BRPI0711206A2 - método e dispositivo para a produção de energia mecánica por meio de uma chaminé divergente, telescópica e auto-suportada - Google Patents

Abstract

MéTODO E DISPOSITIVO PARA A PRODUçãO DE ENERGIA MECáNICA POR MEIO DE UMA CHAMINé DIVERGENTE, TELESCóPICA E AUTO-SUPORTADA. Onde são revelados uma chaminé telescópica e método para a geração de energia mecânica usando ar direcionado por uma turbina. Cones truncados guardados e alojados em conjunto têm movimento telescópico de intertravamento quando prolongados entre suas extremidades para formarem um formato cónico divergente para cima. Um defletor de saída de ar na saída da chaminé direciona o fluxo de ar de saída para baixo, sendo opcionalmente dividido em seis vãos radiais iguais, de maneira que o fluxo de ar possa variar através de cada veneziana controlada por computador de maneira a compensar as forças do vento. Um cabo axial levanta e abaixa os cones truncados. O método de colocação da chaminé inclui as etapas de fechamento das venezianas; o preenchimento dos cones truncados com ar aquecido; o controle do levantamento dos cones truncados com o cabo; e, a abertura das venezianas. Um método para o fechamento da chaminé inclui as etapas de tracionamento do cabo para que seja exercida uma força descendente nos cones truncados.

Description

MÉTODO E DISPOSITIVO PARA A PRODUÇÃODE ENERGIA MECÂNICA POR MEIO DE UMA CHAMINÉDIVERGENTE, TELESCÓPICA E AUTO-SUPORTADA.

Campo da Invenção.

A presente invenção se refere a um dispositivo para aprodução de energia mecânica por meio de uma chaminé divergente,telescópica e auto-suportada, feita de materiais compostos. As paredesinclinadas da chaminé são formadas para serem mais largas na direção dotopo, exercendo no fluxo de ar interno, um empuxo bem acima da forçaascensional, levando a turbina a velocidades próximas a 100 m/s. A baixapressão do ar na chaminé permite o autolevantamento de todo o dispositivo.

Estado da técnica.

É conhecido o princípio da geração de eletricidade apartir do ar quente próximo ao solo, direcionado para uma chaminé e ejetadoa uma altitude e, em particular, foi o assunto da pesquisa na Espanha e naAustrália (programa da torre solar). Uma torre experimental com 195 m dealtura foi montada em Manzanares, sul de Madrid, funcionando para aprodução de uma potência média de 50 kW entre 1986 e 1989 com taxa deconfiabilidade de 95%.

O processo usado consiste de fazer o ar passar por umachaminé de concreto pré-tensionado com seção reta, e coletar, por meio deuma turbina acoplada a um alternador, parte da energia do fluxo de ar internoperpetuamente posto em movimento pela força ascensional, resultando emuma diferença entre a densidade do ar localizado fora e a do ar mais quente emais leve canalizado no interior.

O projeto australiano foi acompanhado por alguns anosdepois por uma torre com 1000 m de altura, que tinha sua quota dedificuldades técnicas, em particular com respeito às restrições de construçãoem termos de grande altura e quanto às exigências sísmicas, assim como aocusto bastante significativo de cerca de 500 a 750 milhões de dólares norte-americanos.

Desde então se originaram outras invenções similaresem todo o mundo, mas implementaram somente o aspecto de forçaascensional e apresentaram a principal desvantagem de exigir uma estruturade grande custo para que fosse obtida a altura necessária e suficiente para essaoperação, que pode ser estimada entre 200 a 1000 metros.

Objetivos da Invenção.

As vantagens proporcionadas por esta invenção,comparadas com as técnicas conhecidas para a recuperação da forçaascensional que é exercida no ar quente que passa pela chaminé, são asseguintes:

1) O empuxo exercido pelas paredes inclinadas no fluxode ar quente interno é mais do que 1000 vezes maior que a força ascensionalno mesmo fluxo de ar que se move para cima na chaminé. Isto resulta emvelocidades do ar de mais de 100 m/s no nível da turbina instalada napassagem, antes da entrada da chaminé, que ultrapassa bastante o resultadodos experimentos amplamente realizados anteriormente usando somente forçaascensional, que registraram velocidades de cerca de 15 m/s. A eficiênciaenergética é assim aumentada em dez vezes.

2) A chaminé é auto-sustentada no ar e não exige umaestrutura cara de concreto ou de qualquer outro material para ficar em pé,podendo ser facilmente localizada em qualquer lugar, incluindo acima do mar(com a condição de ser protegida contra as ondas do mar) ou em zonasísmica. Essa vantagem resulta da depressão permanente que existe nointerior da chaminé em qualquer nível, da passagem localizada na turbina atéa saída do ar no ponto mais alto. Como resultado dessa diferença de pressões,que o ar externo exerce nas paredes inclinadas da chaminé, é adicionado aopeso da estrutura da chaminé um empuxo para cima suficientemente fortepara compensar o empuxo para baixo do fluxo de ar interno do ar que semove para cima. A diferença de pressão gera um empuxo para cima maisforte do que o peso da chaminé adicionado ao empuxo para baixo do ar que semove para cima contra as paredes da chaminé.

3) A pressão mais baixa de ar, que prevalece dentro dachaminé em qualquer altitude, é o resultado da energia que atua sobre o fluxode ar quando este atravessa a turbina na passagem e da aceleração do arcanalizado na chaminé pelo duto de admissão com a forma convergente.

4) A chaminé é telescópica, permitindo sua montagemno solo, sem o trabalho custoso em grandes alturas, assim como sua instalaçãoa partir do solo e sua capacidade de se compactar a partir do solo, emparticular para manutenção ou durante o mau tempo.

Para melhor compreensão da presente Invenção, é feitaem seguida uma descrição detalhada da mesma, fazendo-se referências aosdesenhos anexos, onde a:

FIGURA 1 é uma vista em corte do dispositivo;

FIGURA 2 é uma perspective do dispositivo montado;

FIGURA 3 é uma perspective de um elementotelescópico;

FIGURA 4 é um detalhe ampliado da união entre doiselementos telescópicos;

FIGURA 5 é um detalhe ampliado de dois elementostelescópicos contidos um no outro; e a

FIGURA 6 é uma vista superior da parte inferior de umdefletor.

Descrição detalhada da invenção.

A presente invenção compreende uma chaminéextremamente leve, feita principalmente de materiais compostos (fibra devidro, de carbono ou de outros materiais, resistentes aos raios solares), quepode flutuar no ar e produzir uma vazão útil de algumas centenas de mega-watts (ver as Figuras 1 e 2).

O uso desses materiais confere uma grande leveza erigidez suficiente à chaminé, permitindo que preserve sua forma, apesar dosefeitos de seu próprio peso e das cargas aerodinâmicas presentes.

A Fig.l ilustra o corpo da chaminé (3) que é telescópicoe composto por cones truncados (4) unidos pelas extremidades quandooperando em estado contínuo. O mais alto elemento da chaminé (3) é umdefletor para a saída, que tem o formato de um meio toro aberto para baixo(9). A chaminé é, portanto formada por:

Uma seção divergente cujo ângulo varia entre 1 a 5graus com relação a seu eixo central,

- Uma altura (6) de várias centenas de metros e umdiâmetro (13) de algumas dezenas de metros.

Os elementos telescópicos da chaminé estão submetidosà pressão da atmosfera externa, maior que a do ar interno. Como mostrado naFIG. 3, os elementos telescópicos são reforçados por uma roda fixa horizontalde materiais compostos (15) instalados em suas extremidades superiores. Aroda fixa horizontal é pré-tensionada como uma roda de bicicleta, e uma oumais rodas intermediárias do mesmo tipo, verticalmente móveis (16), parareforçarem a seção corrente de cada elemento (4). As rodas intermediárias semovem verticalmente para baixo em um alojamento existente para essepropósito durante a instalação, e que se move para cima abaixo da roda fixadurante o intertravamento dos elementos telescópicos, que ocorre durante acompactação da chaminé (ver Figura 5).

Como mostrado na FIG. 5, a saída do defletor (9) é unidaao ultimo elemento por meio de seis paredes verticais (20) para transmitir aoenvoltório periférico da chaminé, a força exercida pelo fluido em movimentona saída do defletor. As paredes verticais (20) estão dispostas em seis vãosradiais para guiar o fluxo de ar para a saída, de maneira a minimizar a perdade carga. Seis venezianas elétricas internas (10) que deslizam de cima parabaixo para abrir e fechar cada saída de ar com boa vedação. As seis saídas dear também regulam a direção do fluxo de ar, de maneira a guiar a posição docabeçote da chaminé de acordo com o vento lateral, ao qual a chaminé estásubmetida em toda sua altura.

Sob o efeito de forças aerodinâmicas, incluindo oempuxo para cima exercido na saída do defletor (9), os elementostelescópicos da chaminé são mantidos sob tensão vertical. A tensão vertical ésustentada pelas paredes periféricas da chaminé. Como mostrado na FIG.2, éposicionado verticalmente um cabo não esticado (14) ao longo do eixo dachaminé a partir do último elemento até o solo, onde pode ser tracionado porum guincho (não representado). Este cabo (14) inclui colares de empuxo, umno nível de cada roda fixa, que são fixados contra um diafragma ligado a cadaroda para tracionar para baixo cada elemento telescópico. Este cabo é operadopara implementar a força para baixo no elemento mais próximo ao solodurante as fases de colocação e de compactação.

O duto de admissão (1), como mostrado na FIG.l, temuma seção convergente geral. É limitada por duas superfícies 3D superpostas(11) e (12), geradas pela rotação de um quadrante à volta do eixo da chaminé.A superfície inferior (12) é reforçada no nível central, por estar submetida aoempuxo do ar que entra no duto de admissão; o fluxo de ar primeiro segueuma direção radial na direção do eixo da chaminé, mudando depois para umadireção ascendente paralela ao eixo da chaminé.

A superfície superior (11) é fixada na superfície inferiorpor meio de seis paredes verticais dispostas radialmente e tambémdistribuídas. As seis paredes verticais têm a função dupla de unir assuperfícies inferior e superior, e canalizar o ar na direção da passagem dachaminé, para reduzir ao máximo a possível perda de carga.

A energia mecânica é coletada por meio de uma turbina(2). A turbina é disposta horizontalmente no nível da passagem que separa oduto de admissão (1) do corpo da chaminé (3). Essa disposição coleta energiaonde a velocidade do ar é maior, o que maximiza a vazão.

Com referência às figuras, os números correspondemaos componentes como a seguir:

1. Duto de admissão.

2. Turbina.

3. Chaminé divergente.

4. Elemento telescópico feito de materiais compostos, com 0,2 a 2 cm de espessura.

5. Ângulo de Io a 5o

6. Altura entre 200 a 1.500 m.

7. Ar quente.

8. Ar resfriado.

9. Defletor com formato de meio toro, aberto na face inferior.

10. Venezianas deslizantes motorizadas.

11. Superfície 3D superior do duto de admissão.

12. Superfície 3D inferior do duto convergente de admissão fixa ao solo.

13. Diâmetros entre 10 a 50 m.

14. Cabo de tração dos elementos telescópicos.

15. Roda fixa, feita com materiais compostos ligados ao (17) abaixo.

16. Roda intermediária feita de materiais compostos.

17. Fixação externa entre dois elementos.

18. Fixação interna entre dois elementos.

19. Altura de um elemento telescópico entre 10 e 20 m.

20. Paredes verticais do duto de saída.

Método de Operação:

Quando o movimento do ar interior da chaminé alcançao estado constante, a aceleração do ar no duto de admissão de formaconvergente, e de sua passagem pela turbina, cria baixa pressão na chaminécomparada à do ar exterior. Essa diferença de pressões entre a pressão do ardo exterior e do ar do interior exerce em todo o perímetro das paredesinclinadas da chaminé da chaminé, um empuxo ascendente que permite olevantamento da chaminé, devido ao fato de consistir de materiais leves,tornados rígidos por meio de materiais compostos.Colocação:

O processo de levantamento da chaminé é o seguinte:todos os elementos são colocados no solo, inserindo um elemento dentro dooutro (FIG.5). O último elemento, encimado pelo defletor, inclui todos osdemais. Como mostrado na FIG.5, o ultimo elemento, que é o elementosuperior, aloja todos os elementos quando o dispositivo é compactado.

O último elemento que sobrepõe o defletor é preenchidocom ar aquecido que não pode escapar porque, no início, as venezianasdeslizantes são mantidas em posição superior (fig. 5) garantindo umfechamento com vedação.

Devido à diferença de densidade entre o ar externo e o arquente dentro do último elemento, a chaminé é submetida a uma forçaascensional, como a de um balão de ar quente, e adquire um movimentoascendente. Quando o elemento superior tiver se levantado suficientemente,fixa-se ao longo da borda superior do elemento inferior a seguir (FIG.4), umaunião veda a junção entre os dois elementos, a força ascensional ergue os doiselementos em conjunto e em seqüencia, até que todos os elementos tenhamsido erguidos. O primeiro elemento permanece fixo no nível da passagem, demaneira a garantir que a chaminé esteja vedada, o que é de importânciaprimária, para manter a pressão do ar inferior dentro da chaminé e paragarantir seu levantamento.

Quando todos os elementos tiverem sido levantados noar, as venezianas deslizantes (10) do último elemento telescópico, sob odefletor de saída (9) são completamente abertas para deixar escapar o ar. O arquente (8) contido na chaminé escapa pela parte superior, permitindo assim otrânsito do ar quente (7) do solo pela chaminé.

Estado contínuo:

O ar localizador próximo ao solo é canalizado no dutode admissão (1) dividido em seis vãos radiais iguais para reduzir a perda decarga na entrada, sendo guiado em movimento radial na direção de ummovimento ascensional vertical.

O ar aciona uma turbina (2) colocada horizontalmenteno nível da passagem da chaminé na saída do duto de admissão.

Na saída da chaminé, o ar (8) é canalizado no defletorcom formato de meio toro aberto em sua face inferior, dividido em seis vãosiguais. A divisão em seis vãos direciona o ar para a saída com perda de cargamínima. O formato do defletor em um meio toro aberto embaixo (9) direcionao ar para baixo, proporcionando assim o empuxo necessário para travar toda aestrutura em um só conjunto.

O fluxo de ar de saída é ajustado de acordo com asdireções de cada um dos seis vãos por meio de venezianas deslizantes (10)atuadas por um motor elétrico. Assim, a direção do fluxo de ar na saída éajustável como necessário para a criação de um empuxo horizontal no topo dachaminé, necessário para compensar as forças de vento exercidas em toda aaltura da chaminé. A direção do fluxo de ar de saída é controlada a partir dosolo por um computador.

Este dispositivo deve ser instalado em uma área quentepara evitar o risco de depósitos de gelo. Os depósitos de gelo aumentam opeso da estrutura, prejudicando sua estabilidade aerodinâmica.

A velocidade do ar de admissão e a potência retida pelaturbina são controladas de maneira a preservar uma temperatura positiva (emgraus Celsius) para evitar qualquer risco de depósitos de gelo dentro daestrutura.

Compactação:

Para a operação de manutenção ou durante a ocorrênciade mau tempo, os elementos telescópicos (4) são levados de volta ao solo, pormeio do cabo (14) do material composto, que é posicionado ao longo do eixoda chaminé. O cabo, conectado a cada roda fixa (15) por um dispositivo dotipo colar de empuxo contra um diafragma, exerce tração somente noelemento telescópico mais perto do solo. Os elementos mais altos, até a saídado defletor são mantidos sob tração por meio da descida por suas paredesperiféricas.

Quando cada elemento toca o solo, o dispositivo abre odiafragma, que libera o colar de empuxo e permite que o cabo continue emsua descida. Nesse estágio, o diafragma do elemento mais alto é colocado sobtração e puxado para baixo, desligando-o do elemento no solo ao qual estavafixo. E assim por diante até o último elemento.

Isto mantém a estrutura sob tração em toda a suadescida, pelo fato de que o ar é guiado para baixo no nível da saída dodefletor, interrompendo o controle do processo de compactação a qualquermomento.

Durante essa fase, é mantida a velocidade do ar deadmissão na chaminé pela turbina, o que proporciona a energia necessáriapara o fluxo de ar, de maneira a garantir a segurança da operação decompactação.

Aplicações industriais.

A presente invenção produz eletricidade a partir de umafonte de energia totalmente renovável, sem a produção de qualquer rejeitoindustrial ou qualquer efeito estufa.

E particularmente adaptada a áreas quentes do mundo,longe dos riscos de congelamento. Pode funcionar sem interrupções com ummínimo de intervenção humana relacionada com seu monitoramento e com asdelicadas operações de colocação e compactação.

Pode ser instalada em qualquer local, somente com ainfraestrutura necessária para a instalação do duto de admissão, que precisa deuma área circular no solo cujo raio meça entre 45 e 100 metros. Pode serinstalada no mar se for protegida contra as ondas. Nesse caso, pode seracoplada a uma usina de hidrogênio para a hidrólise da água do mar.

A presente invenção é equipada, por exemplo, de umachaminé com 500 m de altura e 15 m de raio na passagem, podendo produzirentre 200 e 400 MW sob demanda. É, portanto possível com este meio ajustaro nível de produção ao de consumo, complementando a produção deeletricidade em larga escala.

Claims (6)

1.) DISPOSITIVO PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA MECÂNICAPOR MEIO DE UMA CHAMINÉ DIVERGENTE, TELESCÓPICA EAUTO-SUPORTADA, caracterizado por um duto de admissão convergentefixado ao solo (1), uma turbina (2) uma chaminé auto-suportada de grandealtura (6) com um formato divergente (5) e, finalmente, um defletor de saída,conduzindo o fluxo de ar para baixo (9), o dispositivo gerando uma aspiraçãodo ar quente localizado próximo ao solo (7) que é colocado em movimentosob o efeito da força ascensional e o empuxo aerodinâmico gerado pelasparedes inclinadas; o ar em trânsito aciona uma turbina quando circula napassagem, gerando assim energia mecânica, e caracterizado pelo fato de que asaída do defletor impulsiona o ar (8) para baixo na saída, permitindo tracionartoda a estrutura da chaminé e onde a velocidade de levantamento é controladapor meio de um cabo (14) esticado entre um guincho fixo no nível do solo eao diafragma (22) de cada elemento quando sai do solo, por um dispositivocomo um colar de empuxo (21) contra o diafragma de maneira que toda aestrutura é mantida tracionada e em segurança, garantida durante as fases decolocação e compactação.

2.) DISPOSITIVO PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA MECÂNICAPOR MEIO DE UMA CHAMINÉ DIVERGENTE, TELESCÓPICA EAUTO-SUPORTADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de ser feito com materiais muito leves e resistentes como fibra de vidro,de carbono ou composta.

3.) DISPOSITIVO PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA MECÂNICAPOR MEIO DE UMA CHAMINÉ DIVERGENTE, TELESCÓPICA EAUTO-SUPORTADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de ser mantida de forma permanente uma depressão do ar dentro dachaminé, permitindo que seja auto-suportada sob o efeito das cargasaerodinâmicas envolvidas.

4.) DISPOSITIVO PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA MECÂNICAPOR MEIO DE UMA CHAMINÉ DIVERGENTE, TELESCÓPICA EAUTO-SUPORTADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de compreender no nível da saída do defletor seis venezianas corrediças(10) para aumentar ou reduzir o ímpeto do fluxo de ar de saída de acordo coma direção desejada e onde as referidas venezianas são controladas a partir dosolo, permitindo assim o controle da posição da parte superior da chaminésubmetida ao efeito do vento em toda sua altura, sendo mantidas fechadasdurante o processo de colocação, de maneira a aprisionar o ar quente dentroda chaminé, até que a colocação esteja terminada.

5.) DISPOSITIVO PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA MECÂNICAPOR MEIO DE UMA CHAMINÉ DIVERGENTE, TELESCÓPICA EAUTO-SUPORTADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de ser composto de elementos com a forma de cone truncado (4), osreferidos elementos sendo alojados um no outro de maneira telescópica emantidos interdependentes, para garantir a colocação e a compactaçãoconveniente e segura, em particular para manutenção ou durante o mautempo.

6.) MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA MECÂNICA,realizado com o dispositivo descrito nas reivindicações de 1 a 6, caracterizadopelo fato de que elementos telescópicos são controlados e, em seqüenciaprecisa, colocados e compactados, e onde:a) Durante a colocação, o elemento superior, cujas venezianas de fechamento(10) são mantidas fechadas, é preenchido com ar aquecido e começa a seelevar, arrastando consigo, um a um, os elementos que o acompanham em suaelevação, sendo a velocidade de elevação controlada por meio de um cabo(14) esticado entre um guincho fixo no nível do solo e o diafragma (22) decada elemento quando deixa o solo, por meio de um dispositivo como umcolar de empuxo (21) contra um diafragma, caso em que toda a estrutura émantida sob tração e a segurança sendo garantida durante a fase de colocaçãoe onde na chegada ao batente final, as venezianas corrediças (10) são abertaspara deixarem escapar o ar quente (8), iniciando assim o movimento do ar (7)na chaminé; eb) Durante a compactação, o segundo elemento iniciando a partir do solo épuxado para baixo pelo cabo axial, começa a descer até o solo, arrastandoconsigo todos os elementos a si anexados em sua descida, e caracterizado pelofato de que quando toca o solo, um dispositivo destrava o diafragma,permitindo que o cabo continue em sua descida e puxando para baixo oelemento a seguir, que envolve por sua vez em sua trajetória todos oselementos a si anexados, e assim por diante, até que o último elemento toqueo solo, permitindo assim a compactação da chaminé com toda segurança.