0011] Agora, desenvolvemos um gerador para converter o movimento de onda em um corpo de água em energia útil, o gerador tendo flutuabilidade positiva tanto no membro de reação quanto no flutuador de captação de energia para aumentar a estabilidade do membro de reação em resposta às forças exercidas sobre ele, tanto diretamente pelas ondas quanto indiretamente através das forças transferidas a ele pelo flutuador de captura de energia.
[0012] Nosso trabalho de simulação mostrou que, aumentando a flutuabilidade do membro de reação, é possível transferir mais forças de reação para o fundo do mar e, portanto, aumentar a estabilidade do membro de reação, particularmente em estados energéticos do mar. Uma outra vantagem de aumentar a utilização do fundo do mar para fins de reação é que o tamanho e a massa do membro de reação podem ser reduzidos ao mesmo tempo em que a estabilidade é melhorada.
[0013] O gerador conhecido descrito no documento WO2013068748 acima mencionado compreende: pelo menos um flutuador de captura de energia que é móvel em resposta ao dito movimento de onda; um membro de reação a ser posicionado abaixo do flutuador de captura de energia; meios de conexão para conectar o dito pelo menos um flutuador de captura de energia ao dito membro de reação e definir uma distância entre o dito flutuador de captura de energia e o dito membro de reação; meios de conversão de energia para converter o movimento relativo entre o dito membro de reação e o dito pelo menos um respectivo flutuador de captura de energia para a energia útil; em que o gerador inclui meios de definição de profundidade adaptáveis para
4 / 10 definir, em uma faixa predeterminada, a profundidade do membro de reação no corpo de água e a altura do membro de reação de um leito do corpo de água e em que os meios de conexão são de comprimento ajustável para ajustar independentemente a distância entre o flutuador de captura de energia e o membro de reação.
[0014] Qualquer referência aqui contida à técnica anterior conhecida, a menos que a indicação contrária apareça, não constitui uma admissão de que essa técnica anterior é comumente conhecida por aqueles versados na técnica à qual a invenção se refere, na data de prioridade deste pedido.
[0015] Preferencialmente, o meio de conexão define uma distância entre o dito flutuador de captura de energia e o dito membro de reação. Mais preferencialmente, os meios de conexão são de comprimento ajustável para ajustar independentemente a distância entre o flutuador de captura de energia e o membro de reação.
[0016] O gerador inclui preferencialmente meios de definição adaptáveis para definir, em uma faixa predeterminada, a profundidade do membro de reação no corpo de água. Os meios de definição são ainda arranjados para definir a altura do membro de reação a partir do leito do corpo de água.
[0017] “Definir a profundidade” significa o controle de uma maneira pela qual a profundidade precisa pode ser escolhida e fixada de uma maneira modificável. Em outras palavras, se se desejar alterar a profundidade definida, os meios de definição podem ser adaptados, modificados e controlados de modo que uma profundidade precisa adicional possa ser escolhida e fixada.
[0018] Em uma primeira modalidade da invenção, os meios de definição de profundidade compreendem pelo menos uma linha de ancoragem flexível de comprimento ajustável para fixar de forma ajustável o membro de reação a um leito do corpo de água. Nesta modalidade, o gerador tem uma flutuabilidade líquida positiva que é resistida pela tensão da(s) linha(s) de
5 / 10 ancoragem flexível(eis).
[0019] O ângulo no qual as linhas de ancoragem são posicionadas em relação ao leito do corpo de água pode ser alterado para otimizar a estabilidade do corpo de reação. Uma configuração angular desejável das linhas de ancoragem é vertical na coluna de água, isto é, diretamente do corpo de reação para o leito do corpo de água.
[0020] Na modalidade mencionada acima, o meio de definição da profundidade é preferivelmente acoplado ao membro de reação por um ou mais guinchos.
[0021] Preferivelmente, os conectores no gerador de acordo com a invenção incluem pelo menos uma linha flexível, que é de comprimento ajustável, sendo o ajuste de comprimento tipicamente alcançado enrolando a linha, ou cada linha, em torno de um respectivo tambor. Assim, a distância entre o membro de reação e o flutuador de captura de energia pode ser ajustada enrolando as linhas de conexão nos respectivos tambores.
[0022] Em modalidades preferidas da invenção, os conectores são de comprimento ajustável, de modo a permitir o ajuste independente da distância (ou espaçamento na direção vertical) entre o flutuador de captura de energia e o membro de reação e, portanto, a profundidade do flutuador de captura de energia no corpo de água.
[0023] Além disso, é preferível que o membro de reação tenha flutuabilidade ajustável e uma pluralidade de modos de flutuação, incluindo pelo menos um modo de operação submerso no qual o membro de reação e o flutuador de flutuação sejam submersos usando os meios de definição de profundidade e um modo de flutuação máxima no qual o membro de reação flutua na superfície do corpo de água. Em qualquer um desses modos de flutuação, o membro de reação deve ter inércia e arraste para resistir ao movimento potencial do flutuador de captura de energia causado pelo movimento de onda.
6 / 10
[0024] A largura do membro de reação e/ou pode ser selecionada para fornecer estabilidade máxima e pode se relacionar proporcionalmente ao diâmetro, largura e/ou comprimento do flutuador. Em modalidades preferidas, o comprimento e/ou largura do membro de reação é selecionado a partir da faixa de 30 a 50 metros, onde um diâmetro, largura e/ou comprimento de flutuador é selecionado entre 10 metros e 20 metros. Mais preferencialmente, a largura e/ou comprimento do membro de reação é de 40 metros e o diâmetro, largura e/ou comprimento do flutuador é de 15 metros. Nesta proporção aproximada, é fornecida ótima estabilidade para o membro de reação dentro da água. A flutuabilidade positiva do membro de reação e do flutuador fornece tensão adequada nas linhas de ancoragem dos meios de definição de profundidade, que por sua vez também conferem um nível ótimo de estabilidade ao gerador dentro da água.
[0025] A separação entre o flutuador e o membro de reação também é crítica para a estabilidade do gerador, particularmente em condições marítimas altamente energéticas, nas quais o gerador está sujeito a forças de ondas poderosas. Uma distância ótima de separação entre o membro de reação e o flutuador é preferencialmente selecionada entre 20 e 40 metros. As modalidades mais preferíveis compreendem uma separação de 30 metros entre o flutuador e o membro de reação.
[0026] As modalidades preferidas da invenção serão agora descritas mais detalhadamente, com referência aos desenhos anexos, nos quais partes iguais são indicadas por números de referência semelhantes em totalidade. Para evitar prejudicar a clareza dos desenhos, nem todas as partes são rotuladas em todos os desenhos. Descrição detalhada
[0027] Modalidades específicas serão agora descritas apenas a título de exemplo e com referência aos desenhos anexos, nos quais: a FIG. 1 é uma vista em perspectiva de uma modalidade
7 / 10 preferida do gerador de ondas de acordo com a invenção quando na superfície de um corpo de água (geralmente o mar); a FIG. 2 é uma vista em perspectiva do gerador de ondas da FIG. 1 quando submerso sob a superfície desse corpo de água; e a FIG. 3 é uma vista ortogonal mostrando o conversor de energia da FIG. 2 ancorado ao leito do corpo de água.
[0028] Referindo-se primeiro à FIG. 1 e à FIG. 2, é mostrado um gerador de onda exemplar de acordo com a invenção que compreende um membro de reação submarino submersível 1; um flutuador de captura de energia 2 que se move em resposta às ondas; uma série de conversores de energia 6a, 6b, 6c, 6d montados no membro de reação 1; e respectivas linhas de conexão 5a, 5b, 5c, 5d de comprimento ajustável que conectam o flutuador de captura de energia 2 ao respectivo conversor de energia 6a, 6b, 6c, 6d.
[0029] Na FIG. 1, cada uma das linhas de conexão 5a, 5b, 5c, 5d é enrolada em torno de um tambor no respectivo conversor de energia 6a, 6b, 6c, 6d na extensão total ou máxima, de modo que o espaçamento entre o flutuador 2 de captura de energia e o membro de reação 1 é mínimo. Neste caso, o membro de reação 1 e o flutuador de captura de energia 2 estão flutuando juntos na superfície S de um corpo de água.
[0030] Inversamente, no arranjo mostrado na FIG. 2, cada uma das linhas de conexão 5a, 5b, 5c, 5d é liberada (enrolada em torno do respectivo tambor) de modo que o espaçamento entre o flutuador de captura de energia 2 e o membro de reação 1 é máximo. Neste caso, o flutuador 2 de captura de energia é mostrado logo abaixo da superfície S do corpo de água.
[0031] A FIG. 2 e a FIG. 3 mostram o gerador de energia de ondas com as linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c, 3d que amarram o gerador ao fundo do mar SB, mantendo assim o gerador na estação.
[0032] As linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c, 3d podem ser conectadas ao corpo de reação 1 através dos meios de ajuste de comprimento
8 / 10 correspondentes 4a, 4b, 4c, 4d para permitir que a profundidade de submersão do membro de reação 1 seja variada.
[0033] Deve-se notar que, na primeira modalidade da invenção, as linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c, 3d permanecem tensionadas o tempo todo, de modo que o gerador não possa se mover livremente para cima e para baixo na coluna de água. A flutuabilidade positiva do membro de reação 1 e do flutuador 2, B2 e B1, respectivamente, permite que o membro de reação 1 aplique, nas linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c e 3d, uma tensão Ta, Tb, Tc, Td, proporcionando estabilidade ao membro de reação 1 e ao flutuador 2 em condições marítimas altamente energéticas.
[0034] Na modalidade mostrada, o flutuador tem um raio R de 7,5 metros (diâmetro de 15 metros) e o membro de reação tem um comprimento e largura L de 40 metros. A separação do flutuador 1 e do membro de reação 2 é uma distância D2 de 30 metros. Nesta configuração, o gerador está preparado para um desempenho ideal em um ambiente de mar aberto.
[0035] O membro de reação 1 é geralmente de construção oca e é adaptado para ser seletivamente preenchido com ar ou água para ajustar sua flutuabilidade. O gerador alimentado por ondas de acordo com a invenção possui uma flutuabilidade líquida positiva compreendendo a flutuabilidade do membro de reação 1, B2 e a flutuabilidade do flutuador 2, B1 de captura de energia. O gerador tem uma flutuabilidade positiva permanente, mas pode compreender uma configuração de superfície, como mostrado na FIG. 1 e uma configuração submersa, como mostrado na FIG. 2 e na FIG. 3. A configuração submersa é o resultado das linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c, 3d usadas como meio de definição de profundidade.
[0036] Quando na configuração de superfície (FIG. 1), o membro de reação 1 flutua na superfície S do corpo de água (como o mar) com flutuabilidade suficiente para transportar todos os outros componentes do aparelho. Nesta condição, o gerador de acordo com a invenção pode ser
9 / 10 facilmente desconectado das linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c, 3d e transportado através da superfície S do corpo de água. O gerador alimentado por ondas pode ficar suficientemente alto na água para que todas as conexões com as linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c, 3d e umbilical de potência 7 possam ficar limpas da água e facilmente acessíveis. O gerador alimentado por ondas também pode criar sua própria plataforma de serviço estável, com todos os componentes que podem ser reparados limpos da água, para facilitar o acesso à manutenção.
[0037] Com referência à FIG. 2, quando o gerador de ondas está na configuração operacional submersa, o membro de reação flutuante 1 é mantido suspenso pela combinação do flutuador 2 de captura de energia e das linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c, 3d. A flutuabilidade líquida do gerador é definida pela soma dos valores de flutuabilidade do membro de reação 1 e do flutuador de captura de energia 2 (B1 + B2).
[0038] O membro de reação 1 possui uma grande massa que resiste aos movimentos causados pelas forças aplicadas pelo flutuador 2 através das linhas de conexão 5a, 5b, 5c, 5d e pelas forças aplicadas a ele diretamente pelas ondas. O membro de reação 1 também possui uma grande área de superfície perpendicular à direção da força de elevação, o que fornece resistência adicional ao movimento por meio de um grande arrasto e massa adicionada.
[0039] O membro de reação 1 pode ser mantido suspenso entre o flutuador de captura de energia 2 e o fundo do mar SB usando as linhas de ancoragem 3a, 3b, 3c, 3d a uma profundidade D1 suficiente para garantir que o membro de reação 1 esteja geralmente abaixo da influência de ondas na superfície do mar. Portanto, o movimento do flutuador de captura de energia 2 causado pelas ondas resulta em um movimento relativo entre o flutuador de captura de energia 2 e o membro de reação 1. Esse movimento é retomado pelos respectivos golpes de trabalho dos conversores de energia 6a, 6b, 6c, 6d
10 / 10 e, assim, explorados para produzir energia.
[0040] Na modalidade ilustrada, é mostrado um único flutuador 2, mas deve ser entendido que mais de um flutuador pode ser fornecido, se apropriado, cada um com sua própria série de conversores de energia montados no membro de reação 1, juntamente com as respectivas linhas de conexão.
[0041] Nas modalidades descritas, o raio do flutuador é mostrado como 7,5 metros (diâmetro 15 metros) e o comprimento e a largura do membro de reação são mostrados como 40 metros. Modalidades alternativas podem compreender um flutuador que pode ter qualquer forma com um diâmetro, ou largura e/ou comprimento, entre 10 metros e 20 metros. Modalidades alternativas também podem compreender um membro de reação de qualquer forma, com comprimento e/ou largura, ou diâmetro (onde esférico), entre 20 metros e 40 metros.

Claims (12)

REIVINDICAÇÕES
1. Gerador para converter o movimento de onda em um corpo de água em energia útil, o gerador compreendendo: pelo menos um flutuador de captura de energia o qual é móvel em resposta ao dito movimento de onda; um membro de reação a ser posicionado abaixo do flutuador de captura de energia; meios de conexão para conectar o dito pelo menos um flutuador de captura de energia ao dito membro de reação ; meios de conversão de energia para converter o movimento relativo entre o dito membro de reação e o dito pelo menos um respectivo flutuador de captura de energia em energia útil; em que o gerador inclui meios de ajuste de profundidade adaptável para ajustar, sobre uma faixa predeterminada, a profundidade do membro de reação no corpo de água e a altura do membro de reação a partir de um leito do corpo de água, caracterizado pelo fato de que tanto o flutuador quanto o membro de reação têm uma flutuabilidade positiva.
2. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de conexão define uma distância entre o dito flutuador de captura de energia e o dito membro de reação.
3. Gerador de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os meios de conexão são de comprimento ajustável para ajustar independentemente a distância entre o flutuador de captura de energia e o membro de reação.
4. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a flutuabilidade positiva do flutuador e do membro de reação causa uma tensão adequada no meio de ajuste de profundidade para prover estabilidade ao membro de reação quando submerso.
5. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os meios de conexão compreendem pelo menos uma linha flexível de comprimento ajustável na qual o ajuste de comprimento é alcançado através do enrolamento da linha ou de cada linha flexível em torno de um respectivo tambor.
6. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que os meios de conexão são montados ajustavelmente no membro de reação, de modo que a geometria dos meios de conexão possa ser alterada.
7. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os meios de ajuste de profundidade compreendem pelo menos uma linha de amarração flexível de comprimento ajustável para posicionar ajustavelmente o membro de reação acima do leito do corpo de água.
8. Gerador de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o gerador tem uma flutuabilidade positiva líquida que é resistida pela tensão da pelo menos uma linha de amarração flexível.
9. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o meio de ajuste de profundidade é acoplado ao membro de reação por um guincho.
10. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre: a. o comprimento do membro de reação; b. a largura do membro de reação; c. o diâmetro do membro de reação; é selecionado a partir da faixa de 20 a 60 metros.
11. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre: a. o diâmetro do flutuador; b. o comprimento do flutuador; c. a largura do flutuador; é selecionado a partir da faixa de 10 a 20 metros.
12. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a separação entre o flutuador e o membro de reação é selecionada a partir da faixa de 0 a 50 metros.
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