BRPI0803419A2 - plant for electricity generation and / or desalination by current hydraulic turbines - Google Patents

plant for electricity generation and / or desalination by current hydraulic turbines Download PDF

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BRPI0803419A2
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Costa Paulo Roberto Da
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Seahorse Wave Energy En Das On
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Abstract

A inovação proposta descreve uma planta para a produção de eletricidade ei ou dessalinização, utilizando turbinas submersas e demais equipamentos. Nas operações de dessalinização, a planta não utiliza eletricidade. A planta pode operar em rios ou no oceano. Tanto nos rios como no oceano, a planta pode operar com as turbinas fixadas no leito ou presas em uma estrutura flutuante e ancorada. Nos rios os equipamentos de geração de eletricidade ei ou dessalinização são instalados em uma das margens. No oceano, esses equipamentos são instalados acima do nível d'água, em uma plataforma que é fixa no fundo do mar, para profundidades do oceano até 50 metros. Para profundidades do oceano superiores a 50 metros, esses equipamentos são instalados em uma plataforma semi-submersível ancorada no fundo do mar. Nessas duas configurações as turbinas podem ser fixadas em uma outra estrutura flutuante, também ancorada no fundo do mar. Em todas as modalidades de instalação da planta, as turbinas são interconectadas aos equipamentos de produção de eletricidade e/ ou dessalinização, através de uma tubulação rígida ou flexível. A planta pode ser instalada para operação em três modalidades: 1-Geração de eletricidade. 2-Dessalinização. 3-Geração de eletricidade e Dessalinização.The proposed innovation describes a plant for the production of electricity and desalination using submerged turbines and other equipment. In desalination operations, the plant does not use electricity. The plant can operate in rivers or in the ocean. In both rivers and the ocean, the plant can operate with turbines fixed to the bed or attached to a floating and anchored structure. In rivers, electricity generation and desalination equipment are installed on one of the banks. In the ocean, this equipment is installed above water level on a platform that is fixed at the bottom of the sea to ocean depths of up to 50 meters. For ocean depths greater than 50 meters, this equipment is installed on a semi-submersible platform anchored to the seabed. In these two configurations the turbines can be attached to another floating structure, also anchored to the seabed. In all plant installation modalities, turbines are interconnected to electricity generation and / or desalination equipment through rigid or flexible piping. The plant can be installed for operation in three modes: 1-Electricity generation. 2-Desalination. 3-Electricity Generation and Desalination.

Description

PLANTA PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE E/OU DESSALINIZAÇÃOPOR TURBINAS HIDRÁULICAS DE CORRENTEPLANT FOR GENERATION OF ELECTRICITY AND / OR DESALINIZATION BY CURRENT HYDRAULIC TURBINES

Campo TécnicoTechnical Field

A invenção ora proposta trata de uma planta contendo turbinassubmersas do tipo hidrocinéticas, para geração de eletricidade e/ oudessalinização de água por osmose reversa, pela energia proveniente da açãodas correntes marinhas, das marés e dos rios. Nas operações dedessalinização, a planta não utiliza eletricidade. A planta pode ser comutativapodendo operar tanto para a dessalinização como para a geração deeletricidade. A planta é composta basicamente por três sistemas principais:turbinas submersas de bombeamento, sistema externo de alta pressão, grupode geração de eletricidade e/ou sistema de dessalinização. Cada turbinasubmersa é composta por uma bomba hidráulica e um conjunto de válvulasdirecionais. O sistema externo (de alta pressão que fica fora d'água) consistede câmara hiperbárica e acumulador hidropneumático. O grupo de geração écomposto pela turbina, gerador elétrico e módulo de controle da planta. Aplanta pode conter diversas turbinas interconectadas e apoiadas no fundo dorio ou no leito marinho. A manutenção da eficiência das turbinas operando emdiversas velocidades de corrente é realizada pela variação do ângulo das pás,cujo mecanismo é comandado por um software dedicado. As turbinas contêmdispositivos automáticos para operação em qualquer sentido da corrente. Apotência da planta ou a vazão de água dessalinizada pode ser ampliada peloaumento do número de turbinas interconectadas.The present invention relates to a plant containing hydrokinetic-type submerged turbines for the generation of electricity and / or water desalination by reverse osmosis by the energy from the action of marine currents, tides and rivers. In desalination operations, the plant does not use electricity. The plant can be commutative and can operate for both desalination and electricity generation. The plant is basically composed of three main systems: submerged pumping turbines, external high pressure system, electricity generation group and / or desalination system. Each submerged turbine consists of a hydraulic pump and a set of directional valves. The external (high pressure out of water) system consists of hyperbaric chamber and hydropneumatic accumulator. The generation group consists of the turbine, electric generator and plant control module. The plant may contain several interconnected turbines supported on the bottom or seabed. The efficiency of turbines operating at different current speeds is maintained by varying the blade angle, the mechanism of which is controlled by dedicated software. The turbines contain automatic devices for operation in any direction of the current. Plant power or desalinated water flow can be increased by increasing the number of interconnected turbines.

Técnicas AnterioresPrevious Techniques

Diversos são os processos técnicos existentes para adessalinização da água. Dentre eles os mais conhecidos são: destilação,osmose reversa e diálise elétrica. Em geral, todos esses processos demandamde um dispendioso consumo de energia elétrica.There are several existing technical processes for water desalination. Among them the best known are: distillation, reverse osmosis and electric dialysis. In general, all these processes require expensive energy consumption.

A dessalinização da água utilizando como fonte de energia asondas do mar, já possui diversos registros de patentes, porém a dessalinizaçãopor osmose reversa utilizando as correntes de rios ou dos oceanos como fontede energia ainda é pouca difundida. Até o momento não foram encontradosregistros de patente com as características técnicas apresentadas no presenteinvento.Water desalination using sea probes as a source of energy already has several patent applications, but reverse osmosis desalination using river or ocean currents as a source of energy is still widespread. To date, no patent registrations have been found with the technical characteristics presented in the present invention.

Sumário da InvençãoSummary of the Invention

A presente invenção trata de uma planta para operação comturbinas submersas do tipo hidrocinéticas, em rios ou no mar cujo princípio defuncionamento possibilita tanto a geração de eletricidade quanto àdessalinização de água do mar, água salobra, tratamento de águas residuaisde origem industrial ou doméstica. A planta opera através de turbinassubmersas com as bases apoiadas no leito do rio ou no fundo do mar. A alturado corpo da turbina com a superfície da água é otimizada de forma a se obteras maiores velocidades de correntes sem prejuízo da navegação. Em regiõesde rio ou do mar com grandes profundidades, onde não haja conflito com anavegação, outra forma é manter as turbinas suspensas, fixadas na parteinferior de uma estrutura flutuante ancorada no fundo do oceano ou no fundo/margens quando a instalação ocorrer em rios. Os equipamentos para geraçãode eletricidade e/ou dessalinização, são instalados à margem seca, quando setrata de rios, ou sobre uma plataforma fixa no fundo quando se trata do mar.Essas diferentes modalidades apresentam os equipamentos de geração deeletricidade e de dessalinização sempre fora da água em lugar seco, visando afacilidade de operação e de manutenção. Na dessalinização o processoutilizado é denominado osmose reversa. A energia necessária para a obtençãoda alta pressão requerida nesse processo (900 psi), é fornecida pela ação decorrentes marinhas, de marés e de rios. Assim, a dessalinização da águaocorre sem o uso de eletricidade, reduzindo de forma significativa o custo finalda água potável. A água potável poderá ser utilizada tanto para uso domésticoquanto para a irrigação de terras destinadas à agricultura. Uma vantagemadicional é que essa irrigação poderá ser realizada em distâncias de centenasde kilômetros, uma vez que a planta pode fornecer energia hidráulica superior aaquela requerida pelo processo de dessalinização.The present invention relates to a plant for operation with hydrokinetic submerged turbines in rivers or at sea whose operation principle enables both the generation of electricity and the desalination of seawater, brackish water, wastewater treatment of industrial or domestic origin. The plant operates through submerged turbines with bases resting on the riverbed or the seabed. The high turbine body with the water surface is optimized for higher current speeds without impairing navigation. In deep river or sea regions where there is no conflict with navigation, another way is to keep the turbines suspended, fixed to the underside of a floating structure anchored at the bottom of the ocean or at the bottom / shores when installation occurs on rivers. The equipment for generating electricity and / or desalination is installed on the dry bank when rushing rivers, or on a fixed platform at the bottom when it comes to the sea. These different types present the equipment for generating electricity and desalination always out of the water. in a dry place for ease of operation and maintenance. In desalination the process used is called reverse osmosis. The energy required to obtain the high pressure required in this process (900 psi) is provided by the action arising from marine, tidal and river flows. Thus, water desalination occurs without the use of electricity, significantly reducing the final cost of drinking water. Drinking water may be used for both domestic use and irrigation of agricultural land. An additional advantage is that this irrigation can be carried out at distances of hundreds of kilometers, since the plant can provide hydraulic energy superior to that required by the desalination process.

A planta é composta por três sistemas principais: turbinassubmersas de bombeamento, sistema externo de alta pressão, grupo degeração de eletricidade e/ ou unidade de dessalinização. Assim, planta podeoperar também de forma comutativa, gerando eletricidade num período detempo e dessalinizando em outro período.The plant consists of three main systems: submersible pumping turbines, external high pressure system, electricity generation group and / or desalination unit. Thus, a plant can also operate commutatively, generating electricity in one time period and desalination in another period.

Descrição das Modalidades de Operação, da Planta e dos EquipamentosDescription of Operating, Plant and Equipment Modalities

A planta pode ser instalada para operação em três modalidades:The plant can be installed for operation in three modes:

1- Primeira modalidade: Geração de eletricidade.1- First modality: Electricity generation.

2- Segunda modalidade: Dessalinização de água do mar, de água salobra derio ou de águas residuais de origem industrial ou doméstica.2- Second mode: Desalination of seawater, brackish water or industrial or domestic wastewater.

3- Terceira modalidade: Geração de eletricidade e Dessalinização.3- Third mode: Electricity Generation and Desalination.

Na primeira modalidade a planta opera em circuito fechado. Asentradas e saídas das bombas das diversas turbinas são conectadas a doisdutos principais, sendo um para a sucção e o outro para a descargarespectivamente. Nessa modalidade, o fluido recirculante pode ser água ououtro qualquer. O duto de sucção alimenta as diversas turbinas com o fluidorecirculante contido em um reservatório. Esse reservatório juntamente com umacumulador hidropneumático, uma câmara hiperbárica e o grupo gerador ficamsituados na no solo da margem do rio. No caso dessa planta ser instalada nooceano esses equipamentos são montados acima do nível do mar em umaplataforma flutuante e ancorada no fundo ou em uma plataforma fixa no leitomarinho:In the first mode the plant operates in closed circuit. Pump inlets and outlets of the various turbines are connected to two main ducts, one for suction and the other for discharge respectively. In this embodiment, the recirculating fluid may be water or any other. The suction duct feeds the various turbines with the circulating fluid contained in a reservoir. This reservoir together with a hydropneumatic accumulator, a hyperbaric chamber and the generator set are located on the river bank soil. If this plant is to be installed in the Ocean, this equipment is mounted above sea level on a floating platform anchored to the bottom or a fixed platform on the seabed:

A energia mecânica proveniente das correntes que aciona asturbinas, pressurizam o fluido no acumulador hidropneumático. O fluidopressurizado é liberado, através de uma válvula controlada, acionando umaturbina ou um motor hidráulico, que acoplado a um gerador, produzeletricidade. A câmara hiperbárica é conectada ao acumuladorhidropneumático e contém gás nitrogênio ou gás carbônico e atua comopulmão, contribuindo para a estabilização da pressão. No caso da inversão dosentido da corrente, uma válvula direcional inverte automaticamente o sentidodo fluxo no circuito hidráulico, mantendo regularizada a geração deeletricidade.Mechanical energy from asturine-driven currents pressurizes the fluid in the hydropneumatic accumulator. The pressurized fluid is released through a controlled valve, driving a turbine or a hydraulic motor, which coupled to a generator, produces electricity. The hyperbaric chamber is connected to the hydropneumatic accumulator and contains nitrogen or carbon dioxide and acts as a lung, contributing to the stabilization of pressure. In the case of sensible current reversal, a directional valve automatically reverses the flow direction in the hydraulic circuit, keeping the electricity generation regularized.

Na segunda modalidade visando à dessalinização, a planta operaem circuito aberto. As entradas das bombas das diversas turbinas sãoconectadas ao duto principal de sucção que conduz a água a serdessalinizada. A água a ser dessalinizada deve ser captada de região distantedas margens para minimizar a presença de contaminantes do tipohidrocarbonetos como óleos, graxas e querosene. Nas bombas das turbinas aágua é pressurizada e enviada a uma linha de filtros de diferentesporosidades dispostos em série pertencentes à unidade dedessalinização.instalada em terra firme. Ao passar pelos filtros, a água prontapara ser dessalinizada é depositada num reservatório. A partir dessereservatório a água alimenta novamente as bombas das turbinas num outrocircuito e a pressão é agora elevada ao patamar de até 900 psi (61 bar) paraque ocorra a dessalinização nas vazões usuais. A água nessa pressão éconduzida aos cartuchos das instalações que contêm as membranas deosmose reversa. Depois de passar por essas membranas a água dessalinizadaé conduzida a um segundo reservatório. A água de rejeito com grau desalinidade mais elevado é conduzida até uma região distante da margem e doponto de captação, onde haja correnteza para a dissipação da salinidadevisando à minimização dos riscos ao rio ou ao ambiente marinho.In the second mode aimed at desalination, the plant operates open circuit. The pump inlets of the various turbines are connected to the main suction duct that leads to the water to be desalted. The water to be desalinated should be collected from far away from the shore to minimize the presence of hydrocarbon contaminants such as oils, greases and kerosene. In the turbine pumps water is pressurized and sent to a line of filters of different porosities arranged in series belonging to the desalination unit. As it passes through the filters, water ready for desalination is deposited in a reservoir. From this reservoir water again feeds the turbine pumps in another circuit and the pressure is now raised to a level of up to 900 psi (61 bar) for desalination to occur at the usual flow rates. Water at this pressure is delivered to the facility cartridges containing reverse demosmos membranes. After passing through these membranes the desalinated water is led to a second reservoir. Wastewater with higher degree of desalinity is carried to a region far from the bank and the catchment point, where there is a current for salinity dissipation to minimize risks to the river or marine environment.

Na terceira modalidade a planta é comutativa. A instalação seaplica tanto à geração de eletricidade quanto à dessalinização, operando emperíodos distintos. Essa planta trabalha em circuito aberto e a água utilizadapara o atendimento de qualquer uma das duas finalidades, é captada damesma forma descrita na segunda modalidade (dessalinização). Uma válvulacomutadora é responsável pelo direcionamento da água para o atendimento deuma ou de outra finalidade. Durante operação de atendimento da primeiramodalidade, ou seja, geração de eletricidade a água é devolvida ao rio ou aomar, nas proximidades da planta, sem qualquer mistura ou adição depoluentes.In the third mode the plant is commutative. The facility applies to both electricity generation and desalination operating at different times. This plant works in an open circuit and the water used to meet either of the two purposes is captured in the same way described in the second mode (desalination). A commutating valve is responsible for directing water to serve one or another purpose. During operation of the first mode, that is, electricity generation, the water is returned to the river or to the sea, near the plant, without any mixture or addition of pollutants.

O sistema externo de alta pressão da planta é instalado em terrafirme e consiste de câmara hiperbárica e acumulador hidropneumático. O grupode geração é composto pela turbina, gerador elétrico, módulo de controle daplanta e/ ou uma unidade de dessalinização. A planta pode conter diversasturbinas interconectadas e apoiadas no fundo do rio ou no leito marinho, a umaaltura adequada ao aproveitamento da corrente sem o prejuízo da navegação eda integridade da turbina. A manutenção da eficiência das turbinas operandoem diversas velocidades de corrente é realizada pela variação do ângulo daspás, cujo mecanismo é comandado por um software dedicado. As turbinascontêm dispositivos de direcionamento automático para operação em qualquersentido da corrente. A potência da planta ou a vazão de água dessalinizadapode ser ampliada pelo aumento do número de turbinas interconectadas.A inovação proposta diz respeito a uma planta para a geração deeletricidade pela ação de correntes marinhas, de marés e de rios. A planta écomposta por três sistemas principais: turbinas submersas de bombeamentosistema externo de alta pressão e grupo de geração de eletricidade e/ ouunidade de dessalinização. As turbinas posicionadas no leito marinho ou do rioem altura conveniente possuem dispositivos que permitem a sua orientaçãoconforme a direção da corrente, visando à manutenção dos mais altosrendimentos. As turbinas operam também com fluxo reverso da correnteza quesão comuns nas fozes dos rios. A manutenção da eficiência das turbinasoperando nas diversas velocidades de corrente é realizada pela variação doângulo das pás, comandados pelo software dedicado. Cada turbina tem seueixo conectado a uma bomba hidráulica para a conversão da energia mecânicaem energia hidráulica.The plant's external high-pressure system is terrafirmed and consists of a hyperbaric chamber and hydropneumatic accumulator. The generation group consists of a turbine, electric generator, plant control module and / or a desalination unit. The plant may contain several interconnected turbines supported at the bottom of the river or seabed at a height suitable for harnessing the current without impairing navigation and turbine integrity. The efficiency of turbines operating at various current speeds is maintained by varying the blade angle, the mechanism of which is controlled by dedicated software. The turbines contain automatic steering devices for operation in any current direction. The power of the plant or the desalinated water flow can be increased by increasing the number of interconnected turbines. The proposed innovation concerns a plant for the generation of electricity by the action of marine currents, tides and rivers. The plant consists of three main systems: submerged pumping turbines, external high pressure system and electricity generation group and / or desalination unit. Turbines positioned on the seabed or river at a convenient height have devices that allow them to be oriented according to the current direction to maintain the highest yields. Turbines also operate with reverse current flow that is common in river mouths. Maintenance of turbine efficiency operating at various current speeds is accomplished by varying the blade angle, controlled by dedicated software. Each turbine has its shaft connected to a hydraulic pump for the conversion of mechanical energy to hydraulic energy.

Na planta para geração de eletricidade, as turbinas captam águalimpa (ou outro fluido) de um reservatório de baixa pressão situado em solo nasmargens do rio ou em uma plataforma se a instalação for no mar. O fluido épressurizado pelas bombas para o interior de um acumulador hidropneumático.At the power plant, the turbines pick up the waterpipe (or other fluid) from a low-pressure reservoir located on river bank soil or on a platform if the installation is at sea. The fluid is pressurized by the pumps into a hydropneumatic accumulator.

Esse acumulador libera o fluido em alta pressão para o acionamento de umaturbina (ou motor hidráulico) acoplada a um gerador para a produção deeletricidade. Depois de deixar o sistema de geração, o fluido retorna aoreservatório de baixa pressão caracterizando operação em circuito fechado. Acondução do fluido entre as turbinas imersas e o sistema externo de geraçãode eletricidade é feita por tubulação rígida ou flexível de baixas e altaspressões.This accumulator releases the fluid at high pressure to drive a turbine (or hydraulic motor) coupled to a generator to produce electricity. After leaving the generation system, the fluid returns to the low pressure reservoir featuring closed loop operation. Fluid conduction between the immersed turbines and the external electricity generation system is by rigid or flexible low and high pressure piping.

Os sistemas de alta pressão e de geração de eletricidade sãoinstalados à margem do rio ou acima do nível do mar e podem ser fixos ouflutuantes. Esses sistemas consistem de câmara hiperbárica, acumuladorhidropneumático e grupo de geração. O grupo de geração é composto pelaturbina, gerador elétrico e módulo de controle da planta. A planta pode conterdiversas turbinas interconectadas e apoiadas no fundo do rio ou no leitomarinho. As turbinas contêm dispositivos de direcionamento automático paraoperação em qualquer sentido da corrente. A potência da planta pode serampliada pelo aumento do número de turbinas interconectadas.High pressure and electricity generation systems are installed on the river bank or above sea level and can be fixed or floating. These systems consist of hyperbaric chamber, hydropneumatic accumulator and generation group. The generation group is composed of turbine, electric generator and plant control module. The plant can contain several interconnected turbines supported on the riverbed or seabed. Turbines contain automatic steering devices for operation in any direction of the current. The power of the plant can be increased by increasing the number of interconnected turbines.

As turbinas são projetadas para acionarem as bombas numaampla faixa de pressão, podendo chegar até 3.000 psi (204 bar).Turbines are designed to drive pumps in a wide pressure range, up to 3,000 psi (204 bar).

Descrição dos Modos de Operação, da Planta e EquipamentosDescription of Modes of Operation, Plant and Equipment

A planta opera através da ação das correntes de rios ou do mar,acionando as pás de turbinas hidráulicas submersas apoiadas e ancoradas nofundo. Essas turbinas contêm bombas hidráulicas conectadas no eixo principalque se constituem no mecanismo de bombeamento. Esse mecanismo captaágua do rio, ou do mar e eleva a sua pressão para os níveis adequados àdessalinização ou para a geração de eletricidade enviando-a para umacumulador hidropneumático. Esse acumulador é conectado à câmarahiperbárica e trabalha como a um pulmão e é responsável pela estabilização dapressão. A água bombeada em alta pressão é liberada a partir do acumuladorhidropneumático através de uma válvula de controle de vazão para mover umaturbina ou um motor hidráulico. A rotação do eixo da turbina ou do motorhidráulico é transmitida a um gerador elétrico acoplado, para converter aenergia mecânica em eletricidade. A válvula de controle de vazão libera o jato,através de um controle eletrônico mantendo constante a velocidade na rotaçãoda turbina ou do motor hidráulico. Essa válvula opera com pressões até 3.000psi (204 bar).Nas operações destinadas a dessalinização, uma válvulacomutadora redireciona a água em alta pressão desconectando o grupo degeração de eletricidade e conectando uma instalação de dessalinização.The plant operates through the action of river or sea currents, driving the blades of submerged hydraulic turbines supported and anchored in the bottom. These turbines contain hydraulic pumps connected to the mainshaft that constitute the pumping mechanism. This mechanism captures water from the river or sea and raises its pressure to levels suitable for desalination or electricity generation by sending it to a hydropneumatic accumulator. This accumulator is connected to the hyperbaric chamber and works like a lung and is responsible for stabilizing depression. High-pressure pumped water is released from the hydropneumatic accumulator via a flow control valve to move a turbine or hydraulic motor. The rotation of the turbine shaft or hydraulic motor is transmitted to a coupled electric generator to convert mechanical energy into electricity. The flow control valve releases the jet through an electronic control keeping the speed in the rotation of the turbine or the hydraulic motor constant. This valve operates at pressures up to 3,000psi (204 bar). In desalination operations, a commutator valve redirects water at high pressure by disconnecting the electricity generation group and connecting a desalination plant.

Processos Operacionais para Geração de EletricidadeOperational Processes for Electricity Generation

A potência da planta em kW (na saída do jato d'agua) é dada peloproduto da vazão (m3/s) na saída do jato e pela pressão (m.c.a.) supridas peloacumulador hidropneumático durante a operação. Essa pressão em uma plantahidroelétrica convencional é fornecida pela altura da queda d'água (energiapotencial). A planta do presente invento mencionada na "Primeira modalidade"para Geração de eletricidade, opera em um circuito fechado, bombeando águadoce de um reservatório (situado em terra firme no caso de rios ou sobre umaplataforma no caso dó oceano), para o acumulador hidráulico. A vazão deentrada da água no acumulador hidráulico bombeada a partir das turbinas,deve ser igual ou maior àquela liberada pelo jato para movimentar a turbina (oubomba hidráulica). Esse volume de água fornecido ao acumulador, a partir dosmódulos de bombeamento, mantém constante a pressão do sistema através deuma válvula reguladora de pressão. Uma válvula operada por um softwerecontrola a vazão de saída monitorando a rotação do grupo gerador de acordocom a carga elétrica solicitada mantendo a tensão e a freqüência elétricas empatamares técnicos recomendados.The power of the plant in kW (at the water jet outlet) is given by the flow product (m3 / s) at the jet outlet and the pressure (m.c.a.) supplied by the hydropneumatic accumulator during operation. This pressure in a conventional hydroelectric plant is provided by the height of the waterfall (potential energy). The plant of the present invention mentioned in the "First Mode" for Electricity Generation, operates in a closed loop, pumping water from a reservoir (located on land on rivers or on a platform in the case of the ocean) to the hydraulic accumulator. The flow of water in the hydraulic accumulator pumped from the turbines must be equal to or greater than that released by the jet to move the turbine (or hydraulic pump). This volume of water supplied to the accumulator from the pumping modules keeps the system pressure constant through a pressure regulating valve. A soft-operated valve controls the output flow by monitoring the genset rotation according to the requested electrical load while maintaining the recommended electrical voltage and frequency.

Processos Operacionais para Dessalinização por Osmose ReversaReverse Osmosis Desalination Operational Processes

A potência extraída da corrente dos rios ou dos oceanos é dadapela fórmula P = p.A.v7,12 onde:The power extracted from the current of rivers or oceans is given by the formula P = p.A.v7,12 where:

P é a potência extraída, p é a densidade da água, A é a área nodiâmetro interno da turbina, e v é a velocidade da corrente.P is the extracted power, p is the water density, A is the internal diameter area of the turbine, and v is the current velocity.

A energia hidráulica da corrente é convertida pela turbinasubmersa em energia mecânica. Essa energia mecânica aciona uma bombahidráulica de diferentes estágios acoplada ao eixo da turbina. A bomba captaágua salgada elevando sua pressão num primeiro estágio até a pressão defiltragem (45 psi ou 3 bar). A água é conduzida por dutos até a unidade dedessalinização para a operação inicial de filtragem. Essa unidade dedessalinização se situa à margem do leito do rio ou acima do nível d'água, se ainstalação for no mar. Após a filtragem a água retorna à turbina para aelevação da sua pressão num segundo estágio até a pressão dedessalinização (900 psi ou 61 bar). A água em alta pressão é novamenteconduzida por dutos até a unidade de dessalinização. Na unidade dedessalinização parte da água sob alta pressão (aproximadamente 50%) passapelos cartuchos de osmose reversa se tornando água potável com qualidadepara o consumo humano. O volume de água não dessalinizada é o rejeito.Esse rejeito é descartado por bombeamento num terceiro estágio paradissipação em correntes distantes.The hydraulic energy of the current is converted by the submerged turbines into mechanical energy. This mechanical energy drives a different-stage hydraulic pump coupled to the turbine shaft. The pump captures saltwater by raising its pressure in a first stage to the filtration pressure (45 psi or 3 bar). Water is piped to the desalination unit for the initial filtration operation. This desalination unit is located at the riverbed or above water level if the facility is at sea. After filtration the water returns to the turbine to raise its pressure in a second stage to the desalination pressure (900 psi or 61 bar). High pressure water is again led through ducts to the desalination plant. At the desalination plant part of the water under high pressure (approximately 50%) catwalks reverse osmosis cartridges becoming quality drinking water for human consumption. The volume of non-desalinated water is the tailings. This tailings are disposed of by pumping in a third stage to disperse in distant currents.

Descrição das FigurasDescription of the Figures

A figura 1 apresenta o esquema simplificado do conjunto deequipamentos que compõem uma planta de dessalinização sem o uso deeletricidade. O conjunto é composto basicamente de duas unidades distintas: omódulo convencional de dessalinização com membrana por osmose reversa eo sistema de bombeamento através das turbinas que consiste na conversão daenergia contida nas correntes para a movimentação das bombas. No esquema,a letra A representa a turbina apoiada no leito do rio ou do oceano. A letra B, abomba responsável pelo aumento da pressão da água. A letra C, o filtro desucção montado com uma válvula de retenção na entrada de sucção dabomba. A letra D representa a base de apoio da turbina. A letra E representa oleito do rio ou do oceano. A letra F representa a tubulação contendo as linhasde interligação entre as turbinas e a instalação de dessalinização. V1representa a válvula de entrada do acumulador de baixa pressão. A letra G,acumulador de baixa pressão. A letra H, o primeiro filtro com porosidade de 75micra. A letra I, o segundo filtro com porosidade de 25 micra. A letraJ; o últimofiltro com porosidade de 5 micra.Figure 1 presents the simplified scheme of the set of equipments that make up a desalination plant without the use of electricity. The set consists basically of two distinct units: the conventional reverse osmosis membrane desalination module and the turbine pumping system which consists of converting the energy contained in the currents to the movement of the pumps. In the scheme, the letter A represents the turbine supported on the river or ocean floor. The letter B, Pumpkin responsible for increasing water pressure. The letter C means the inlet filter fitted with a check valve at the suction inlet of the pump. The letter D represents the support base of the turbine. The letter E represents river or ocean oil. The letter F represents the pipeline containing the interconnection lines between the turbines and the desalination plant. V1represents the low pressure accumulator inlet valve. The letter G, low pressure accumulator. The letter H, the first filter with 75 micron porosity. The letter I, the second filter with 25 micron porosity. The letter J; the last 5 micron porosity filter.

A letra K representa o primeiro reservatório do circuito, e éutilizado para o armazenamento da água filtrada. A letra L representa a linha dealta pressão. V2 representa a válvula de entrada do acumulador de altapressão. A letra M, o acumulador da linha de alta pressão do circuito hidráulico.The letter K represents the first reservoir of the circuit, and is used for storing filtered water. The letter L represents the high pressure line. V2 represents the high pressure accumulator inlet valve. The letter M, the accumulator of the high pressure line of the hydraulic circuit.

A letra N representa o conjunto de cartuchos de membranas para adessalinização por osmose reversa. V3 representa a válvula de regulagem dapressão na saída da linha de água dessalinizada. A letra O representa oreservatório de água dessalinizada e a letra P, representa a linha de saída dorejeito de água com maior concentração de salinidade.The letter N represents the set of membrane cartridges for reverse osmosis adalinization. V3 represents the pressure regulating valve at the outlet of the desalinated water line. The letter O represents the desalinated water reservoir and the letter P represents the water-discharge outlet line with the highest salinity concentration.

A figura 2 apresenta o esquema uma planta instalada em um rio.Figure 2 shows the scheme a plant installed in a river.

Nesse esquema as turbinas são fixas sobre bases metálicas ou de concreto eancoradas no leito do rio. Os equipamentos de geração de eletricidade e/ ou dedessalinização são instalados em uma das margens do rio, em terra firme. Umatubulação rígida ou flexível depositada e fixa no leito do rio, interliga o conjuntode turbinas às instalações em terra.In this scheme the turbines are fixed on metal or concrete bases and anchored in the riverbed. Electricity generation and / or desalination equipment is installed on one of the river banks on dry land. Rigid or flexible tubing deposited and fixed in the riverbed connects the turbine assembly to the onshore installations.

Nesse esquema, a letra A representa o leito do rio. A letra Brepresenta uma das turbinas instaladas no fundo do rio. A letra C representa atubulação que interliga o conjunto de turbinas às instalações em terra. A letra Drepresenta o solo em terra firme de uma das margens do rio. A letra Erepresenta as instalações para a geração de eletricidade e/ ou dedessalinização posicionadas na margem do rio.A figura 3 apresenta o esquema de uma planta instalada tambémem um rio, diferindo na forma de fixação das turbinas. Nesse esquema asturbinas são fixadas dependuradas por debaixo de uma estrutura flutuante norio. Essa estrutura tanto pode ser ancorada no fundo, como numa combinaçãousando o fundo e uma ou as duas margens. Nesse esquema, a letra Arepresenta a estrutura flutuante no rio. A letra B representa uma das turbinasfixada dependurada por debaixo da estrutura flutuante. A letra C representa atubulação que interliga o conjunto das turbinas às instalações em terra. A letraD representa o solo em terra firme de uma das margens do rio. A letra Erepresenta as instalações para a geração de eletricidade e/ ou dedessalinização. A letra F representa o nível da água do rio. A letra G representao leito do rio.In this scheme, the letter A represents the riverbed. The letter Bre represents one of the turbines installed at the bottom of the river. The letter C represents the piping connecting the turbine assembly to the onshore installations. The letter D represents the soil on dry land of one of the banks of the river. The letter E represents the facilities for the generation of electricity and / or desalination positioned on the river bank. Figure 3 shows the scheme of a plant also installed on a river, differing in the way the turbines are fixed. In this scheme asturbines are fixed hanging underneath a floating norio structure. This structure can be anchored to the bottom as well as a combination using the bottom and one or both margins. In this scheme, the letter Are represents the floating structure on the river. The letter B represents one of the fixed turbines hanging underneath the floating structure. The letter C represents the piping connecting the turbine assembly to the onshore installations. The letter D represents the solid soil of one of the river banks. The letter Erepresents the facilities for the generation of electricity and / or desalination. The letter F represents the water level of the river. The letter G represents riverbed.

A figura 4 apresenta o esquema de uma planta instalada no marem águas, com profundidade de até cinqüenta metros. Nessa planta as basesdas turbinas são fixadas no leito marinho. A altura das bases vai definir aposição de operação das turbinas em relação à velocidade da corrente e aonível do mar.Figure 4 shows the scheme of a plant installed in the seawater, with a depth of up to fifty meters. In this plant the turbine bases are fixed in the seabed. The height of the bases will define the position of operation of the turbines in relation to the current speed and the sea level.

Os equipamentos de geração de eletricidade e/ ou dedessalinização são instalados sobre a base superior de uma plataforma fixa nofundo do mar. Essa plataforma possui alguma semelhança com aquelasutilizadas na área de perfuração e extração de petróleo, do tipo jaqueta.Electricity generation and / or desalination equipment is installed on the upper base of a fixed platform on the seabed. This platform bears some resemblance to those used in the jacket-type oil drilling and extraction area.

Nesse esquema, a letra A representa a base superior daplataforma destinada à instalação dos equipamentos. A letra B representa osequipamentos para a geração de eletricidade e/ ou de dessalinização. A letra Crepresenta uma das turbinas posicionadas no leito marinho. A letra Drepresenta a tubulação que interliga o conjunto das turbinas aos equipamentosinstalados sobre a plataforma.In this scheme, the letter A represents the upper base of the platform for the installation of equipment. The letter B represents equipment for electricity generation and / or desalination. The letter Cre represents one of the turbines positioned on the seabed. The letter D represents the pipe that connects the turbine assembly to the equipment installed on the platform.

A figura 5 apresenta o esquema de uma planta instalada no marem águas, com profundidade superior a cinqüenta metros. Nessa planta, asbases das turbinas são fixadas também no leito marinho. Da mesma forma, aaltura das bases define a posição de operação das turbinas em relação àvelocidade da corrente e ao nível do mar, salvaguardando, o calado mínimonecessário à navegação. Essa plataforma possui alguma semelhança comaquelas utilizadas na área do petróleo, do tipo semi-submersível.Figure 5 shows a schematic of a plant installed in the seawater, with a depth of more than fifty meters. In this plant, turbine bases are also fixed in the seabed. Likewise, the height of the bases defines the operating position of the turbines in relation to the current speed and sea level, safeguarding the minimum draft required for navigation. This platform bears some resemblance to those used in the semi-submersible oil field.

Nesse esquema, a letra A representa a base da plataformadestinada à instalação de equipamentos. A letra B representa os equipamentospara a geração de eletricidade e/ ou de dessalinização. A letra C representauma das turbinas posicionadas no leito marinho. A letra D representa atubulação que interliga o conjunto das turbinas aos equipamentos instaladossobre a plataforma. A letra E representa uma das amarras destinadas àancoragem da plataforma no leito marinho. A letra F representa o leito marinho.A figura 6 apresenta o esquema de uma planta instalada no mar em águas comprofundidade também superior a cinqüenta metros. Nessa planta, as turbinassão fixadas em uma estrutura flutuante no mar. A posição de operação dasturbinas é de 2 a 5 metros abaixo do nível do mar.In this scheme, the letter A represents the base of the platform intended for equipment installation. The letter B represents equipment for electricity generation and / or desalination. The letter C represents one of the turbines positioned on the seabed. The letter D represents the piping that connects the turbine assembly to the equipment installed on the platform. The letter E represents one of the tethers for anchoring the platform to the seabed. The letter F represents the seabed. Figure 6 shows the scheme of a plant installed in the sea in deep waters also exceeding fifty meters. In this plant, the turbines are fixed in a floating structure in the sea. The dasturbine operating position is 2 to 5 meters below sea level.

Nesse esquema, a letra A representa a base da plataformadestinada à instalação de equipamentos. A letra B representa os equipamentospara a geração de eletricidade e/ ou de dessalinização. A letra C representa aestrutura flutuante. A letra D representa uma das turbinas posicionadas no leitomarinho. A letra E representa uma das amarras destinadas à ancoragem daestrutura flutuante das turbinas no leito marinho. A letra F representa uma dasamarras destinadas à ancoragem da plataforma no leito marinho. A letra Grepresenta a tubulação que interliga o conjunto das turbinas aos equipamentosinstalados sobre a plataforma. A letra H representa o leito marinho.In this scheme, the letter A represents the base of the platform intended for equipment installation. The letter B represents equipment for electricity generation and / or desalination. The letter C represents the floating structure. The letter D represents one of the turbines positioned in the seabed. The letter E represents one of the moorings for anchoring the floating structure of the turbines in the seabed. The letter F represents one of the tethers for anchoring the platform to the seabed. The letter Gre represents the pipe that connects the turbine assembly to the equipment installed on the platform. The letter H represents the seabed.

Vantagens da Planta para a Geração de Eletricidade e/oudessalinização a partir das correntesPlant Advantages for Electricity Generation and / or Desalination from Currents

- Produção de energia limpa e renovável praticamente sem impactosambientais.- Production of clean and renewable energy with virtually no environmental impacts.

- Contribuição à rede de transmissão elétrica existente no local, pelaadição de mais uma fonte de energia elétrica.- Contribution to the existing power transmission network by adding one more source of electricity.

- Suprimento de eletricidade el ou água dessalinizada em ilhas ou emlocais distantes da costa onde a rede de transmissão elétrica é inexistente.- Supply of electricity and or desalinated water in islands or places far from the coast where the electric transmission grid is non-existent.

- A instalação das turbinas é modular possibilitando requerendo baixasvazões e altas pressões de operação, o que significa menores custos deinvestimento de implantação e de manutenção.- The installation of the turbines is modular enabling requiring low flows and high operating pressures, which means lower deployment and maintenance investment costs.

- A potência final requerida determina o numero de turbinas a serinstalado.- The required final power determines the number of turbines to be installed.

- Possibilidade de instalação em três diferentes modalidades:- Possibility of installation in three different modes:

- Primeira modalidade: Geração de eletricidade.- First mode: Generation of electricity.

- Segunda modalidade: Dessalinização de água do mar, de água salobra de rioou de águas residuais de origem industrial ou doméstica.- Second mode: Desalination of seawater, brackish river or wastewater of industrial or domestic origin.

- Terceira modalidade: Geração de eletricidade e Dessalinização.- Third mode: Electricity Generation and Desalination.

Os equipamentos listados não devem ser considerados comodefinitivos e/ou limitadores do escopo da presente invenção. A quantidade, ostipos e o arranjo desses equipamentos podem sofrer alterações de acordoo local e as características onde a planta for instalada.The equipment listed should not be considered as defining and / or limiting the scope of the present invention. The quantity, types and arrangement of such equipment may change according to the location and characteristics where the plant is installed.

Claims (23)

1.- PLANTA PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE El OUDESSALINIZAÇÃO POR TURBINAS HIDRÁULICAS DE CORRENTE,caracterizada pelo uso de turbinas hidrocinéticas submersas em rio com osequipamentos de geração elétrica instalados em solo firme em uma das suasmargens.1.- ELECTRICITY GENERATION PLANT El Oudessalinization by Hydraulic Current Turbines, characterized by the use of submerged river hydrokinetic turbines with the electric generation equipment installed on firm ground in one of its margins. 2.- PLANTA de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo uso de câmara hiperbárica associada a um acumulador hidropneumáticopara geração elétrica em rio, instalados em solo firme em uma das suasmargens.2.- PLANT according to claim 1, characterized by the use of a hyperbaric chamber associated with a hydropneumatic accumulator for river electric generation, installed on firm ground in one of its margins. 3.- PLANTA de acordo com as reivindicações 1 e 2,caracterizada pelo uso equipamentos destinados à dessalinização em rio,instalados em solo firme em uma das suas margens.Plant according to claims 1 and 2, characterized by the use of equipment intended for river desalination, installed on firm ground on one of its banks. 4.- PLANTA de acordo com as reivindicações 1 e 2,caracterizada pelo uso equipamentos destinados à dessalinização e geraçãode eletricidade instalados em solo firme em uma das margens do rio.4.- PLANT according to claims 1 and 2, characterized by the use of desalination and electricity generation equipment installed on firm ground on one of the river banks. 5.- PLANTA de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapor operar com pressões de até 3.000 psi.Plant according to Claim 1, characterized in that it operates at pressures up to 3,000 psi. 6.- PLANTA de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4,caracterizada pelo uso de uma estrutura flutuante em rios para fixação dasturbinas.Plant according to any one of claims 1, 2, 3 and 4, characterized by the use of a floating structure in rivers to fix dasturbines. 7.- PLANTA, caracterizada pelo uso de turbinas hidrocinéticassubmersas e fixas no fundo do mar com os equipamentos de geração elétricainstalados em uma plataforma fixa no fundo do mar.7.- PLANT, characterized by the use of submerged and fixed hydrokinetic turbines on the seabed with the electric generation equipment installed on a fixed platform on the seabed. 8.- PLANTA, caracterizada pelo uso de turbinas hidrocinéticassubmersas e fixas em uma estrutura flutuante no mar com os equipamentos degeração elétrica e/ ou dessalinização instalados em uma plataforma semi-submersível também flutuante no mar.8.- PLANT, characterized by the use of submerged and fixed hydrokinetic turbines in a floating structure at sea with electrical generation and / or desalination equipment installed on a semi-submersible platform also floating at sea. 9.- PLANTA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadapelo uso dos equipamentos de dessalinização instalados em uma plataformafixa no mar.9.- PLANT according to claim 7, characterized by the use of desalination equipment installed on a fixed platform at sea. 10.- PLANTA, de acordo com as reivindicações 7 e 8,caracterizada pelo uso dos equipamentos de dessalinização e de geração deeletricidade instalados em uma plataforma fixa no mar.10.- PLANT according to claims 7 and 8, characterized by the use of desalination and electricity generation equipment installed on a fixed platform at sea. 11.- PLANTA de acordo com as reivindicações 5, 7 e 8,caracterizada pelo uso de câmara hiperbárica associada a um acumuladorhidropneumático para geração elétrica instalados em uma plataforma fixa nomar.Plant according to claims 5, 7 and 8, characterized by the use of a hyperbaric chamber associated with a hydropneumatic accumulator for electric generation installed on a fixed nomar platform. 12.- PLANTA de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo uso de um acumulador hidropneumático associado aos equipamentos dedessalinização instalados em uma plataforma fixa no mar.Plant according to Claim 1, characterized by the use of a hydropneumatic accumulator associated with the desalination equipment installed on a fixed platform at sea. 13.- PLANTA, caracterizada pelo uso de turbinas hidrocinéticassubmersas no mar com os equipamentos de geração elétrica instalados emuma plataforma flutuante no mar.13.- PLANT, characterized by the use of submerged hydrokinetic turbines at sea with the electric generation equipment installed on a floating platform at sea. 14.- PLANTA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadapelo uso dos equipamentos de dessalinização instalados em uma plataformaflutuante no mar.Plant according to claim 12, characterized by the use of desalination equipment installed on a floating platform at sea. 15.- PLANTA, de acordo com as reivindicações 12 e 13,caracterizada pelo uso dos equipamentos de dessalinização e de geração deeletricidade instalados em uma plataforma flutuante no mar.15.- PLANT according to claims 12 and 13, characterized by the use of desalination and electricity generation equipment installed on a floating platform at sea. 16.- PLANTA de acordo com as reivindicações 5, 12 e 13,caracterizada pelo uso de câmara hiperbárica associada a um acumuladorhidropneumático para geração elétrica instalados em uma plataforma flutuanteno mar.Plant according to claims 5, 12 and 13, characterized by the use of a hyperbaric chamber associated with a hydropneumatic accumulator for electric generation installed on a floating sea platform. 17.- PLANTA de acordo com as reivindicações 5, 12, 13 e 14,caracterizada pelo uso de uma válvula comutativa para operação da plantatanto para de geração de eletricidade como para dessalinização.Plant according to any one of claims 5, 12, 13 and 14, characterized by the use of a commutative valve for plantation operation for generating electricity and for desalination. 18.- PLANTA de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapor operar com turbinas submersas compostas por bombas hidráulicas eválvulas direcionais operando com pressões de até 3.000 psi.Plant according to claim 1, characterized by operating with submerged turbines composed of hydraulic pumps and directional valves operating at pressures up to 3,000 psi. 19.- PLANTA de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapor conter diversas turbinas interconectadas e apoiadas no fundo do rio ou noleito marinho.Plant according to claim 1, characterized in that it contains several interconnected turbines supported on the bottom of the river or seabed. 20.- PLANTA, caracterizada por conter um mecanismo devariação do ângulo das pás da turbina comandado por um software dedicado.20.- PLANT, characterized in that it contains a mechanism for varying the angle of the turbine blades controlled by a dedicated software. 21.- PLANTA, caracterizada por conter válvulas direcionais paraoperação em sentido contrário ao da corrente nos rios.21.- PLANT, characterized by containing directional valves for operation in the opposite direction to the current in the rivers. 22.- PLANTA, caracterizada por conter nas turbinas,dispositivos de direção e de giro para operação em qualquer sentido dacorrente no oceano.22.- PLANT, characterized in that it contains in the turbines steering and turning devices for operation in any direction current in the ocean. 23.- PLANTA, caracterizada por capacidade de instalação eoperação nas modalidades de geração de eletricidade, dessalinização de águae geração de eletricidade com comutação para dessalinização.23.- PLANT, characterized by installation capacity and operation in the modalities of electricity generation, water desalination and switching electricity generation for desalination.
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