BR112021007337A2

BR112021007337A2 - geração de energia elétrica debaixo d'água

Info

Publication number: BR112021007337A2
Application number: BR112021007337-0A
Authority: BR
Inventors: Ernst Kristen Helgøy Kloster; Rasmus Asp Juhlin
Original assignee: Subsea 7 Norway As
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-07-20
Also published as: WO2020084152A3; GB2578451A; GB2578473B; WO2020084150A3; GB201817653D0; EP3870830A2; BR112021007361A2; EP3870831A2; US11725620B2; GB201817492D0; US20210404433A1; US20210404434A1; WO2020084152A2; WO2020084150A2; AU2019365492A1; GB2578473A; AU2019366771A1

Abstract

A presente invenção refere-se a uma unidade de turbogerador debaixo d'água para produzir energia elétrica, que compreende um invólucro resistente à pressão que define uma câmara interna selada. Pelo menos uma entrada de água se estende através do invólucro para efetuar a comunicação de fluido entre a câmara e um corpo de água que circunda o invólucro. Uma turbina é sustentada dentro da câmara para girar em um eixo de rotação em resposta à admissão de um fluxo de água na câmara através de uma ou de cada entrada de água. O invólucro pode ser disposto para manter um espaço cheio de gás dentro da câmara, facilitando o uso de uma turbina Pelton que gira em torno de um eixo de rotação vertical. A ou cada entrada de água se comunica com pelo menos uma estrutura de comporta tubular que pode ser sustentada pela unidade do lado de fora do invólucro. A câmara se comunica com um volume de armazenamento de fluido, e drena água nele, tal como uma tubulação posicionada em um nível abaixo da câmara.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DEBAIXO D'ÁGUA".

[0001] A presente invenção refere-se à produção de energia elétrica debaixo d'água sob demanda, em particular, de um sistema de armazenamento de energia em uma localização submarina, tal como o fundo do mar.

[0002] Quando da operação de redes elétricas, é bem conhecido um desafio de combinar o fornecimento de eletricidade com a demanda rapidamente flutuante. Por outro lado, o uso de fontes de energia intermitentes, tais como a solar, a eólica e outras renováveis, resulta em flutuações de curto prazo na capacidade de geração.

[0003] Mesmo uma incompatibilidade transitória entre o fornecimento e a demanda de eletricidade pode causar uma variação inaceitável na frequência de fornecimento em toda a rede. Consequentemente, é rotina empregar uma mistura de ativos geradores com diferentes atributos. Esses ativos tipicamente compreendem fontes de carga base em operação continua, tais como centrais elétricas alimentadas por gás, carvão ou energia nuclear, e fontes de curto prazo de reação mais rápida, tais como geradores movidos a turbinas a gás ou motores a diesel.

[0004] Além disso, é comum que as redes de energia elétrica utilizem medidas de balanceamento de carga que envolvem o armazenamento temporário de energia. A energia pode ser armazenada de várias maneiras, por exemplo, como energia eletroquímica em baterias ou como energia potencial em reservatórios de água, tais como são usadas em esquemas de hidroeletricidade de armazenamento bombeado. Outras soluções de armazenamento de energia menos maduras incluem o uso de volantes ou de ar comprimido. Em cada caso, a energia armazenada pode ser liberada quase instantaneamente para fornecer ou gerar eletricidade sob demanda.

[0005] Aperfeiçoadamente, o excesso de eletricidade de períodos de baixa demanda pode ser convertido em energia eletroquímica ou potencial a ser economizada em períodos de maior demanda. Normalmente, isso encerra o uso do excesso de eletricidade para carregar baterias ou bombear fluidos para cabeças ou pressões mais altas. O fato de tal arranjo ter que ser um consumidor líquido de energia elétrica é superado por benefícios para todo o sistema de rede, incluindo o uso mais eficiente de fontes de carga base e minimizando a supercapacidade de ativos geradores de custo muito alto.

[0006] A energia, é armazenada e descarregada ciclicamente, mais tipicamente em um ciclo diário que reflete diferentes níveis de demanda de eletricidade durante os períodos diurno e noturno. No entanto, para manter o controle da rede elétrica, as ações de armazenamento e de descarga podem ser planejadas e executadas em escalas de tempo que variam de dias a segundos.

[0007] Há uma necessidade crescente de que as redes de energia elétrica sejam complementadas por sistemas de armazenamento de energia de reação rápida e de curto prazo. Essa necessidade é impulsionada por desafios tanto do lado da oferta quanto do lado da demanda. O principal desafio do lado da oferta é a crescente dependência de fontes de energia renováveis, o que pode apenas prover um abastecimento descontínuo ou intermitente. Um grande desafio do lado da demanda é como recarregar o número rapidamente crescente de veículos movidos a eletricidade.

[0008] Como resultado, há uma necessidade de encontrar maneiras adicionais de armazenar quantidades muito grandes de energia que possam ser acessadas com rapidez suficiente para gerar eletricidade sob demanda. No entanto, a provisão de instalações de bateria suficientemente grandes e esquemas de armazenamento bombeado seria extremamente complexa e de alto custo e aumentaria significativamente as preocupações ambientais e de planejamento. Além disso, as instalações de bateria estão sujeitas à degradação com ciclos repetidos de carga/descarga ao longo de um período de tempo.

[0009] Várias soluções submarinas de armazenamento de energia foram propostas. Os exemplos são apresentados nos documentos WO 2009/123465, US 4321475, EP 2683933, DE 102012011492, WO 2013/1 17329, WO 2009/11 1861, US 2015/361948, WO 2012/167783 e no Pedido de Patente Internacional do Requerente Nº. PCT/EP2018/073360.

[0010] O documento US 7969029 apresenta um gerador hidrelétrico que é acionado por ar pressurizado. Uma estrutura tubular que abriga uma turbina é ancorada ao fundo do mar. A extremidade inferior da estrutura compreende um sistema de injeção de ar que libera ar pressurizado para a estrutura. A mistura resultante de ar e água que sobe dentro da estrutura faz girar a turbina.

[0011] De modo mais geral, várias propostas foram feitas para usinas de energia submarinas em que são utilizadas turbinas que giram em um fluxo de água, exemplos sendo as montagens de turbina descritas nos documentos WO 2017/141027 e EP 2683933. No entanto, essas e outras descrições da técnica anterior não estão totalmente habilitadas; elas meramente ilustram a montagem da turbina em um nível esquemático ou simbólico e não consideram os aspectos práticos de como fazer essas máquinas funcionarem de forma eficiente em um ambiente submarino.

[0012] O documento US 2009/0302613 descreve uma unidade de geração de energia subaquática compreendendo turbinas que são acionadas com o uso de um fluxo de água. O documento US 2012/0200089 descreve uma unidade subaquática para uma usina hidrelétrica. Exemplos adicionais de sistemas de turbogeradores hidrelétricos são descritos nos documentos US 2015/198057, CN 107489586, US 201 1/215650 e FR 3002597.

[0013] A presente invenção propõe arranjos práticos de turbogeradores para uso em sistemas submarinos de armazenamento de energia, tais como os sistemas descritos no documento PCT/EP2018/073360. Esses sistemas compreendem um recipiente resistente à pressão que define um volume de armazenamento de fluido, exemplificado por uma tubulação, e uma bomba para evacuar a água do mar do volume de armazenamento. Consequentemente, o fluido remanescente dentro do volume de armazenamento encontra-se em uma pressão inferior à pressão ambiente definida pela pressão hidrostática da água do mar circundante. O fluxo interno de água do mar em resposta a esse diferencial de pressão gira uma turbina que aciona um gerador para produzir energia elétrica.

[0014] As turbinas Pelton são bem conhecidas no campo da energia hidrelétrica. Elas são caracterizadas por uma matriz circunferencial de palhetas abauladas que têm o formato de copos ou cubas rasas. A água que flui ao longo de uma comporta de um reservatório a montante chega à turbina com alta velocidade. A água de alta velocidade é distribuída entre uma matriz circunferencial de bicos de injeção orientados tangencialmente que direcionam os respectivos jatos de água pressurizada nas cubas da turbina. As cubas invertem o fluxo dos jatos para maximizar a mudança de momento e, portanto, a força de reação aplicada à turbina.

[0015] A turbina é conectada por um eixo a um alternador ou gerador coaxial para formar uma montagem de turbogerador. Como o gerador é pesado e volumoso, as instalações hidrelétricas pequenas ou independentes são normalmente orientadas de modo que a turbina e o gerador giram em torno de um eixo horizontal. Um eixo vertical geralmente só é adotado em instalações hidrelétricas muito grandes, tais como barragens, onde estruturas maciças de concreto armado podem ser construídas para sustentar o gerador no topo da turbina ou vice-versa.

[0016] O leitor experiente apreciará que as soluções hidrelétricas que funcionam em terra ou perto da superfície não irão funcionar necessariamente nas profundezas da água. Por exemplo, as partes afetadas pela corrosão da água do mar ou pelo crescimento de organismos marinhos não podem ser mantidas facilmente em instalações no fundo do mar. Além disso, é impraticável construir estruturas de suporte maciças nas profundezas da água.

[0017] Um sistema de armazenamento submarino de energia deve definir um volume de armazenamento suficientemente grande para a capacidade de energia necessária e deve sustentar a pressão hidrostática de águas profundas. No entanto, o sistema também deve ser prático de ser construído e instalado no fundo do mar, e deve continuar a funcionar de forma eficiente e confiável quando instalado. Há necessidade de arranjos de turbogeradores submarinos que sejam compatíveis com esses objetivos.

[0018] Nesse contexto, a invenção atual reside em uma montagem de turbogerador para produzir energia elétrica debaixo d'água. Em uma expressão do conceito da invenção, a montagem compreende: um invólucro resistente à pressão que define uma câmara interna selada e que é disposto para manter um espaço cheio de gás dentro da câmara; pelo menos uma entrada de água que se estende através do invólucro para efetuar a comunicação do fluido entre a câmara e um corpo de água que circunda o invólucro; e uma turbina Pelton sustentada dentro da câmara para girar no espaço cheio de gás em um eixo de rotação em resposta à admissão de um fluxo de água na câmara por meio da ou de cada entrada de água.

[0019] Pelo menos uma entrada de água se comunica preferivelmente com pelo menos uma estrutura de comporta tubular. Assim, o conceito da invenção também pode ser expresso em termos de uma montagem de turbogerador para produzir energia elétrica debaixo d'água que compreende: um invólucro resistente à pressão que define uma câmara interna selada; pelo menos uma entrada de água que se estende através do invólucro para efetuar a comunicação de fluido entre a câmara e um corpo de água que circunda o invólucro; uma turbina sustentada dentro da câmara para ser girada em um eixo de rotação em resposta à admissão de um fluxo de água na câmara através da ou de cada entrada de água; e pelo menos uma estrutura de comporta tubular que está em comunicação de fluido com a câmara através da ou de cada entrada de água. Nesse caso, a turbina poderia ser reversível para expelir água da câmara para o corpo de água que circunda o invólucro.

[0020] A ou cada estrutura de comporta se estende preferivelmente para fora do invólucro para ficar exposta externamente à água circundante, onde ela é convenientemente sustentada pelo invólucro ou por outra parte da montagem. A ou cada estrutura de comporta se estende adequadamente para cima a partir da ou de cada entrada de água em um eixo vertical, de preferência substancialmente vertical. A ou cada estrutura de comporta pode compreender uma porção de acelerador afunilada disposta entre uma porção de entrada e a ou cada entrada de água.

[0021] A câmara da montagem pode ainda conter um duto que se comunica com a ou cada entrada de água e com uma matriz circunferencial de bicos que circunda a turbina.

[0022] O invólucro pode compreender uma parte abobadada em torno da turbina. Um gerador pode ser sustentado pelo invólucro. Um transformador pode ser também sustentado pelo invólucro ou por outra parte da montagem. O eixo de rotação, que é preferivelmente vertical, e mais preferivelmente substancialmente vertical, intercepta adequadamente o transformador.

[0023] A montagem pode compreender ainda um receptáculo de drenagem que se comunica com a câmara para receber a água que cai da turbina. O receptáculo de drenagem apresenta adequadamente uma saída para comunicação de fluido com um volume de armazenamento de fluido. O invólucro pode ser montado de forma separável e selável no receptáculo de drenagem. Convenientemente, o receptáculo de drenagem pode ser preso a um módulo acessório de uma tubulação ou um módulo de cabeça de reboque de um feixe de tubulação ou integrado com os mesmos, onde uma tubulação ou um feixe serve como um volume de armazenamento de fluido que se comunica com a montagem.

[0024] O conceito da invenção se estende a uma usina para produzir energia elétrica debaixo d'água, a usina compreendendo pelo menos uma montagem de turbogerador da invenção, cuja câmara interna está em comunicação de fluido com um volume de armazenamento de fluido que é capaz de reter fluido a uma pressão substancialmente abaixo da pressão hidrostática que prevalece em torno da ou de cada montagem de turbogerador. Preferivelmente, a câmara interna da ou de cada montagem de turbogerador é posicionada acima do volume de armazenamento de fluido e o invólucro da ou de cada montagem de turbogerador é exposto externamente à água do mar circundante.

[0025] A usina pode ainda compreender pelo menos uma bomba que está em comunicação de fluido com o volume de armazenamento de fluido e que é disposta para expelir água do volume de armazenamento de fluido.

[0026] Quando o volume de armazenamento de fluido compreender uma tubulação ou um feixe de tubulação, a ou cada montagem de turbogerador será adequadamente sustentada por um módulo acessório de tubulação ou por um módulo de cabeça de reboque de feixe.

[0027] O conceito da invenção também abrange um método de instalação de uma estação de energia subaquática. O método de instalação compreende: instalar um volume de armazenamento de fluido em uma localização submarina; subsequentemente, abaixar uma montagem de turbogerador para uma posição acima do volume de armazenamento de fluido instalado; e, com a montagem de turbogerador na referida posição, selar a montagem de turbogerador ao volume de armazenamento de fluido para comunicação de fluido com o volume de armazenamento de fluido. Por exemplo, a montagem de turbogerador pode ser colocada no topo do volume de armazenamento de fluido instalado.

[0028] O volume de armazenamento de fluido pode ser instalado instalando uma tubulação ou feixe de tubulação suspenso a partir de um navio de instalação. Subsequentemente, a montagem de turbogerador pode ser presa a um módulo acessório da tubulação ou a um módulo de cabeça de reboque do feixe.

[0029] O conceito da invenção também encontra expressão em métodos de geração de energia elétrica debaixo d'água. Um desses métodos compreende: atrair um fluxo de água sob pressão hidrostática para uma câmara selada em uma pressão inferior à hidrostática; formar um ou mais jatos do fluxo de entrada de água; e colidir o ou cada jato de água contra uma turbina Pelton que gira em um gás na câmara. Preferivelmente, o fluxo de água que entra é acelerado ao longo de uma comporta.

[0030] Preferivelmente, a turbina é girada na câmara em torno de um eixo vertical enquanto o gás está confinado na câmara, por exemplo,

em uma porção superior da câmara em torno da turbina. Pode-se permitir que o gás suba na câmara a partir de um volume de armazenamento de fluido subaquático que está em comunicação de fluido com a câmara e que está disposto em um nível abaixo da câmara.

[0031] Outro método de geração de energia elétrica debaixo d'água de acordo com a invenção compreende: atrair um fluxo de água sob pressão hidrostática para uma câmara selada em uma pressão inferior à hidrostática; acelerar o fluxo de entrada de água ao longo de uma comporta; e colidir o fluxo acelerado de água contra uma turbina em rotação na câmara. A água que entra pode ser acelerada ao longo da comporta fora da câmara.

[0032] A água pode ser drenada da turbina para um volume de armazenamento de fluido subaquático que está em comunicação de fluido com a câmara e que está disposto em um nível abaixo da câmara.

[0033] As concretizações da invenção proveem uma estrutura de turbina para produzir energia elétrica submarina. A estrutura compreende: um corpo resistente à pressão; uma câmara selada dentro do corpo contendo um gás, tal como o ar; pelo menos uma entrada de água em comunicação de fluido com a água do mar; e uma turbina Pelton dentro da câmara. A turbina tem preferivelmente um eixo de rotação vertical para reduzir a fadiga e a vibração devido à assimetria e para facilitar a instalação e a manutenção. A câmara selada pode estar em comunicação de fluido com um volume de armazenamento para gás ou outro fluido.

[0034] A estrutura da turbina pode compreender duas ou mais entradas de água do mar. A ou cada entrada pode compreender um tubo vertical ou ereto. O tubo pode ter pelo menos um furo e/ou pelo menos um dispositivo de filtragem. As entradas podem ser conectadas de maneira fluida a pelo menos um coletor de injeção, tal como um anel em torno da turbina, compreendendo ou comunicando-se com pelo menos um bico de injeção.

[0035] Durante uma fase de produção de energia, a água do mar pode ser admitida no coletor de injeção por uma diferença de pressão entre o interior do corpo e a água do mar circundante. A água residual que cai da turbina após transferir sua energia para a turbina também pode ser drenada ou evacuada para o volume de armazenamento de gás por uma diferença de pressão.

[0036] O corpo pode compreender uma base e uma tampa superior que podem ser unidas para definir um volume selado entre elas. A base pode definir um receptáculo de drenagem para a água que cai da turbina e pode compreender uma saída que leva ao volume de armazenamento de gás. Por outro lado, a tampa superior pode compreender um invólucro e pelo menos uma entrada. A tampa superior também pode encerrar a turbina e sustentar um alternador ou um bloco gerador.

[0037] A tampa superior do corpo pode ser selada à base por uma ou mais das seguintes conexões removíveis: uma conexão roscada; uma fechadura dogleg; um sistema de conector de pinça; e/ou um sistema de conector de caixa de pinos.

[0038] Em suma, a invenção provê uma unidade de turbogerador submarina para produzir energia elétrica. A unidade compreende um invólucro resistente à pressão que define uma câmara interna selada. Pelo menos uma entrada de água se estende através do invólucro para efetuar a comunicação de fluido entre a câmara e um corpo de água que circunda o invólucro. Uma turbina é sustentada dentro da câmara para girar em resposta à admissão de um fluxo de água na câmara através da ou de cada entrada de água.

[0039] O invólucro pode ser disposto para manter um espaço cheio de gás dentro da câmara, facilitando o uso de uma turbina Pelton que pode girar em torno de um eixo de rotação vertical. A ou cada entrada de água pode se comunicar com pelo menos uma estrutura de comporta tubular que pode ser sustentada pela unidade fora do invólucro. A câmara se comunica com um volume de armazenamento de fluido, e drena a água para o mesmo, tal como uma tubulação que pode ser posicionada em um nível abaixo da câmara.

[0040] A fim de que a invenção possa ser mais facilmente compreendida, será feita agora referência, a título de exemplo, aos desenhos anexos, nos quais:

[0041] a Figura 1 é uma vista em perspectiva explodida de uma montagem de turbogerador e um receptáculo de drenagem da invenção;

[0042] a Figura 2 é uma vista em perspectiva em seção longitudinal da montagem de turbogerador mostrado na Figura 1;

[0043] a Figura 3 é uma vista em perspectiva detalhada ampliada em seção longitudinal da montagem de turbogerador e do receptáculo de drenagem mostrado na Figura 1;

[0044] a Figura 4 é uma vista em perspectiva de baixo de turbina Pelton e um arranjo de bicos que é adequado para uso em uma montagem de turbogerador da invenção;

[0045] a Figura 5 é uma vista de extremidade esquemática da montagem de turbogerador e receptáculo de drenagem da Figura 1, montado no topo de um acessório de uma tubulação que pode servir como um volume de armazenamento para uso com a invenção;

[0046] a Figura 6 é uma vista lateral que corresponde à Figura 5 e que mostra o acessório na forma de um módulo em linha;

[0047] a Figura 7 é uma vista lateral que corresponde à Figura 5 e que mostra o acessório na forma de um módulo terminal;

[0048] a Figura 8 é uma vista lateral esquemática de uma usina submarina da invenção que compreende um feixe de tubulação com cabeças de reboque dispostas respectivamente para geração de energia e bombeamento, mostrado aqui sendo rebocado para um local de instalação submarina com o uso do método de reboque de profundidade controlada conhecido na técnica;

[0049] a Figura 9 é uma vista lateral esquemática da central elétrica da Figura 8 agora colocada no fundo do mar e conectada a uma rede elétrica;

[0050] a Figura 10 é uma vista lateral esquemática de outra concretização da invenção, aqui mostrando um navio J-lay no processo de instalar uma usina submarina, colocando uma tubulação que compreende acessórios integrados para geração de energia e bombeamento;

[0051] a Figura 11 é uma vista lateral esquemática de uma montagem de turbogerador da invenção montada no topo de um acessório de tubulação que inclui um receptáculo de drenagem, com um fio de suspensão mostrado acoplado à montagem de turbogerador;

[0052] a Figura 12 corresponde à Figura 11, mas mostra a montagem de turbogerador sendo levantada do receptáculo de drenagem do acessório de tubulação;

[0053] a Figura 13 corresponde à Figura 11, mas mostra uma unidade de gerador e transformador que é levantada do restante da montagem de turbogerador, que permanece presa ao acessório de tubulação;

[0054] a Figura 14 corresponde à Figura 11, mas mostra uma unidade de transformador que é levantada do restante da montagem de turbogerador, que permanece presa ao acessório de tubulação;

[0055] a Figura 15 é uma vista em perspectiva esquemática de uma cabeça de reboque de uma estrutura de feixe de tubulação pré-instalada no fundo do mar, na qual uma montagem de turbogerador está sendo instalada para unir outras montagens de turbogerador já instaladas na cabeça de reboque;

[0056] a Figura 16 é uma vista em perspectiva esquemática da cabeça de reboque da Figura 15 na qual todas as montagens de turbogerador estão agora instaladas;

[0057] a Figura 17 é uma vista em perspectiva esquemática da cabeça de estopa das Figuras 15 e 16 em um estado total ou parcialmente descarregado; e

[0058] a Figura 18 é uma vista em perspectiva esquemática que corresponde à Figura 17, mas mostrando a cabeça de reboque carregada com energia potencial devido a um diferencial de pressão com a água do mar circundante.

[0059] Com referência em primeiro lugar às Figuras de 1 a 4 dos desenhos, uma montagem de turbogerador 10 da invenção compreende um invólucro ou alojamento abaulado oco, rígido, resistente à pressão e autossustentável 12. O alojamento 12 é rotacionalmente simétrico em torno de um eixo central substancialmente vertical 14, sendo, portanto, circular em vista plana.

[0060] O alojamento 12 contém um coletor geralmente toroidal ou duto de anel 16 para água de alta pressão que circunda o eixo central

14. O alojamento 12 também encerra, e o duto 16 também circunda, uma turbina Pelton 18 que é sustentada para girar em torno do eixo central 14. Tal turbina 18 é caracterizada por uma matriz de cubas voltadas para a circunferência 20 que são distribuídas angularmente em torno do eixo central 14.

[0061] Conforme melhor mostrado na Figura 4, o duto de anel 16 sustenta, e está em comunicação de fluido com, uma matriz de bicos 22 que estão voltados para dentro do duto de anel 16 e que são espaçados angularmente um do outro em torno do eixo central 14. Os bicos 22 são deslocados angularmente do alinhamento radial em relação ao eixo central 14, todos na mesma direção circunferencial. Assim, os bicos 22 têm orientação tangencial para direcionar os jatos de água de alta pressão do duto de anel 16 para as cubas 20 da turbina 18 com momento circunferencial ou tangencial substancial.

[0062] O duto de anel 16 também está em comunicação de fluido com uma ou mais estruturas de comporta alongadas 24, através das quais o duto de anel 16 recebe água de alta pressão, em uso, do mar circundante. A ou cada estrutura de comporta 24 é sustentada pela montagem 10, neste exemplo pelo alojamento 12 da montagem 10, mas é de outra forma autossustentada de modo a se projetar do alojamento 12 para o mar circundante.

[0063] Neste exemplo, existem duas estruturas de comporta 24 em oposição mútua e simétrica em torno do eixo central 14. As estruturas de comporta 24 aqui mostradas são, em grande parte, retas e paralelas, eixos substancialmente verticais paralelos ao eixo central 14, o que é preferido para compactação e facilidade de instalação. A orientação vertical também cria um gradiente útil na pressão hidrostática ao longo do comprimento de cada estrutura de comporta 24. No entanto, em princípio, cada estrutura de comporta 24 poderia ter qualquer forma ou orientação adequada.

[0064] Cada estrutura de conduto forçado 24 é tubular e compreende uma porção de entrada ampliada 26 a montante de um venturi troncocônico ou porção de acelerador 28 que afunila em uma direção a jusante, neste caso para baixo. Um tubo injetor 30 a jusante da porção de acelerador 28 se curva para dentro em direção ao eixo central 14 para se estender através da parede do alojamento 12 em comunicação de fluido com o duto de anel 16 dentro do alojamento 12.

[0065] O alojamento 12 é superado por um gerador 32, tal como um alternador, e um transformador 34, e sustenta o peso destes. O gerador 32 fecha o topo aberto do alojamento 12 e é acoplado à turbina 18 por um eixo de transmissão 36 que também gira no eixo central 14. O transformador 34 é convenientemente montado no topo do gerador 32,

conforme mostrado neste exemplo. No entanto, o transformador 34 poderia, em vez disso, ser posicionado em outro lugar e conectado ao gerador 32 por cabos ou outros condutores.

[0066] Como as características internas do gerador 32 e do transformador 34 são convencionais, os detalhes internos deles foram omitidos das vistas em seção das Figuras 2 e 3. Essas vistas em seção são tomadas em um plano que se estende ao longo do eixo central 14.

[0067] O alojamento 12 também apresenta um fundo aberto que coopera com o topo aberto de um receptáculo de drenagem 38 que serve como uma base ou um suporte para a montagem 10, e que o fecha. O receptáculo de drenagem 38 é oco para definir uma câmara de drenagem dentro de uma parede periférica tubular. O fundo do alojamento 12 é selado contra a parede periférica do receptáculo de drenagem 38, por exemplo, ao ser assentado em uma ranhura voltada para cima na parede periférica para comprimir uma gaxeta ou um anel em O colocado na base da ranhura.

[0068] O receptáculo de drenagem 38 está em comunicação de fluido com um volume de armazenamento submerso para reter fluido a uma pressão inferior à pressão ambiente definida pela pressão hidrostática da água do mar circundante. Como será explicado, a pressão dentro do volume de armazenamento é reduzida pelo bombeamento da água do mar, ampliando assim uma bolsa de gás em um espaço livre acima do volume reduzido de água do mar que permanece no volume de armazenamento. Consequentemente, uma bomba também está em comunicação de fluido com o volume de armazenamento para criar o diferencial de pressão que armazena energia potencial na água do mar em torno do volume de armazenamento.

[0069] Neste exemplo, o volume de armazenamento é uma tubulação 40, o que significa que o receptáculo de drenagem 38 pode ser convenientemente preso a uma estrutura acessório ou módulo 42 da tubulação 40, ou integrado com a mesma, no topo do módulo 42, conforme mostrado na Figura 5. Contrafortes se estendem radialmente da parede periférica do receptáculo de drenagem 38 para o topo do módulo 42 para sustentar a montagem 10, que é sustentada pela parede tubular do receptáculo de drenagem 38.

[0070] A Figura 6 mostra o receptáculo de drenagem 38 no topo de um módulo em linha 42 em uma localização intermediária ao longo do comprimento da tubulação 40, enquanto a Figura 7 mostra o receptáculo de drenagem 38 no topo de um módulo terminal 42 em uma extremidade da tubulação 40. Em cada caso, o módulo 42 tem um ou mais canais internos 44 que efetuam o fluido comunicação entre a tubulação 40 e a montagem 10 através do receptáculo de drenagem 38. Neste exemplo, o ou cada canal 44 incorpora uma válvula 46, tal como uma válvula de esfera que pode ser fechada para fechar o canal 44 e, portanto, para fechar e selar o volume de armazenamento definido pela tubulação 40.

[0071] Quando a válvula 46 for fechada, conforme mostrado na Figura 6, e uma bomba em comunicação de fluido com a tubulação 40 for ativada para expelir água do mar de dentro da tubulação 40, a tubulação 40 reterá fluido na forma de gás e água a baixa pressão. O sistema é, portanto, carregado com energia potencial devido ao diferencial de pressão com a água do mar circundante, que permanece em alta pressão hidrostática. Será notado a partir da Figura 6 que o nível de água 48 na tubulação 40 é baixo e que um espaço livre 50 de gás, tal como ar e vapor de água acima do nível de água 48 na tubulação 40, é correspondentemente grande em volume.

[0072] Quando a válvula 46 for aberta, conforme mostrado na Figura 7, a água do mar em torno da montagem 10 será atraída para a estrutura da comporta 24 através de uma parede perfurada da porção de entrada 26. A parede perfurada serve como um filtro que bloqueia a entrada no sistema de detritos potencialmente danosos que poderiam ser aprisionados na água do mar que flui para dentro. Obviamente, são possíveis outras provisões de filtragem ou provisões adicionais.

[0073] A porção de acelerador 28 acelera o fluxo de entrada proveniente da porção de entrada 26, que, portanto, entra no tubo injetor 30 com alta velocidade. Na interface entre o tubo injetor 30 e o duto de anel 16, a água em alta velocidade é desviada para seguir o duto 16 em uma direção circunferencial correspondendo àquela dos jatos projetados pelos bicos 22. O efeito é que o fluxo de água de alta pressão e alta velocidade colide com as cubas 20 da turbina 18 e, assim, aciona a turbina 18 de forma eficiente.

[0074] Uma turbina Pelton 18 opera de forma mais eficiente ao girar em um gás, tal como ar ou vapor d'água. Consequentemente, após colidir com as cubas 20 da turbina 18, a água é drenada ou evacuada da turbina 18 para o receptáculo de drenagem 38 e a partir daí para o volume de armazenamento que é definido pela tubulação 40 neste exemplo.

[0075] Também ficará evidente que o gás aprisionado na tubulação 40 ou em outro volume de armazenamento tenderá a subir no compartimento 12 em torno da turbina 18 e será aprisionado aí pela forma abobadada do compartimento 12. O gás permanece aprisionado no sistema para permitir que o volume de água na tubulação 40 mude conforme a pressão na tubulação 40 é variada. As setas pontilhadas opostas dentro do módulo 42 da Figura 7 ilustram a migração de gás para o alojamento 12 em troca de fluxo de água descendente para a tubulação 40.

[0076] Voltando, a seguir, às Figuras 8 a 10, esses desenhos mostram a montagem de turbogerador 10 no contexto mais amplo de uma usina submarina que tem uma bomba disposta para expelir a água do mar de um volume de armazenamento alongado. Eles também exemplificam as maneiras pelas quais essa usina pode ser instalada no fundo do mar.

[0077] As Figuras 8 e 9 mostram uma usina submarina da invenção concretizada como uma unidade de feixe rebocável 52. A unidade 52 compreende um feixe de tubulação 54 que conecta uma cabeça de reboque dianteira 56 e uma cabeça de reboque traseira 58. O feixe 54 compreende dois ou mais tubos substancialmente paralelos que estendem substancialmente por todo o comprimento do feixe 54 entre as cabeças de reboque 56, 58.

[0078] A cabeça de reboque dianteira 56 contém uma bomba de modo que, após a unidade 52 ter sido instalada, a água possa ser bombeada de dentro dos tubos do feixe 54 no mar circundante. A cabeça de reboque traseira compreende um módulo 42 e um receptáculo de drenagem 38 no qual a montagem de turbogerador 10 pode ser acoplado, por exemplo, após a unidade 52 ter sido instalada como mostrado na Figura 9. A água admitida através da turbina 18 da montagem de turbogerador 10 sob pressão hidrostática aciona o gerador 32 da montagem de turbogerador 10 para produzir eletricidade sob demanda.

[0079] Os tubos do feixe 54 servem como um ou mais tanques de armazenamento de energia que podem ser de qualquer comprimento razoável e, portanto, de qualquer capacidade interna que possa ser razoavelmente necessária. Tal unidade de feixe 52 se mostrou resistente à pressão hidrostática e pode ser fabricada e instalada em uma única operação usando métodos bem conhecidos e confiáveis.

[0080] Como é bem conhecido na técnica, os tubos do feixe 54 podem ser circundados por um tubo transportador externo. Um tubo transportador e/ou tubos dentro de qualquer tubo transportador podem ser configurados para resistir à pressão hidrostática na profundidade operacional. Alternativamente, os tubos resistentes à pressão expostos do feixe 54 podem ser agrupados em torno de um tubo de núcleo central ou espinha dorsal. Um tubo de núcleo central pode ser resistente à pressão para adicionar capacidade de armazenamento de energia ao feixe 54 ou pode permanecer inundado para atuar apenas como um elemento estrutural.

[0081] Os vários tubos do feixe 54 são tipicamente de aço, mas qualquer um deles poderia ser, em grande parte, de polímeros ou de materiais compostos. Camadas ou componentes adicionais podem ser adicionados aos tubos, como um forro interno ou um revestimento externo. Essas camadas ou componentes adicionais podem compreender polímero, metal ou materiais compostos. Além disso, os tubos podem ser providos com uma construção de parede única ou e parede dupla (PiP).

[0082] Outros elementos alongados, tais como tubos e cabos auxiliares, podem ser incluídos no feixe 54, estendendo-se em paralelo com os outros tubos do feixe 54 de maneira bem conhecida para transportar fluidos, sinais de energia e dados entre as cabeças de reboque 56, 58. Como é também convencional, espaçadores transversais convencionais distribuídos longitudinalmente podem conter os vários tubos e outros elementos alongados do feixe 54 em relação uns aos outros.

[0083] Um feixe de tubulação típico 54 tem alguns quilômetros de comprimento, por exemplo, cerca de 2 km de comprimento. Seu comprimento máximo pode ser restringido pela disponibilidade de terreno em instalações de fabricação em terra, tais como spoolbases ou pátios. No entanto, um feixe de tubulação 54 pode ser formado mais longo ao ser fabricado mais longo a partir de várias seções de feixe acopladas de ponta a ponta. Em princípio, portanto, um feixe 54 montado a partir de duas ou mais de tais seções de feixe poderia ter qualquer comprimento razoável.

[0084] Assim, a unidade de feixe 52 é mostrada nas Figuras 8 e 9 tanto interrompida quanto grandemente encurtada. Além disso, a profundidade da água entre a superfície 60 e o fundo do mar 62 será geralmente muito maior do que essas vistas esquemáticas poderiam sugerir.

[0085] A integração do feixe 54 e das cabeças de reboque 56, 58 para formar a unidade rebocável 52 permite que a unidade 52 seja pré- fabricada, montada e testada em terra ou em águas abrigadas antes de ser rebocada no mar para instalação. Convenientemente, portanto, vários elementos alongados podem ser rebocados juntos até um local de instalação como uma única unidade integral e instalados no fundo do mar simultaneamente em uma operação. A redução do número de interfaces conectadas submarinas simplifica o processo de instalação e melhora a confiabilidade do sistema, em comparação com a conexão de unidades em uma localização submarina e a realização de testes aí.

[0086] As cabeças de reboque 56, 58 incorporam flutuabilidade, ou proveem flutuabilidade a ser anexada, para compensar seu peso durante o reboque. Por exemplo, a flutuabilidade pode ser adicionada diretamente às cabeças de reboque 14, 16 conectando boias ou módulos de flutuação a elas.

[0087] O feixe 54 também pode contribuir com flutuabilidade para a unidade 52 em virtude do ar ou de outro gás contido dentro de um tubo transportador selado. No entanto, conforme observado acima, um tubo transportador externo é opcional; os tubos do feixe 54 podem, em vez disso, ser agrupados em torno de um tubo de núcleo central ou espinha dorsal. Flutuação externa adicional pode também ser provida em um tubo transportador, um tubo de núcleo ou em outros tubos do feixe 54, ou pode ser anexada a estes.

[0088] Vários métodos de reboque podem ser usados para transportar a unidade 52 para um local de instalação offshore. Em particular, a unidade 52 pode ser rebocada em várias profundidades na água. A escolha da profundidade de reboque envolve uma compensação entre vários fatores. Por exemplo, a unidade 52 pode ser rebocada na superfície ou próximo à superfície 60, o que é mais fácil de ser controlado. No entanto, a dinâmica da água superficial pode gerar fadiga no feixe de tubulação 54, que é um fator que limita a distância de reboque permitida. Por outro lado, o reboque perto do fundo do mar 62 protege o feixe 54 da influência da dinâmica da água de superfície e limita os riscos durante o rebaixamento subsequente no fundo do mar 62 no local de instalação. No entanto, controlar a unidade 52 é mais desafiador na profundidade e só será viável se os contornos do fundo do mar 62 permitirem.

[0089] A Figura 8 mostra a opção preferida de um método de reboque em meia água em que a unidade 52 é rebocada em uma profundidade intermediária na coluna de água entre a superfície 60 e o fundo do mar 62. Aqui, a unidade 52 está seguramente livre dos contornos do fundo do mar 62 e está sob influência significativa da ação das ondas perto da superfície 60. Especificamente, a Figura 8 mostra um método de reboque em meia água preferido conhecido na técnica como 'método de reboque de profundidade controlada' ou CDTM, conforme descrito no documento US 4363566.

[0090] O reboque em meia água é um bom compromisso que garante uma instalação de baixo estresse, sem o uso de grandes navios-guindaste que dependem de condições de mar baixo. Isso torna a instalação menos sensível às intempéries e reduz significativamente o custo dos navios de instalação. No entanto, o reboque em meia água requer um gerenciamento preciso da flutuabilidade.

[0091] Em todos os métodos de reboque, a unidade 52 é mantida em tensão por correntes ou cabos 64 que se estendem para a frente e para trás das respectivas cabeças de reboque 56, 58 para os respectivos navios de instalação, tais como rebocadores 66. O feixe 54 atua em tensão entre as cabeças de reboque 56, 58 durante o reboque, com cargas de tração sendo sustentadas principalmente por um tubo transportador ou tubo de núcleo do feixe 54.

[0092] As velocidades e o espaçamento entre os rebocadores 66 são ajustados para manter a unidade 52 na profundidade necessária tendo em consideração o efeito das forças de arrasto e tensão nas linhas 64. Opcionalmente, um terceiro navio de patrulha/pesquisa 68 à frente do líder rebocador 66 inspeciona a rota e monitora a operação de reboque.

[0093] No CDTM, o feixe 54 é tornado com flutuabilidade neutra ou ligeiramente negativa na profundidade necessária pela adição de correntes de flutuabilidade e/ou correntes de lastro espaçadas ao longo de seu comprimento. No exemplo mostrado, as correntes de lastro 70 espaçadas ao longo do feixe 54 adicionam peso que compensa qualquer flutuabilidade positiva do feixe 54. Como resultado do peso de lastro adicionado, o feixe 54 fica pendurado entre as cabeças de reboque 56, 58 como uma catenária.

[0094] Quando a unidade 52 alcançar um local de instalação, a unidade 52 será abaixada em direção ao fundo do mar 62 enquanto as linhas 64 são desembarcadas dos rebocadores 66. A unidade 52 pode ser baixada no fundo do mar 62 ao remover a flutuabilidade externa da unidade 52 ou ao adicionar lastro à unidade 52. A unidade 52 é assentada então no fundo do mar 62, conforme mostrado na Figura 9, com o feixe 54 apoiado e sustentado no fundo do mar 62 entre as cabeças de reboque 56, 58.

[0095] A Figura 9 mostra as cabeças de reboque 56, 58 assentadas e sustentadas por fundações 72 pré-instaladas. As fundações 72 podem, por exemplo, ser estruturas embutidas, tais como estacas de sucção ou estacas de pinos. Alternativamente, todas as fundações 72,

ou parte destas, poderiam ser integradas com as cabeças de reboque 56, 58 ou ser instaladas após as cabeças de reboque 56, 58 terem sido pousadas no fundo do mar 62.

[0096] A Figura 9 também mostra, em linhas tracejadas, outros recursos que estão aptos para serem instalados após a unidade 52 ter sido instalada. Especificamente, as âncoras 74, tais como grampos ou pinos, são espaçadas ao longo do feixe 54 para fixar o feixe 54 no fundo do mar 62. Além disso, um cabo de energia 76 conecta a unidade 52 a uma rede de energia elétrica 78 por meio de um sistema de controle 80, ambos os quais podem estar situado total ou parcialmente acima da superfície 18 ou em terra. Em princípio, pode ser, em vez disso, possível conectar um cabo de energia 76 à unidade 52 antes de rebocar ou instalar a unidade 52.

[0097] Numerais semelhantes são usados para recursos semelhantes na Figura 10, que exemplifica como um tanque de armazenamento de energia submarina poderia, em vez disso, ser definido por uma tubulação 40 que é lançada de um navio de instalação 82 na superfície 60. Durante a instalação, a tubulação 40 pende como uma catenária do navio de instalação 82 em direção ao fundo do mar

62. Em princípio, dependendo de seus materiais e dimensões e da profundidade da água, a tubulação 40 poderia ser instalada por qualquer método para instalação de tubulações submarinas como conhecido na técnica, tal como de reel-lay, S-lay ou J-lay. Uma operação J-lay é mostrada aqui, a título de exemplo.

[0098] Convenientemente, como mostrado na Figura 10, a tubulação 40 pode incluir módulos 42, qualquer um ou todos os quais podem compreender ou sustentar instalações de bombeamento e de geração de energia, tais como aquelas das cabeças de reboque 56, 58 nas Figuras 8 e 9. Como observado acima, tais módulos 42 podem ser dispostos em uma extremidade da tubulação 40 ou podem ser inseridos dentro do comprimento da tubulação 40. Os módulos 42 são, portanto, análogos a acessórios de tubulação bem conhecidos, tais como montagens T em linha (ILTs ou ITAs), coletores de extremidade de tubulação (PLEMs) e terminações de extremidade de tubulação (PLETs). Assim, usando técnicas bem conhecidas, os módulos 42 podem ser incorporados na tubulação 40 à medida que ela é lançada no mar.

[0099] Os módulos 42 são exemplificados aqui por um módulo terminal ou de extremidade 42A soldado a uma extremidade da tubulação 40 e um módulo em linha 42B soldado entre seções vizinhas da tubulação 40 dispostas de ponta a ponta. Outro terminal ou módulo de extremidade 42A será soldado no devido tempo à outra extremidade da tubulação 40, para fechar e selar essa extremidade da tubulação 40 na conclusão. Como é convencional, os módulos 42 podem ter fundações mudmat 84, conforme mostrado, mas outras fundações, como as estacas acima mencionadas mostradas na Figura 9, podem ser usadas em vez disso.

[00100] A tubulação 40 pode ser de construção de parede única ou, em vez disso, pode ser de construção tubo-em-tubo (PiP) de parede dupla. Novamente, a tubulação 40 pode ser de aço, polímero ou material composto e pode compreender camadas ou componentes adicionais, tal como um revestimento interno ou um revestimento externo. Por exemplo, algumas técnicas de instalação, tal como S-lay, irão permitir que a tubulação 40 tenha um revestimento de peso externo de concreto para estabilizá-la no fundo do mar 62.

[00101] Em operações J-lay, conforme mostrado na Figura 10, a tubulação 40 é montada a partir de juntas de tubos em uma torre J-lay vertical 86 em um navio de instalação 82 offshore. A tubulação 40 pende quase verticalmente em uma curvatura que se aproxima do fundo do mar 62, assumindo assim uma forma de J.

[00102] As juntas de tubos são levantadas na torre 86 para serem soldadas ao topo de uma coluna de tubos suspensa. A torre 86 é mostrada aqui como sendo vertical para simplicidade, mas, na prática, ela poderia ser pivotada ou suportada em cardam para se afastar da vertical. As operações de soldagem são realizadas em uma estação de soldagem 88 perto da base da torre 86.

[00103] Uma bucha inferior fixa 90 abaixo da estação de soldagem 88 e uma bucha ou braçadeira superior móvel ou braçadeira 92 na torre 86 sustentam a coluna de tubos em alternância. A bucha inferior 90 e a braçadeira móvel 92 cooperam em um arranjo 'mão sobre mão' para abaixar a coluna de tubos à medida que sucessivas juntas de tubo são adicionadas.

[00104] A Figura 10 mostra uma montagem de turbogerador 10 que é acoplado ao módulo 42B após esse módulo 42B ter sido assentado no fundo do mar 62. A montagem 10 é suspensa a partir de um fio de suspensão 94 que pende de um guincho ou guindaste de um navio, não mostrado, na superfície 60.

[00105] Depois de a tubulação 40 ter sido instalada, um cabo de energia 76 se estende dos módulos 42A, 42B, por exemplo, para conectá-los a uma rede de energia elétrica por meio de um sistema de controle, conforme mostrado nas Figuras 8 e 9. Novamente, âncoras, como grampos ou pinos, poderiam ser espaçadas ao longo da tubulação 40 para fixar a tubulação 40 no fundo do mar 62; tais âncoras não são mostradas na Figura 10.

[00106] Empilhar os componentes principais da montagem 10 ao longo do eixo central vertical 14 simplifica a instalação e a manutenção, permitindo que a montagem 10 como um todo, ou qualquer um de seus componentes principais, seja abaixada ou levantada até a superfície de forma conjunta ou separadamente. As fixações submarinas desengatáveis e operáveis por ROV podem ser providas entre os componentes empilhados para esta finalidade. A este respeito, é feita referência às Figuras de 11 a 14.

[00107] A Figura 11 mostra a montagem 10 montada no topo de um módulo em linha 42 de uma tubulação 40 por meio do receptáculo de drenagem 38. Um fio de suspensão 94 é preso centralmente na parte superior da montagem 10. A Figura 12 mostra a montagem 10 agora suspensa do fio de suspensão 94 e sendo levantada do receptáculo de drenagem 38, ou abaixada no mesmo, que permanece preso ao módulo

42.

[00108] A montagem 10 também pode ser montada ou desmontada debaixo d'água. Por exemplo, a Figura 13 mostra o gerador 32 e o transformador 34 da montagem 10 sendo levantados do alojamento 12 da montagem 10, ou abaixados no mesmo, que permanece preso ao módulo 42 através do receptáculo de drenagem 38. Por outro lado, a Figura 14 mostra o transformador 34 sendo levantado do gerador 32, ou abaixado no mesmo, que permanece preso ao módulo 42 por meio do compartimento 12 e do receptáculo de drenagem 38.

[00109] Finalmente, as Figuras de 15 a 18 mostram outra concretização da invenção na qual várias montagens de turbogerador 10 são agrupadas em um cabeça de reboque 96.

[00110] A cabeça de reboque 96 tem receptáculos de drenagem integrados 38 em sua face horizontal superior, nos quais as montagens de turbogerador 10 podem ser montadas. A cabeça de reboque 96 está em uma extremidade de um volume de armazenamento alongado, que é definido por um par paralelo de feixes de tubulação 98 neste exemplo. As válvulas para controlar o fluxo de fluido de entrada e, portanto, a geração de energia não são mostradas nestes desenhos simplificados, mas poderiam ser incorporadas em qualquer local adequado no percurso de fluxo, a montante e/ou a jusante das turbinas nas montagens de turbogerador 10.

[00111] Como pode ser apreciado nas vistas em seção das Figuras 17 e 18, os feixes de tubulação 98 estão em comunicação de fluido com as montagens de turbogerador 10 através de canais de coletor ramificados 100 na cabeça de reboque 96. Especificamente, as montagens de turbogerador 10 e seus receptáculos de drenagem associados 38 estão em fileiras longitudinais paralelas na cabeça de reboque 96. Cada feixe de tubulação 98 está em comunicação de fluido com uma respectiva fileira de montagens de turbogerador 10 através de um respectivo canal de coletor 100.

[00112] Obviamente, seria possível que os feixes de tubulação 98 se comunicassem uns com os outros e com todas as montagens de turbogerador 10. As válvulas podem ser providas para segregar os feixes de tubulação 98 e as montagens de turbogerador 10 uns dos outros para isolar falhas e para facilitar a manutenção ou a substituição de componentes.

[00113] A Figura 15 mostra cinco montagens de turbogerador 10 já instaladas nos respectivos receptáculos de drenagem 38 da cabeça de reboque 96 pré-instalada no fundo do mar 62. Uma sexta montagem de turbogerador 10 é mostrada sendo abaixada no topo aberto de um sexto receptáculo de drenagem 38 da cabeça de reboque 96.

[00114] A Figura 16 mostra todas as montagens de turbogerador 10 no lugar no topo da cabeça de reboque 96.

[00115] A Figura 17 mostra o sistema em um estado total ou parcialmente descarregado. Consequentemente, o nível de água 48 na cabeça de reboque 96 e nos feixes de tubulação 98 é alto e o espaço livre 50 de gás acima do nível de água 48 é correspondentemente pequeno em volume. O espaço livre 50 é dividido em vários bolsões de gás, um para cada das montagens de turbogerador 10, correspondendo às ramificações dos canais de coletor 100.

[00116] A Figura 18 mostra o sistema carregado com energia potencial devido a um diferencial de pressão com a água do mar circundante. O nível de água 48 na cabeça de reboque 96 e nos feixes de tubulação 98 é, portanto, baixo e o espaço livre 50 é correspondentemente grande em volume. O espaço livre 50 agora se estende entre todas as montagens de turbogerador 10.

[00117] Muitas outras variações são possíveis dentro do conceito da invenção. Por exemplo, o receptáculo de drenagem 38 pode ser integrado com o volume de armazenamento ou rebaixado no mesmo ou com ou em qualquer estrutura, tal como um módulo acessório de tubulação 42, que se comunica fluidamente com um volume de armazenamento, tal como a tubulação 40. Um receptáculo de drenagem 38, como uma estrutura distinta, poderia, portanto, ser omitida.

[00118] A ou cada estrutura de comporta 24 pode ser provida com uma ou mais válvulas que são capazes de controlar ou bloquear o fluxo de fluido. Por exemplo, válvulas unidirecionais podem admitir a entrada de água, mas bloquear a saída de gás. As válvulas na ou em cada estrutura de comporta 24 podem ser fornecidas em vez de, ou além de, qualquer válvula entre a montagem 10 e o volume de armazenamento, tal como a válvula 46 descrita acima.

[00119] Embora seja preferido que o volume de armazenamento compreenda uma tubulação ou feixe de tubulação, o volume de armazenamento não precisa necessariamente ser uma estrutura alongada. O volume de armazenamento pode, em vez disso, assumir outras formas resistentes à pressão adequadas, como esférica, parcialmente esférica, elipsoide ou em forma de abóbada. Além disso, o volume de armazenamento não precisa ser uma estrutura totalmente fabricada, mas pode, em vez disso, incluir uma formação natural, como uma câmara subterrânea ou um poço submarino que foi esgotado de hidrocarbonetos ou, de outra forma, que não é mais econômico de explorar.

[00120] Uma turbina Pelton 18 é preferida por sua compactação e eficiência. No entanto, em um sentido amplo, a turbina poderia ser uma turbina reversível, como uma turbina Francis. Nesse caso, o gerador 32 poderia servir como um motor para girar a turbina no sentido inverso, expelindo assim água do volume de armazenamento ao longo das estruturas de comporta 24 e para o mar circundante. Isso pode tornar desnecessário prover uma bomba separada para evacuar o volume de armazenamento.

[00121] O aparelho da invenção pode ser usado debaixo d'água em qualquer local onde possa ficar submerso a uma profundidade substancial em um corpo ou extensão de água. As referências contidas nesta especificação referentes ao mar destinam-se, portanto, a abranger ou exemplificar o uso da invenção em outros corpos de água adequadamente profundos, por exemplo, lagos.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Montagem de turbogerador para produzir energia elétrica debaixo d'água, caracterizada pelo fato de compreender: um invólucro resistente à pressão que define uma câmara interna selada; pelo menos uma entrada de água que se estende através do invólucro para efetuar a comunicação de fluido entre a câmara e um corpo de água que circunda o invólucro; uma turbina sustentada dentro da câmara para girar em um eixo de rotação em resposta à admissão de um fluxo de água na câmara através da ou de cada entrada de água; e pelo menos uma estrutura de comporta tubular que está em comunicação de fluido com a câmara através da ou de cada entrada de água; e um receptáculo de drenagem que se comunica com a câmara para receber a água que cai da turbina, em que o receptáculo de drenagem é preso a um módulo acessório de uma tubulação ou um módulo de cabeça de reboque de um feixe de tubulação ou integrado com os mesmos, e em que o invólucro é separadamente montável e selável ao receptáculo de drenagem.

2. Montagem, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a turbina ser reversível para expelir água da câmara no corpo de água que circunda o invólucro.

3. Montagem, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de a ou cada estrutura de comporta se estender para fora do invólucro para ficar exposta externamente à água circundante.

4. Montagem, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de a ou cada estrutura de comporta ser sustentada pela montagem.

5. Montagem, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de a ou cada estrutura de comporta se estender para cima a partir da ou de cada entrada de água em um eixo vertical.

6. Montagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de a ou cada estrutura de comporta compreender uma porção de acelerador afunilada disposta entre uma porção de entrada da estrutura de comporta e a ou cada entrada de água.

7. Montagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de a câmara conter ainda um duto que se comunica com a ou cada entrada de água e com uma matriz circunferencial de bicos que circunda a turbina.

8. Montagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o eixo de rotação ser vertical.

9. Montagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o invólucro compreender uma porção abobadada em torno da turbina.

10. Montagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de compreender ainda um gerador sustentado pelo invólucro.

11. Montagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de compreender ainda um transformador sustentado pela montagem.

12. Montagem, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de o eixo de rotação intersectar o transformador.

13. Montagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o receptáculo de drenagem apresentar uma saída para a comunicação de fluido com um volume de armazenamento de fluido.

14. Montagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de a turbina ser uma turbina Pelton.

15. Montagem, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de ser disposta para manter um espaço cheio de gás dentro da câmara, em que a turbina Pelton está disposta para girar no eixo de rotação no espaço cheio de gás.

16. Usina para produzir energia elétrica debaixo d'água, caracterizada pelo fato de compreender pelo menos uma montagem de turbogerador, como definida em qualquer uma das reivindicações precedentes, cuja câmara interna está em comunicação de fluido com um volume de armazenamento de fluido que é capaz de reter fluido a uma pressão substancialmente abaixo da pressão hidrostática que prevalece em torno da ou de cada montagem do turbogerador.

17. Usina de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de a câmara interna da ou de cada montagem de turbogerador estar posicionada acima do volume de armazenamento de fluido.

18. Usina de acordo com a reivindicação 16 ou 17, caracterizada pelo fato de compreender ainda pelo menos uma bomba que está em comunicação de fluido com o volume de armazenamento de fluido e é disposta para expelir água do volume de armazenamento de fluido.

19. Usina, de acordo com qualquer das uma das reivindicações 16 a 18, caracterizada pelo fato de o volume de armazenamento de fluido compreender uma tubulação ou um feixe de tubulação.

20. Usina, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o ou cada montagem de turbogerador ser sustentada por um módulo acessório de tubulação ou por um módulo de cabeça de reboque de feixe.

21. Usina de acordo com qualquer das uma das reivindicações 16 a 20, caracterizada pelo fato de o invólucro da ou de cada montagem de turbogerador ficar exposto externamente à água circundante.

22. Método de instalar uma estação de energia subaquática, caracterizado pelo fato de compreender: instalar um volume de armazenamento de fluido em uma localização submarina; subsequentemente, abaixar uma montagem de turbogerador para uma posição acima do volume de armazenamento de fluido instalado; e com a montagem de turbogerador na referida posição, vedar a montagem de turbogerador ao volume de armazenamento de fluido para a comunicação de fluido com o volume de armazenamento de fluido prendendo a montagem de turbogerador a um módulo acessório da tubulação ou um módulo de cabeça de reboque do feixe.

23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de compreender colocar a montagem de turbogerador no topo do volume de armazenamento de fluido instalado.

24. Método de gerar energia elétrica debaixo d'água, caracterizado pelo fato de compreender: atrair um fluxo de água sob pressão hidrostática para uma câmara selada abaixo da pressão hidrostática; acelerar o fluxo de entrada de água ao longo de uma comporta; colidir com o fluxo acelerado de água contra uma turbina em rotação na câmara; e drenar a água da turbina em um receptáculo de drenagem em comunicação com a câmara, em que o receptáculo de drenagem é preso a um módulo acessório de uma tubulação ou um módulo de cabeça de reboque de um feixe de tubulação ou integrado com os mesmos.

25. Método, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de compreender acelerar a entrada de água ao longo da comporta do lado de fora da câmara.

26. Método, de acordo com a reivindicação 24 ou 25, caracterizado pelo fato de compreender formar um ou mais jatos do fluxo de água de entrada, e em que colidir o fluxo acelerado de água contra uma turbina em rotação na câmara compreender colidir o ou cada jato de água contra uma turbina Pelton que gira em um gás na câmara.

27. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de compreender girar a turbina na câmara em torno de um eixo vertical enquanto confina o gás em uma porção superior da câmara.

28. Método, de acordo com a reivindicação 26 ou 27, caracterizado pelo fato de compreender permitir que o gás suba na câmara a partir de um volume de armazenamento de fluido subaquático que está em comunicação de fluido com a câmara e que está em um nível abaixo da câmara.

29. Método, de acordo com qualquer das uma das reivindicações 24 a 28, caracterizado pelo fato de compreender drenar água da turbina em um volume de armazenamento de fluido subaquático que está em comunicação de fluido com a câmara e que está em um nível abaixo da câmara.