BRPI0613517A2 - transferência de energia cinética para e de fluidos - Google Patents

Abstract

TRANSFERêNCIA DE ENERGIA CINéTICA PARA E DE FLUIDOS. A presente invenção refere-se a um método e aparelho para converter a energia cinética de um fluxo de fluido móvel em trabalho útil pela utilização de uma cascata paralela de aerofólios ou hidrofólios posicionados no mesmo. As pás podem estar providas com pelo menos dois graus de liberdade e as pás adjacentes movem-se em antifase. As pás estão sujeitas a oscilações ressonantes, conhecidas como ondulações, induzidas pelo fluxo de fluido. Dutos de entrada de fluxo e de saída de fluxo perfilados podem estar posicionados a montante e a jusante, e o aparelho pode estar condito dentro de um duto perfilado, para aumentar a eficiência pela alteração da velocidade e da pressão do fluido. Estas pás estão em balanço, suportados por hastes verticais mas não estão presos de outro modo. Uma cascata compreendida de módulos de aerofólio independentes, cada um contendo uma pá, um módulo de conversão de energia e um módulo de controle de movimento, podem ser programados para (1) receber a energia de um fluxo de fluido para gerar energia, ou (2) transferir a energia em um fluxo de fluido para criar uma propulsão ou bombeamento.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TRANSFE-RÊNCIA DE ENERGIA CINÉTICA PARA E DE FLUIDOS".

Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório U.S.Número 60/685.891, depositado em 01 de Junho de 2005.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A presente invenção compreende aperfeiçoamentos nos méto-dos e aparelhos descritos na Patente U.S. Número 4.184.805 (Janeiro de1980), Patente U.S. Número 4.347.036 (Agosto 1982) e Patente U.S. Núme-ro 6.273.680 (Agosto 2001). de Dr. Lee Arnold.

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a técnicas e aparelho para utiliza-ção da energia cinética contida em um fluxo de fluido móvel para produziruma energia útil, e mais especificamente a uma cascata de pás segurasdentro do fluido móvel somente por barras de suspensão em balanço. Acascata de pás, que move-se em antifase, pode estar disposta para extrair aenergia do fluido, para geração de energia, fazendo uso do fenômeno deondulação, que requer dois ou mais graus de liberdade, ou pelo acionamen-to das pás de uma fonte de energia externa para injetar a energia no fluidopara criar uma propulsão ou bombeamento, fazendo uso de uma oscilaçãoexternamente programada/também com dois ou mais graus de liberdade.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA ANTERIOR

Os recursos renováveis, os quais há muitos séculos eram asfontes principais de energia da sociedade humana, incluem a energia solar,eólica e hídrica, a energia das ondas e das marés. Todos os recursos reno-váveis são derivados da energia solar, exceto a energia das marés, a qual éderivada da atração gravitacional lunar, (a energia geotérmica, a qual é deri-vada do calor armazenado no núcleo da terra não é, estritamente falando,um recurso renovável). A energia solar ativa e passiva, a energia eólica, hí-drica, e de correntes do oceano todas resultam de ciclos climáticos terres-tres, os quais são por sua vez no final todos causados pela radiação solar.

A busca de um meio eficiente para converter os recursos de e-nergia renováveis em trabalho útil inclui as turbinas de vento mecânicas, queconvertem a energia cinética do vento em energia mecânica, utilizando asforças de sustentação e arraste, e as turbinas de água mecânicas, que con-vertem a energia cinética da água que flui, ou a energia potencial de águaarmazenada elevada, em energia mecânica. Na maioria dos casos a energiaassim convertida é transformada em energia elétrica para distribuição e utili-zação final.

A Patente U.S. Número 1.486.040 (Schieferstein) descreve ummeio de propulsão que utiliza uma aleta oscilatória mecanicamente aciona-da, mas com somente um único grau de liberdade.

A Patente U.S. Número 2.783.022 (SaIzer) descreve um disposi-tivo de conversão de energia de onda de oceano que compreende uma sériede flutuadores que giram um eixo horizontal através de movimentos paracima e para baixo. Este dispositivo não emprega as pás oscilantes.

A Patente U.S Número 3.040.976 (de Mattos) descreve um meiode propulsão de ar que utiliza um grupamento paralelo de aletas oscilatóriasmecanicamente acionadas, novamente com somente um único grau de li-berdade.

A Patente U.S. Número 3.508.840 (LederIin) descreve um aero-fólio ou uma série de aerofólios que abanam com formação em curvaturapara recircular vórtices autogerados. Tal aerofólio ou pás não são operadosem ondulação ou antifase.

A Patente U.S. Número 3.783.858 (Ashikian) descreve um meiopara aquecer um líquido utilizando oscilações ressonantes em uma colunade ar. Esta invenção não converte a energia de fluido em mecânica utilizan-do pás em ondulação de antifase.

A Patente U.S. Número 3.883.750 (UzeII) descreve uma turbinade vento do tipo de hélice rotativa de eixo geométrico horizontal contida emventuri.

A Patente U.S. Número 3.995.972 (Nassar) descreve um con-versor de energia do vento do tipo oscilante no qual um ou diversos aerofó-lios são feitos alternar utilizando um dispositivo de alteração de inclinaçãoque inverte o ângulo de inclinação do aerofólio no final de cada excursão.Este dispositivo não emprega uma ondulação em dois ou mais graus de li-berdade, e a pilha de pás descrita não opera em antifase.

A Patente U.S. Número 4.024.409 (Payne) descreve um disposi-tivo de conversão de energia de fluido oscilante que faz uso da reação res-sonante de um fio, um cilindro longo ou um aerofólio sujeito a um vento inci-dente de modo que vórtices são gerados por uma superfície, fazendo comque uma força seja exercida sobre esta superfície, a qual move-se afastandode sua posição de repouso, criando um novo vórtice sobre a superfície opos-ta. Este novo vórtice faz com que uma força oposta seja exercida sobre ocorpo, resultando em uma oscilação ressonante da qual a energia pode serextraída, como uma força de amortecimento. Nesta invenção, utilizando asua modalidade de aerofólio, o aerofólio oscila em um grau de liberdade emreação à irradiação do vórtice, não em ondulação.

A Patente U.S. Número 4.170.738 (Smith) descreve um disposi-tivo operado por arraste (panemone) para extrair a energia de movimento deágua submarina, transferindo este movimento através de um meio de crema-Iheira e pinhão alternante para um gerador bidirecional. Este dispositivo nãoemprega as pás, a ondulação ou o movimento de antifase.

A Patente U.S. Número 4.184.805 (ArnoId) é a primeira patentebásica que descreve o movimento de antifase na ondulação de uma cascatade pás, no ar ou na água. A presente invenção constitui um aperfeiçoamentofundamental da patente de Arnold na qual todos os mecanismos e articula-ções presos em cada pá foram substituídos por uma única barra em suspen-são em balanço acoplada em um sistema de fornecimento de energia e con-trole de movimento modular.

A Patente U.S. Número 4.347.046 (ArnoId) é uma divisão domesmo pedido original, e descreve o mesmo dispositivo, que a Patente U.S.Número 4.184.805.

A Patente U.S. Número 5.457.346 (BIumberg) descreve umaturbina de vento do tipo de hélice de eixo geométrico horizontal similar à Pa-tente U.S. Número 3.883.750 acima, na qual um venturi concentra o ventoincidente por sobre o rotor de turbina. Este dispositivo não utiliza as pás, ofenômeno de ondulação, ou uma cascata de pás em movimento de antifase.

A Patente U.S. Número 6.273.680 (ArnoId) continua a desenvol-ver a modalidade mecânica original do sistema de energia em cascata osci-lante como primeiro descrito na Patente U.S. Número 4.184.805, com algummaterial adicional referente ao ajuste de massa inercial e concentração deinfluxo com barreiras planas.

A literatura considerável sobre a aeroelasticidade geralmentetrata a ondulação como uma força altamente destrutiva a qual, permitida o-correr em um aerofólio, inevitavelmente leva à sua desintegração. As paten-tes de Arnold acima citadas mostram como a ondulação pode em princípioser utilizada para extrair uma energia útil de um fluido que flui. A presenteinvenção, baseada nas e aperfeiçoando as patentes de Arnold, torna a apli-cação comercial do conversor de energia em cascata de antifase de ondula-ção possível pela eliminação da multiplicidade de peças mecânicas oscilan-tes, articulações, rolamentos, hastes, eixos e engrenagens descritas nestaspatentes anteriores.

Apesar do tratamento analítico da ondulação aplicar-se a todosos fluidos, a ondulação no ar é bem conhecida mas a ondulação na águanão foi extensivamente estudada ou observada. As patentes do Dr. Arnoldsão as primeiras a descrever o meio para iniciar e sustentar a ondulação naágua.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A invenção contém características de projeto de uma modalida-de durável e eficiente de um Sistema de Energia Em Cascata Oscilante(OCPS) e inclui uma pluralidade de pás em balanço os quais são oscilados efeitos ondular pela energia cinética extraída de um fluido móvel tal como ovento, ou da água movendo em um fluxo, um rio, uma corrente oceânica,uma maré, ou um fluxo direcionado. Um sistema de gerador de energia incluium novo módulo de energia e controle modular o qual é acionado pela ondu-lação da pluralidade de pás.

A utilização de pás em balanço elimina a necessidade de umaquantidade considerável de mecanismos físicos presos nas pás da técnicaanterior descrita nas Patentes U.S. Números 4.184.805, 4.347.036 e6.273.680. As pás são controláveis por um servo sistema de controle pro-gramável que utiliza um fluido de trabalho ou eletricidade. O programa decontrole pode consistir em um algoritmo baseado nas equações de movi-mento de pás que atuam em um modo de ondulação de antifase.

Ainda, o presente aparelho provê aproveitar eficientementegrandes quantidades da energia cinética disponível de um fluxo de fluidomóvel utilizando uma cascata paralela de pás em balanço, sem utilizar ummecanismo preso extensivo. O termo genérico "pá" como aqui utilizado incluio conceito de um "hidrofólio", como utilizado em água fluente e um "aerofó-lio", como utilizado na conversão de energia do vento, ou "pá" como utilizadoem propulsão. O termo "aerofólio", o qual refere-se mais especificamente aasas fixas ou rotativas utilizadas para criar sustentação para aviões, não a-plica-se ao contexto desta invenção.

Um aspecto da invenção é de prover, em uma cascata de pásem um fluxo de fluido móvel, que atua em antifase, um aparelho de pá mo-dular independente, de energia e controle de modo que as pás individuaispossam ser inseridas ou removidas da cascata, mesmo quando a cascataestá em operação, sem tocar ou afetar as pás adjacentes.

Para que a ondulação, isto é, uma oscilação ressonante comdois ou mais graus de liberdade ocorra nas pás, a massa inercial efetiva daspás e a existência de forças de restauração de final de curso são críticas.Um aspecto desta invenção é de prover um novo meio de ajustar e controlara massa inercial e restaurar a força instantaneamente enquanto o sistemaestá em operação, permitindo que o desempenho do sistema seja contínuo eautomático no curso de condições de mudança de fluxo e de carga.

Na posição de repouso, os pás estão em um ângulo de ataquezero. Nenhuma oscilação ocorre mesmo se os pás estiverem imersos em umfluxo de fluido móvel. Na técnica anterior, era necessário "perturbar" fisica-mente os pás para iniciar o mecanismo e iniciar a ondulação. Um aspectodesta invenção é um meio para iniciar remotamente as oscilações sem umaintervenção manual. Mais ainda, na técnica anterior, nenhum meio era provi-do para parar as pás ondulantes outro do que pela interrupção do fluxo defluido, ou superando as oscilações através da parada do mecanismo pelaaplicação de uma carga extrema. Outro aspecto desta invenção é um meiopara parar instantaneamente um ou todas as pás oscilantes fazendo-os ado-tar um ângulo de ataque zero, assim cortando a saída de energia enquanto ofluxo de fluido está ainda fluindo, e sem tensões ou danos indevidos às pásou ao mecanismo associado.

Outro aspecto da invenção é de prover uma estrutura de suportede duplo propósito na qual uma pluralidade de módulos de pá independentesestá presa, a qual também carrega os coletores de energia e de controleutilizados para conectar os módulos de pá no controlador central. Os coleto-res estão equipados com uma série de válvulas de interrupção de múltiploscanais e receptáculos, de modo que conectores de múltiplos canais em mó-dulos de pá individuais possam ser prontamente conectados ou removidos.

Um aspecto adicional da invenção é através do monitoramentoeletrônico de todos os parâmetros internos e externos do sistema, incluindoa velocidade de fluido e a carga, pelo processamento destes dados em umdispositivo de controle de lógica programável governado por um algoritmo decontrole especial, o ajuste contínuo resultante de massa inercial e de forçasde restauração não somente otimiza o desempenho do sistema o tempo to-do, mas também estende o envelope de operação do sistema baixando avelocidade de fluido crítica para a iniciação da ondulação, e elevando a velo-cidade máxima, ou de desligamento na qual o sistema pode ser seguramen-te operado. Na técnica anterior, tais aperfeiçoamentos não podiam ser im-plementados porque a cascata oscilante e o seu sistema de controle sãointeiramente mecânicos em natureza e devem primeiro ser desligados paraefetuar qualquer ajuste na massa inercial ou força de restauração.

Um aspecto da invenção relativo ao modo de propulsão ou debombeamento das pás em cascata é, em virtude dos módulos de pá inde-pendentemente e externamente controláveis, imprimir uma variedade demovimentos seqüenciais ou simultâneos diferentemente programados paraas pás individuais em dois graus de liberdade para otimizar a ação de pro-pulsão ou de bombeamento. Por exemplo, a cascata pode ser programadapara reproduzir uma ação de natação progressiva ao longo da cascata queteria sido impossível de acordo com a técnica anterior.

Outro aspecto da invenção relativo à propulsão é que uma únicapá pode ser programada para atuar sozinha em um modo de propulsão oude bombeamento, e se esta pá for um membro de uma cascata, os outrosmembros da cascata podem ser acoplados em posições transversais parabloquear outro fluxo de fluido para ajudar no controle do rio ou de enchentes.

As características importantes da invenção, e a sua significativadistinção da técnica anterior, especificamente incluindo as três patentes doDr. Lee Arnold1 foram assim amplamente esboçadas, de modo que a suadescrição detalhada a qual segue possa ser melhor compreendida, e de mo-do que a presente contribuição à técnica possa ser melhor apreciada. Ascaracterísticas adicionais da invenção serão daqui em diante descritas, asquais formarão o assunto das reivindicações anexas a este. Aqueles versa-dos na técnica apreciarão que esta invenção pode ser utilizada como umabase para projetar outros meios para executar os diversos propósitos destainvenção. É portanto importante que as reivindicações desta invenção sejamconsideradas como incluindo tais construções e métodos equivalentes comonão afastando-se do escopo geral da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma cascata de módulosde pá separados, os quais podem ser orientados em qualquer ângulo, mon-tados sobre uma estrutura de suporte rígida 4. Cada módulo de pá estácompreendido de um pá 1, uma barra de suspensão 2, um módulo de con-versão de energia 3A e um módulo de controle 3B.

Figura 2 é uma vista plana, parcialmente em corte, de um módu-lo de controle, que mostra a barra de suspensão de pá 2 estriada para den-tro de um impulsor rotacional 5 que move-se dentro de uma câmara de rota-ção 6, todos contidos dentro de um pistão translacional 7B que move-sedentro de um cilindro 17. Orifícios externos 14, 15, 21 e 22 conduzem o flui-do de trabalho para o e do módulo de controle.Figura 3 é uma vista plana, parcialmente em corte, de um módu-lo de energia, que mostra a barra de suspensão de pá 2 que passa atravésde pistão translacional 7 A que move-se dentro de um cilindro 17. Orifíciosexternos 21 e 22 conduzem o fluido de trabalho para o e do módulo de energia.

Figura 4 é um diagrama esquemático de conexões fluídicas deuma cascata de módulos de energia / controle para os coletores de energiae de controle de largura de cascata.

Figura 5 é um diagrama esquemático de elementos de um sis-tema de energia e de controle fluídico central para a cascata, que mostra aconexão dos coletores em reservatórios de controle translacional e rotacio-nal 28 e 29, e em um reservatório de energia 41.

Figura 6 é um diagrama esquemático de um meio de saída deenergia por meio de que o fluido de trabalho do reservatório de energia 41 éarmazenado sob pressão em um acumulador 32, e alimenta um motor fluídi-co 33 o qual aciona um alternador convencional 34 para suprir energia elétri-ca sincronizada para uma grade de empresa pública.

Figura 7 é uma vista em perspectiva de um módulo de pá, quemostra os detalhes de projeto de pá para reduzir a geração de vórtices.

Figura 7A é uma vista lateral de uma porção de uma pá.

Figuras 7B e 7C são porções fragmentadas do bordo de fuga deuma pá que mostra uma comparação de uma bota flexível ao longo do bordode fuga.

Figura 8 é uma vista em perspectiva de um conjunto em cascataoscilante com dutos de influxo e de descarga projetados para modificar avelocidade e a pressão do fluido para melhorar a eficiência de transferênciade energia total.

Figura 9 é um corte vertical, esquemático, do duto de descargada Figura 8 que mostra uma pluralidade de diretores de fluxo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

A Figura 1 mostra quatro pás verticais 1 cada uma suspensapor, e somente por, uma barra de suspensão 2 de seção transversal circular.As barras 2 projetam-se do fundo de uma série de conjuntos independentesmas idênticos de conjuntos de módulo de energia / controle estacionários 3.Qualquer número par de módulos de energia / controle 3 está montado emuma estrutura de suporte de sistema rígida 4. O peso de cada pá 1 está sus-tentado por seu módulo de energia / controle 3. Cada um dos conjuntos demódulo de energia / controle 3 está compreendido de um módulo de energia3A e um módulo de controle 3B. As barras de suspensão 2 são mantidasrigidamente verticais e paralelas em virtude de passar através de dois rola-mentos verticais, coaxiais carregados pelos módulos de energia 3A e/ou pe-los módulos de controle 3B. As pás 1 podem, as mesmas, estar inteiramentesubmersas, e não ter nenhuma conexão mecânica em nada mais do que asbarras de suspensão 2. As barras 2 estão livres para mover-se transacio-nalmente (de lado a lado) dentro de uma faixa limitada, e estão livres paragirar ao redor de um eixo geométrico vertical, também dentro de uma faixalimitada, mas estão restritas de mover-se em uma direção no sentido de flu-xo (da frente para trás) ou de girar (oscilar) transacionalmente. Conseqüen-temente, as pás 1 estão todas em balanço para permanecerem rigidamenteverticais o tempo todo mas são capazes de mover-se rotacionalmente etransacionalmente por distâncias limitadas. Especificamente, as pás 1 nãopodem mover-se (ou oscilar) em uma direção a jusante como um resultadode forças de arraste de fluido.

A faixa de movimento de pá translacional e rotacional verticalpermitida por esta disposição é resolvível em qualquer posição ou combina-ção de passo e de translação de pá requerida para iniciar e sustentar a on-dulação em uma cascata. As pás í adjacentes estão restritas para um mo-vimento precisamente de antifase pelos módulos de controle 3B, em ambosos movimentos lateral e rotacional (inclinação), para atender as condiçõesnecessárias para ondular em uma cascata. A saída de energia de cada pá 1é transferida por um respectivo módulo de energia 3A, que atua somentesobre o movimento de pá lateral durante o segmento de curso de energia daforma de onda de movimento de pá. As conexões nos módulos de energia /controle 3 são através de transferência de fluido pressurizado (hidráulico oupneumático), ou por um meio elétrico. É uma característica projetada dosconjuntos de módulo de energia / controle que um único conjunto possa serremovido de um sistema de geração de energia operante e substituído semparar ou de outro modo afetar a operação dos conjuntos restantes.

Como mostrado na Figura 2, um módulo de controle 3B provêum meio para induzir simultaneamente um movimento lateral (translação) eum movimento rotativo independente em cada pá 1. Analiticamente, estacombinação de um movimento angular e de eixo geométrico ζ independentepode ser resolvido em qualquer movimento ou posição de pá possível reque-rida para iniciar ou sustentar a ondulação, especificamente, (a) a fase inde-pendente de oscilação de borda de ataque e de fuga, e (b) a imposição dodiferencial externo de forças de restauração de bordo de ataque e de fuga emassas inerciais requeridas para iniciar e sustentar a oscilação. Além disso,em combinação com o módulo de energia 3A anexo, este projeto mecânicoprovê (c) uma rigidez de eixo geométrico x, no sentido de fluxo da cascatade pás (restrição de arraste), e (d) um estrito paralelismo de todas as barrasde suspensão 2 em todas as condições de operação. Finalmente, cada con-junto de módulo de controle / energia 3 provê um suporte vertical de pás 1sem nenhuma interação com nenhum dos eixos geométricos de operação dacascata - translacional ou rotacional. A extremidade superior da barra desuspensão de pá 2 passa através de ambos os módulos de energia e decontrole, e é estriada onde esta passa através do módulo de controle 3B pa-ra permitir a transferência de força rotacional (torque). A barra de suspensãovertical 2 pode ser sustentada por dois rolamentos, um localizado no topo eum no fundo do conjunto de módulo de controle 3B, pelo menos um dosquais é um rolamento de encosto. Conseqüentemente, apesar do própriomódulo de controle 3B permanecer estacionário, cada barra de suspensãode pá 2 pode girar independentemente ao redor de um eixo geométrico ver-tical dentro do módulo, em um grau limitado pelo espaço radial dentro dacâmara de rotação 6.

Rotação: No módulo de controle 3B, a barra de suspensão de páestriada 2 passa através de um impulsor rotacional 5 correspondentementeestriado. O impulsor 5 pode girar ao redor de um eixo geométrico verticaldentro da câmara rotacional 6 localizada dentro de um pistão translacional7B. A rotação do impulsor 5 está limitada por projeto em aproximadamente40 graus pela forma radial da câmara 6. A superfície central do impulsor 5 éimpedida de contactar a parede interna da câmara por uma pequena folga, eé vedada verticalmente por vedações do tipo "anel de pistão" interna e ex-terna 8 e 9. As extremidades superior e inferior do impulsor 5 estão equipa-das com vedações similares (não mostradas neste corte transversal central),de modo que os interiores dos segmentos de câmara possam ser sujeitos apressões de fluido. Os canais de conduto de fluido 10 e 11 estendem-se en-tre as câmaras de rotação 6 e os rebaixos periféricos longitudinais 12 e 13respectivamente, dentro do pistão translacional 7B, conduzindo para orifíciosexternos 14 e 15 que saem do módulo de controle 3B. Uma pressão de flui-do aplicada no orifício 14 portanto resulta em uma rotação negativa (anti-horária) correspondente do impulsor rotacional 5. Similarmente, uma pres-são de fluido aplicada no orifício 15 resulta na rotação do impulsor 5 em umadireção positiva. Os anéis de pistão 16 em ambas as extremidades do pistãotranslacional 7B assegura que as pressões de fluido aplicadas nos orifícios14 e 15 causem eficientemente a rotação do impulsor 5 dentro do pistão 7B,enquanto que o pistão 7B está em um movimento translacional independen-te, dentro de seus limites prescritos de deslocamento longitudinal. Em resu-mo, independentemente da posição ou do movimento do pistão 7B, o impul-sor rotacional 5 imprimirá um torque precisamente controlável (movimentorotacional) à barra 2 e à pá 1, como o resultado de pressões de fluido exter-namente aplicadas, sem nenhuma peça móvel, mangueiras ou conexões móveis.

Translação: O pistão translacional 7B pode mover-se longitudi-nalmente dentro do cilindro 17B com pouca folga do contato real com a pa-rede de cilindro, mas vedado pelos mesmos anéis de pistão 16 que tambémfuncionam para vedar os fluidos que atuam sobre o impulsor rotacional 5.Projetando-se de ambas as extremidades do pistão 7B estão as hastes desuporte de pistão 18B substancialmente redondas, as quais são carregadaspor rolamentos lineares 19, tipicamente do tipo de esfera recirculante, mon-tados em cada extremidade do cilindro 17B. Os comprimentos destas hastesde suporte de pistão 18B e a profundidade dos furos correspondentes nasextremidades de cilindro são governados pelo deslocamento translacionalpretendido do pistão 7B. Além disso, vedações de eixo do tipo de anel depistão 20 asseguram que a pressão de fluido aplicada nos orifícios 21 ou 22no cilindro 17B induzem eficientemente o pistão 7B para mover-se longitudi-nalmente em ambas as direções, novamente sem requerer nenhuma peçamóvel, mangueiras ou conexões móveis com os coletores.

Em resumo, pelo meio acima, e independentemente de suasposições transacional e rotacional, todas as pás 1 na cascata podem sertravadas em um movimento de antifase preciso.

Paralelismo de Pá: Em virtude da barra de suspensão de pá 2passar através de ambos os pistões de módulo de controle e de energia 7Be 7A, mas restrita de todos os movimentos menos o movimento rotacionalpelos rolamentos superior e inferior, e em virtude dos dois conjuntos horizon-tais de hastes de suporte de pistão 18B e 18A correrem dentro de rolamen-tos lineares 19B e 19A, restritos de qualquer movimento de eixo geométricoz angular (oscilação horizontal) e aparente que todas as pás 1 presas nasbarras de suspensão 2 devem permanecer paralelos o tempo todo, e emtodas as condições de movimento lateral e rotacional.

Restrição de Arraste: Similarmente, no plano no sentido de fluxo,as barras de suspensão de pá 2 estão restritas de qualquer movimento deeixo geométrico χ (isto é, oscilar em uma direção a jusante devido ao arrasteda água que flui, ou do ar, que atua sobre a pá 1, o vetor de força do qualvaria de acordo com o ângulo de inclinação instantâneo da pá) em virtudedas barras 2 passarem através tanto do pistão superior 7B quanto do pistãoinferior 7A que estão restritos para alternarem lateralmente.

Forças de Centragem e de Restauração Suplementar: Incorpo-radas nos módulos de energia e controle 3A e 3B estão as molas internas18A e 18B para prover parcialmente ou inteiramente as forças de restaura-ção cíclicas requeridas para sustentar a ondulação, e assegurar que os pis-tões 7Α e 7B permaneçam centrados dentro dos seus respectivos cilindros17A ou 17B enquanto em repouso. Deve ser compreendido que um meio deabsorção de energia / retorno pneumático ou hidráulico pode ser utilizado aoinvés de molas 18A e 18B.

A Figura 3 é uma vista plana de um corte transversal central domódulo de energia 3A. O movimento translacional do pistão 7A é idênticoàquele do pistão 7B do módulo de controle 3B em cada caso o pistão livrebidirecional 7A e 7B que move-se transacionalmente, guiado no seu movi-mento lateral por suas respectivas duas hastes de suporte de pistão 18A e18B carregadas pelos rolamentos lineares 19A e 19B - exceto que ao invésde passar através de um impulsor rotacional central e um cilindro, a barra desuspensão de pá 2 passa somente através de um mancai de barra de filaúnica ou dupla vedado 23 localizado no centro do pistão 7A. A barra de sus-pensão de pá 2 está portanto livre para girar ao redor de um eixo geométricovertical dentro do módulo de energia 3A, mas qualquer movimento transla-cional da pá 1 suspenso e de sua barra de suspensão 2 resulta em um mo-vimento lateral correspondente do pistão 7A. Tal movimento de pistão lateralcausa uma ejeção ou injeção correspondente de fluido de trabalho atravésdos orifícios externos 21 e 22. Qualquer número de módulos de hidrofólioindependentes pode estar conectado em 6 coletores de transferência de e-nergia de fluido comuns 24, 25, 26, 27, 28 e 29, que correm pelo comprimen-to da cascata, e terminam no controlador como mostrado na Figura 5.

A Figura 4 é um diagrama esquemático de conexões fluídicas deuma cascata de qualquer número par de módulos de energia / controle 3 em6 coletores de energia e de controle na largura da cascata. Somente três dosmódulos de pá sucessivos e contíguos estão mostrados na Figura 4, sendosuficiente para ilustrar as respectivas interconexões de qualquer número depás. Como os orifícios externos de cada módulo de pá estão completamenteestacionários o tempo todo, os coletores e as interconexões são todos feitosde tubulações, juntas e conectores de pressão estacionários convencionais.Os orifícios externos dos elementos rotacionais de cada módulo de controle14 e 15 estão conectados no coletor de controle rotacional + 24 e no coletorde controle rotacional - 25 de modo que o sentido dos pares de módulos decontrole interconectados alterna entre os sucessivos módulos de pá contí-guos. Isto é, os orifícios 14 dos pás AeC conectam no coletor 24, assimcomo o orifício 15 do módulo B, e assim por diante, para todas as pás nacascata. Correspondentemente, os orifícios 15 dos módulos AeC conectamno coletor 25, assim como o orifício 14 do módulo B. Estes dois coletores decontrole rotacional 24 e 25 estão efetivamente conectados juntos em suasterminações nos reservatórios hidráulicos pressurizados mostrados no con-trolador mostrado na Figura 5. Conseqüentemente, a interconexão alternadados elementos rotacionais de módulos de controle de pá adjacentes faz comque todo o movimento rotacional de pás 1 adjacentes seja travado junto pre-cisamente em antifase, exatamente como se por uma articulação mecânica.

Correspondentemente, os orifícios 21 e 22 de todos as pás es-tão alternadamente conectados nos coletores de controle translacional deeixo geométrico ζ 26 e 27, assim designados porque o movimento lateraldas pás 1 acontece ao longo do eixo geométrico z, enquanto que o fluido (arou água) que flui para dentro da cascata é definido como movendo na dire-ção +X. Todo o movimento lateral de pás adjacentes está, pela mesma ex-plicação como para o caso rotacional acima, portanto travado junto em anti-fase precisa. Finalmente, o efeito combinado dos sistemas de controle rota-cional e translacional acima, é tal que qualquer movimento de todas as pás 1em uma cascata é compelido ocorrer em uma antifase exata o tempo todo,como requerido pela análise de ondulação do Dr. Arnold, enquanto que aomesmo tempo o conjunto de pás 1 inteiro está livre para mover-se rotacio-nalmente e lateralmente, travado em antifase, mas não de outro modo restri-to. A resultante de qualquer combinação dos movimentos de hidrofólio rota-cional e lateral acima, apropriadamente controlada, pode portanto replicarqualquer movimento ou posição chamada na análise de ondulação de Ar-nold, exatamente como se as pás 1 estivessem restritas por articulaçõesmecânicas superiores e inferiores, alavancas interconectadas e eixos debordo de ataque e de fuga, como descrito nas patentes de Arnold. A diferen-ça é que cada pá 1 é agora fisicamente independente de todas as outraspás, sem nenhuma fixação ou conexão mecânica entre as extremidades depá adjacentes.

A Figura 5 é um diagrama esquemático de elementos de um tipode sistema de energia e controle fluídico central para a cascata.

Travamento de Antifase: O controlador de sistema está ilustradoaqui como dois reservatórios hidráulicos pressurizados 28 e 29 que contémpistões de ação dupla cujas posições centrais correspondem às posições derepouso das pás 1 (as pás estando uniformemente espaçados, e paralelos àdireção de fluxo). As mesmas funções de controle podem também ser obti-das por um controle de lógica programável de microprocessador direto deum conjunto de válvulas proporcionais duplas que conectam cada coletorproporcionalmente a um reservatório de pressão de fluido a um reservatóriode retorno de fluido. Um sensor de posição linear / velocidade 30 sobre cadahaste de pistão provê sinais de retorno de posição e movimento translacionale rotacional de pá. Um sistema de retorno de posição e de movimento maisabrangente inclui sensores localizados em cada módulo de pá, provendoinformações de erro detalhadas específicas para qualquer pá.

Força de Restauração: Para sustentar a ondulação em um fluxode fluido, é necessário prover forças de restauração efetivas enquanto apro-ximando-se e nas posições de deslocamento de pá extremas, as forças pre-cisas variando através de todo o ciclo de operação. Um módulo de força derestauração 41 provê as forças de restauração de final de ciclo necessáriasutilizando uma ou uma combinação de ou molas internas, um volume de arcontrolavelmente compressível, ou uma simulação elétrica de força de mola.Além disso, forças de restauração parciais são providas por molas 18C maisuma compressão de ar pelas hastes de suporte de pistão 18A e 18B.

Massa Inercial: Além das forças de restauração periódicas aci-ma, para sustentar a ondulação é também necessário prover uma quantida-de precisa de massa inercial adicional à massa oscilante das próprias pás. Omódulo de massa inercial 42 (Figura 5) impõe uma massa adicional contro-lável sobre as pás 1 através da conexão de fluido de trabalho, que controla aquantidade de massa inercial adicionada ou por controle proporcional dofluido de trabalho (alavanca hidráulica) acoplado em uma massa física, ouatravés de simulação elétrica das forças idênticas.

Partida: Uma válvula de controle de fluxo variável de uso geraleletricamente atuada 31 conectada no acumulador hidráulico de alta pressão32 (Figura 5) e no coletor de retorno hidráulico permite a imposição externa(do reservatório de armazenamento de energia de fluido) de um pulso derotação e de translação inicial pré-programado para as pás 1, para iniciar asoscilações no ar ou água que flui.

Controle e Otimização de Oscilação: A aplicação de forças derestauração diferenciais e massas inerciais suplementares nos bordos deataque e de fuga dos pás 1 é crítica tanto para o início quanto para a manu-tenção da oscilação. O retorno de posição rotacional e lateral de pá, a fre-qüência, a velocidade de água ou de ar de influxo instantânea e a carga ex-terna e outras informações, provêem as entradas para um controlador delógica programável o qual, sujeito a um algoritmo de operação pré-programado, controla a adição instantânea das forças de restauração e damassa inercial necessárias para as pás 1.

Deve ser notado que a ondulação, uma vez iniciada, é um fenô-meno de ressonância auto-sustentável provido que as condições apropria-das de energia de entrada (fluxo de água ou de ar), carga de saída (amorte-cimento), e forças e massas de restauração diferenciais, sejam todas manti-das. Tais ajustes de controle são continuamente e instantaneamente feitospelo sistema de controle para compensar as mudanças contínuas das condi-ções de operação acima.

Desligamento: Programando externamente um retorno forçadopara a posição de repouso de pá, a cascata inteira ou uma única pá podeser desligada instantaneamente por razões de emergência ou de manuten-ção. Pela introdução de válvulas de múltiplos canais nas interconexões decoletor para pá, os módulos de pá individuais podem ser desconectados esubstituídos sem parar a cascata inteira.

Manutenção de Pressão de Fluido de Trabalho: Um meio demanutenção de pressão de laço de fluido de trabalho secundário está incluí-do no sistema de controle mas não mostrado ou detalhado, sendo uma tec-nologia de projeto hidráulico padrão.

A Figura 6 é um diagrama esquemático de um meio de saída deenergia elétrica representativo interconectado em empresa pública, que des-creve um de um número de meios alternativos para fornecer energia da cas-cata para uma carga externa.

O fluido de trabalho do reservatório de energia 43 é armazenadosob pressão em um acumulador 32, para então alimentar um motor fluídico33 o qual aciona um alternador síncrono convencional 34 para suprir energiaelétrica sincronizada em freqüência e em fase para uma grade de empresapública. Nesta ilustração, o fluido de trabalho periodicamente deslocado sobpressão pelos módulos de energia 3A durante a ondulação controlada, efornecido através dos coletores de energia 39 e 40, é injetado através deválvulas de retenção no reservatório 43. Um motor hidráulico rotativo 33 épor sua vez acionado pela pressão hidráulica retirada do acumulador 32 a-través de uma válvula de suprimento de fluxo proporcional governada 37.

O motor hidráulico 33 aciona diretamente um alternador síncronosem escovas trifásico 34 o qual está interconectado, através de um chavea-mento de estado sólido 38 apropriado e uma linha de proteção elétrica ade-quada, em uma grade de empresa pública. O fechamento do equipamentode comutação de saída de energia é controlado por um sincroscópio 35 demodo que o alternador totalmente sincronizado 34 seja conectado na gradeconforme o alternador 34 e a grade passam através de um ponto de volta-gem zero. A válvula de suprimento de fluxo é governada pela freqüência doalternador e a corrente de saída, uma vez que a sincronização ocorreu, paradesenvolver a saída de energia máxima com determinado pelas condiçõesde fluxo de água ou de ar, a capacidade do gerador e a temperatura.

A Figura 7 é uma vista em perspectiva de um único módulo depá, que mostra os detalhes de projeto de pá para reduzir a geração de vórti-ce: (a) o arredondamento da extremidades de bordo de ataque de pá 61 estámostrado nas Figuras 7 e 7A, (b) a adição de aletas 63 nas extremidades debordo de fuga de pá 65, (c) a inclusão de botas flexíveis deformáveis 67 estámostrada nas Figuras 7B e 7C ao longo dos bordos de ataque e de fuga, ograu de deformação governado pelo ângulo de inclinação instantâneo (atra-vés do controlador central). A deformação longitudinal da bota flexível 67 éatuada por pressão fluídica fornecida através da barra de suspensão de pá2. Direcionada para dentro de um de dois vazios apropriadamente formadosdentro da bota 67, a pressão fluídica faz com que a cauda da bota torça lon-gitudinalmente da posição de repouso central respectivamente para a es-querda ou a direita do eixo geométrico de fluxo. Conseqüentemente, emgrandes ângulos de inclinação, a borda da pá 1 não mais apresenta a bordaaguda (da técnica anterior) que gera um fluxo de vórtice a jusante substanci-al. Somente a bota de bordo de fuga 67 está ilustrada nas Figuras 7B e 7C,mas a bota deformável pode, do mesmo modo, também ser aplicada no bor-do de ataque da pá 1.

As aletas finas, planas e lisas 63, uma em cada extremidade dapá 1, assim como os cantos arredondados como mostrado, também servempara minimizar a geração de vórtice, por meio disto reduzindo o arraste efe-tivo e aumentando a eficiência. O projeto preciso da forma da aleta 63 é go-vernado por análise aerodinâmica específica da geometria da pá.

A Figura 8 é uma vista em perspectiva de um conjunto em cas-cata oscilante completo, genericamente indicado pelo número 68, providocom um duto de influxo 70 e um duto de descarga 72 projetado para modifi-car a velocidade e a pressão de fluido para melhorar a eficiência de transfe-rência de energia total. Os perfis das vistas plana e em elevação dos dutospodem diferir, de acordo com a análise aerodinâmica específica das caracte-rísticas e da geometria da cascata que deve estar localizada na junção 74entre os dutos de influxo e de descarga. Direcionadores de fluxo transversais76 estão mostrados na Figura 9 inseridos no, ou formados com o, duto dedescarga 72 como um meio de diminuir a contrapressão líquida na junção74.

É um aspecto chave desta invenção que o projeto e a funçãodos canais ou dutos de influxo e de descarga formam uma parte integradado projeto da cascata oscilante e das pás 1, para qualquer caso ou aplicaçãoespecífico da invenção. Uma pá ou pás equidistantes dos lados opostos deum fluxo de fluido delimitado atuam como uma cascata infinita. Apesar dacascata de pás acima descrita e ilustrada na Figura 1 estar posicionada den-tro de um envoltório completamente limitado ilustrado na Figura 8, está tam-bém dentro do escopo desta invenção utilizar uma tal cascata ou pá em umambiente ilimitado sujeito a limites Betz.

Os conceitos essenciais aqui ilustrados como implementadosutilizando um meio de transferência de energia de fluido (hidráulico) podetambém ser implementado por um meio pneumático ou elétrico, ou por umacombinação de um meio fluido e elétrico.

Um objetivo primário destes aperfeiçoamentos é de eliminar to-dos os mecanismos fisicamente presos nas extremidades das pás paraprender as pás adjacentes juntos.

Tendo assim descrito a invenção e os seus aperfeiçoamentoscom referência específica às suas formas preferidas, será óbvio para aque-les versados na técnica à qual a invenção pertence, após a compreensão dainvenção, que várias mudanças e modificações podem ser feitas na mesmasem afastar-se do escopo da invenção como definido pelas reivindicaçõesanexas a este.

Claims (14)

1. Método para converter a energia cinética de um fluxo de fluidoem trabalho útil, o dito método compreendendo as etapas de posicionar umarede paralela de pás dentro do dito fluxo de fluido, montar as ditas pás parater pelo menos dois graus de liberdade, e fazer com que o dito fluxo de fluidomova-se através da rede de aerofólios para fazer com que as ditas pás so-fram oscilações de ondulação, o aperfeiçoamento compreendendo montarcada aerofólio por uma barra de suspensão individual em modo em balanço,e manter todas as ditas barras de suspensão paralelas umas às outras.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, ainda incluindo aetapa de manter a verticalidade e o paralelismo das ditas pás é conseguidapor um meio de montagem para prover um movimento rotacional e transla-cional enquanto mantendo rigidamente as ditas pás verticais e paralelas poruma suspensão de dois pontos de cada aerofólio.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, em que as ditas ae-rofólios estão conectadas através das ditas barras de suspensão em um a-tuador hidráulico através do qual o posicionamento instantâneo das ditas pásem translação e inclinação é governado por um controlador externo paraassegurar um preciso movimento de antifase de aerofólios adjacentes, etransferir a saída de energia que resulta das pás oscilando em ondulaçãopara um acumulador.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, que inclui a etapa detransferir o movimento das ditas pás para acionar um atuador hidráulico paratransferir a energia das ditas pás para o dito acumulador.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, que inclui a etapa deprover um controle fluídico para transferir a dita energia do dito atuador hi-dráulico para o dito acumulador.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, que inclui as etapasde converter a dita energia em energia elétrica.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, que inclui as etapasde controlar a dita rede de pás pela provisão de forças de restauração cícli-cas e massa inercial para iniciar e sustentar a ondulação das ditas pás.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, que inclui as etapasde melhorar a velocidade de fluxo de fluido antes de passar através da ditarede de aerofólios, e reduzir a contrapressão sobre as ditas aerofólios apósa passagem do dito fluido através da dita rede de aerofólios.

9. Aparelho para converter a energia cinética de um fluxo de flui-do em trabalho útil, o dito aparelho compreendendo uma rede de aerofóliosposicionáveis dentro de um fluxo de fluido, um meio para montar as ditaspás para acomodar pelo menos dois graus de liberdade, um meio para cau-sar a passagem do dito fluxo de fluido além da rede de aerofólios por meiode que as ditas pás sofrem oscilações de ondulação, uma pluralidade debarras de suspensão, e cada aerofólio sendo montado sobre uma barra desuspensão individual na forma de um balanço, e um meio para manter todasas ditas barras de suspensão paralelas umas às outras.

10. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, que inclui umabota flexível presa na dita pá e que estende-se ao longo de um seu bordo defuga, a dita bota sendo deformável pela pressão criada pelo dito fluxo defluido.

11. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, em que cada ditapá é auto-sustentável e livre de aerofólios adjacentes para minimizar a gera-ção de arraste e de vórtice.

12. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, ainda incluindoum meio de montagem para suportar as aerofólios individuais para formarmódulos integrados, prontamente destacáveis e desconectáveis, e em quecada módulo é removível e substituível sem parar a operação de um aerofó-lio adjacente.

13. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, ainda incluindoum atuador de fluido de múltiplos eixos geométricos e um módulo de bombaintegrados que compreendem um atuador rotativo de controle de inclinaçãobidirecional posicionado dentro de um atuador linear bidirecional e bomba,de modo que o movimento da dita pá ou aerofólios conectadas no dito mó-dulo de atuador e bomba por uma respectiva das ditas barras de suspensãoprovenha um movimento independente e simultâneo em ambos os eixos ge-ométricos lateral e rotacional.

14. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, em que as ditaspás incluem porções de extremidade arredondas em um bordo de ataquepara minimizar o arraste, um meio de aleta formado nas extremidade dasditas pás; e um meio de bota deformável, flexível ao longo pelo menos deum bordo de fuga para alterar a sua curvatura em ângulos de inclinação deaerofólio extremos.