PT103810A - Sistema de aproveitamento da energia das ondas - Google Patents

Abstract

SISTEMA INOVADOR NA ÁREA DAS TÉCNICAS RECUPERADORAS DA ENERGIA DAS ONDAS CONJUGANDO O APROVEITAMENTO DA FORÇA DE IMPULSÃO GERADA PELA SUBIDA DAS ONDAS COM O SUBSEQUENTE APROVEITAMENTO TAMBÉM DA FORÇA DA GRAVIDADE NA DESCIDA DAS ONDAS, O QUE PODERÁ ASSIM DUPLICAR A ENERGIA PRODUZIDA COMPARATIVAMENTE A OUTRAS BÓIAS SIMILARES, E UTILIZANDO ELEMENTOS ADICIONAIS OPERACIONAIS DE MATERIAIS DE BAIXO CUSTO COM MONTAGEM SIMPLES O QUE TORNA O SISTEMA ECONOMICAMENTE VANTAJOSO.

Description

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Descrição "Sistema de aproveitamento da energia das ondas" A presente invenção consiste numa inovação na área das técnicas recuperadoras da energia mecânica da ondas, através do aproveitamento da força de impulsão gerada pela subida das ondas mas desta feita em conjugação com o aproveitamento também da subsequente força da gravidade na descida das ondas, de forma a superar o problema da reduzida quantidade da energia produzida na passagem da onda, podendo assim até duplicar a energia produzida comparativamente a outras bóias com as mesmas dimensões e nas mesmas condições operacionais.

ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR Há dezenas de anos que se fazem tentativas e experiências de modelos de produção de energia eléctrica, por aproveitamento da energia mecânica das ondas.

Os resultados obtidos, especialmente quando se pensa em passar para a escala industrial, foram nulos.

Existem vários projectos com muita competência científica, só que, actualmente, ainda não são competitivos. Outros projectos, também de grande nivel, dos quais apenas temos conhecimentos sumários, dificilmente conseguirão ser competitivos na grande escala. 0 aproveitamento da energia das ondas, à escala industrial e competitiva com as energias renováveis não poluentes, está na fase de instalação de centrais e de protótipos 2 industriais, com indicações firmes de resultados interessantes de competitividade económica e de possibilidade de constituição de "clusters" de construção e montagem dos equipamentos necessários.

Trata-se duma actividade emergente, com poucas dezenas de anos de desenvolvimento e em que a produção à escala industrial é reduzida e pouco competitiva e em que os processos de aproveitamento, embora em grande número, podem ser agrupados em quatro grandes categorias (1) tecnologias de profundidade que aproveitam o movimento das partículas da água que se movimentam abaixo da linha de água e que podem aproveitar a energia até grandes profundidades (2) tecnologias (OWC) de coluna de água oscilante, que pode ser montada junto à costa, como é o caso da central piloto da ilha do Pico. 0 princípio de funcionamento apoia-se numa pala de betão e a onda que sobe, entre a pala e a muralha da costa, comprime ar quando sobe, e provoca uma situação de vazio quando desce. A entrada e saída de ar passa através duma turbina tipo Wells, que funciona com vento nos dois sentidos, e que transmite movimento a um alternador. (3) coluna de água oscilante baseada em bóias imersas que sobem e descem quando passam as ondas.

Cada unidade necessita de um sistema de conversão de energia normalmente um gerador linear e, necessita de amarração fixa ao fundo do mar. (4) sistemas de bóias flutuantes. cilíndrica

Até esta data eram apenas conhecidos dois sistemas projectados para trabalhar com bóias acima da linha de água. 0 projecto Holandês (AWS) "Archimedes Wave Swing" que funciona com uma estrutura submersa ancorada ao fundo do mar, com bóia cilíndrica, que actua por pressão 3 hidrostática. Integrados no grupo de sistemas Escocês com base em Edinburgh, os sistemas Salter Duck e o sistema Pelamis (OPD) "Ocean Production Development", em montagem ao largo da Póvoa do Varzim, em Portugal. 0 sistema (OPD) é constituído por tubos flutuantes dispostos longitudinalmente em posição perpendicular à frente de onda.

Os tubos, com cerca de cinquenta metros de comprimento e três metros e meio de diâmetro, com o passar das ondas articulam entre si, balançando a água no seu interior, de modo que comprima óleo que acciona um motor que transmite movimento a um alternador. Por cada unidade composta por quatro tubos alinhados mas com articulações existem três unidades de produção de energia eléctrica. A presente invenção, que agora se vem associar ao grupo dos sistemas que utilizam bóias flutuantes, em nada se assemelha aos outros conhecidos.

DESCRIÇÃO GENÉRICA DA INVENÇÃO A presente invenção caracteriza-se por ser constituída por baterias de dezenas ou centenas de blocos de produção de água comprimida em que, para o efeito, cada bloco dispõe de uma bóia flutuante, capaz de produzir trabalho nos dois sentidos do movimento.

Toda a água comprimida nos blocos é dirigida para um reservatório colector geral ligado à turbina do único grupo turbina alternador do sistema. 4

Com a presente invenção desenvolveu-se um projecto de bombeamento de água do mar com a dupla finalidade de alimentar viveiros de produção piscicola e produzir energia eléctrica.

Para conseguir o bombeamento em termos de baixo custo e de dimensão industrial, concluiu-se que nenhum dos sistemas actuais corresponde, em termos de produção industrial, às suas necessidades.

Frente à dificuldade, decidiu-se enfrentar o problema de raiz e depressa se concluiu que só mudando de paradigma se conseguiria projectar um sistema simples e de custo competitivo.

Partindo do principio que só com a simplicidade de uma bóia conseguiria o objectivo desejado, projectou-se um sistema que aproveita a energia das ondas e satisfaz ambos os objectivos que se propõe realizar.

Isto é, pode ser utilizado para produzir energia eléctrica, e pode bombear água para reservatórios instalados em terra para aproveitamento piscicola. 0 sistema foi projectado para trabalhar com unidades independentes de produção, denominados blocos, compatíveis com bóias que foram concebidas para o bom funcionamento do sistema.

As bóias caracterizam-se pelo facto de produzirem trabalho por impulsão quando as bóias sobem com as ondas, na cristã destas enchem de água e, na descida, por gravidade, voltam a produzir trabalho. Produzem assim trabalho em duplicado, 5 relativamente àquele que outras bóias de igual dimensão e nas mesmas condições seriam capazes de produzir.

Nos blocos, a água é comprimida e enviada para um reservatório colector geral e, a partir daqui, segue para um único grupo turbina alternador. A presente invenção apoia-se fundamentalmente numa bóia complexa que, como acima referido, produz energia nos dois sentidos do movimento.

Esta inovação apresenta baixos custos de investimento por unidade de produção, é constituído por elementos simples de uso corrente, com pequena conservação e de mão-de-obra muito reduzida. 0 sistema é constituído por uma associação de blocos de produção, tanto maior quanto se queira. Um hectare de mar suporta 200 blocos.

Um bloco de produção, será constituído pelas seguintes unidades: • Uma estrutura metálica suporte de todos os componentes do bloco. • Uma bóia específica de volume prudente estando equipada com duas janelas, uma de admissão de água e outra de escape, comandadas por uma outra bóia simples de diâmetro reduzido. • Cilindros de compressão de água, com êmbolos ligados à bóia, equipados com uma cabeça em cada extremidade, sendo as cabeças o suporte das válvulas de admissão de água do mar para os cilindros e das válvulas de escape da água comprimida para o reservatório. • Êmbolos dos cilindros que comprimem a água. • Bielas, elementos de ligação dos êmbolos à bóia. 6 • Um reservatório de pequenas dimensões, com uma câmara de ar colocada no seu interior, para amortecer os golpes de pressão provocados pelas ondas.

DESCRIÇÃO MAIS DETALHADA DA INVENÇÃO REFERIDA AOS DESENHOS

ANEXOS

Passa-se seguidamente a descrever mais pormenorizadamente o funcionamento do sistema proposto neta invenção, servindo os desenhos anexos para explicar concretamente a sua mais vantajosa operacionalidade.

Estrutura metálica do bloco (1) A estrutura metálica é o suporte de todos os órgãos e elementos simples do bloco.

Na parte superior da estrutura, são montadas duas colunas ligadas em pórtico, entre as quais se desloca e apoia a bóia no seu movimento.

Na parte inferior da plataforma são instalados os cilindros com todos os seus acessórios e o pequeno reservatório de água comprimida. Na parte inferior de todos os equipamentos, é instalada uma placa horizontal, destinada a reduzir o efeito dos impulsos das ondas no seu movimento. A ancoragem é feita ao fundo do mar, por blocos de betão e amarras de corda. Bóia (2) do sistema A bóia (2) de cada bloco, concebida especificamente para o sistema da invenção, caracteriza-se por ser capaz de produzir, por passagem de onda, o dobro da energia que outra bóia com as mesmas dimensões e nas mesmas condições de trabalho é capaz de produzir. Para o efeito, a bóia (2) 7 dispõe de uma janela (3) na parte superior voltada para montante das ondas e uma janela (4), na parte inferior.

Ciclo de trabalho da bóia (2)

Em repouso, os êmbolos (11) estão no fundo dos cilindros (10) e estes estão cheios de água admitida pelas válvulas (16) de admissão das cabeças (9) . Quando uma onda se aproxima, a janela inferior (4), de material leve, por impulsão, roda nos gonzos até se fechar no trinco. A bóia (6) de comando, cujo suporte está ligado ao eixo da bóia (2) roda em torno desta, encontra uma saliência da janela (3) , arrasta-a, e faz com que se feche também no trinco. A bóia (6) continua a rodar por efeito da onda até ficar na perpendicular do eixo da bóia (2) do sistema. A bóia (2) com as janelas fechadas e a onda em movimento ascendente, logo que a força de impulsão é suficiente para a deslocar, arrasta consigo os êmbolos (11) através das bielas (8), que comprimem a água fazendo-a entrar no reservatório (14) pelas válvulas (17) das cabeças (9) . 0 vazio criado em baixo, pela subida dos êmbolos (11), é preenchido por água do mar que entra pelas válvulas (16) das cabeças (12) .

Quando a onda inverte o sentido do movimento, a bóia (6), muito leve, roda em sentido contrário, abre o trinco da janela (3) , o que provoca o enchimento da bóia (2) com diversas toneladas de água.

Quando a onda ao baixar deixa de exercer impulsão suficiente sobre a bóia (2), esta desce por gravidade, com força equivalente à da impulsão. Os êmbolos, forçados a descer, injectam a água comprimida pelas válvulas (17) das cabeças (12), para o reservatório (14). Ao mesmo tempo que os êmbolos (11) descem, gera-se uma situação de vazio na sua parte superior, que facilita a entrada de água do mar pelas válvulas (16) das cabeças (9) dos cilindros (10). 8 A bóia (2) ao chegar à posição de repouso liberta o trinco da janela (4) que, abrindo-se, esgota toda a água armazenada.

Para segurança do sistema, em caso de tempestade, pode-se anular o dispositivo de abertura das janelas (4) e imobilizar as bóias (2) cheias de água, na posição de repouso, até que as condições do mar o aconselhem. Bóia de comando (6) da janela superior (3) A bóia de comando (6) tem o comprimento da bóia (2) e cerca de duas dezenas de centímetros de diâmetro. A bóia (6) destina-se a comandar o fecho e abertura da janela (3) da bóia (2) . A bóia (6) tem um eixo longitudinal apoiado por duas hastes (7), uma em cada extremo, e estas ligadas por chumaceiras ao eixo da bóia (2) para poder rodar em torno dela.

Com a onda a subir, a bóia (6) roda em torno da bóia (2), as suas hastes, através de duas saliências da janela (3), arrastam-na até que encontre o batente e o trinco. A partir daqui a bóia (6) fica livre e roda até à vertical das suas hastes (7) . Quando a onda começa a inverter o sentido do movimento a bóia (6), muito leve, acompanha-a e liberta o trinco da janela (3) provocando a inundação da bóia (2) enchendo-a de água. A onda continua a descer e a bóia (6) regressa à sua posição de partida.

Cilindros (10)

Os cilindros (10), em princípio três por bloco, são montados ao alto na parte inferior da plataforma metálica do bloco, são tubos direitos de paredes fortes para suportar a pressão que é exercida no seu interior, polido, para facilitar o trabalho dos êmbolos (11).

Os cilindros (10) têm o comprimento adequado ao movimento máximo definido para a bóia (2) . A pressão a que são 9 submetidos é em função da pressão de trabalho da turbina que for adquirida, e é regulada pela relação entre a força exercida pela bóia (2) quando em movimento, e a soma das áreas interiores dos cilindros (10) ligados à referida bóia (2). Uma aplicação da lei de Pascal. Êmbolos (11)

Os êmbolos (11) são as peças que se movem no interior dos cilindros (10) para comprimir a água. São ligados à bóia (2) por intermédio das bielas (8), e têm instalados segmentos na sua periferia que são vedantes destinados a aumentar a eficácia do sistema.

Cabeças (9) e (12) .

As cabeças são órgãos tampão que funcionam apertadas aos extremos dos cilindros (10). Cada cabeça tem instaladas no seu interior uma válvula de admissão (16) e uma válvula de escape (17). No exterior, ligados por condutas interiores às válvulas (16), têm filtros que evitam a entrada de impurezas. Válvulas (16) e (17)

As válvulas são unidireccionais e funcionam por diferenças de pressão. Desempenham funções de abertura e fecho no interior das cabeças. As válvulas de admissão (16) deixam entrar água para os cilindros (10) quando a pressão no interior destes é inferior à pressão da água no mar, e as válvulas (17) deixam passar água dos cilindros (10) para o reservatório (14) quando a pressão dentro daqueles é superior à pressão dentro deste. 10 O grande reservatório caracteriza-se por ser o colector geral de água comprimida de todo o sistema. Na presente invenção ao concentrar toda a água comprimida num ponto, evita a multiplicação de pequenas fontes de produção de electricidade, uma em cada bloco de aproveitamento de energia mecânica. Os pequenos reservatórios dos blocos de produção, são ligados por tubos ao reservatório colector geral, que tem dimensões adequadas e compatíveis com o número de blocos que apoia.

Embora a água, em termos práticos, não seja compressível, na presente invenção introduz-se uma solução que, a baixo custo, coloca a situação ao nível da compressibilidade do ar.

Introduz-se no reservatório uma câmara de ar que à pressão mínima de funcionamento da turbina do alternador, o enche por completo.

Com a presente invenção, toda a água que para lá for bombeada pelos blocos de produção, fica a uma pressão superior à inicial da câmara de ar. Assim, não só acumula energia mecânica à custa do aumento de pressão e redução de volume da câmara de ar, para a ceder em momentos oportunos, como evita impulsos bruscos no regulador da turbina que trabalha com um alternador síncrono, com custos mais reduzidos. mão-de-obra. pouca A presente invenção foi desenvolvida tendo em consideração os custos de investimento por kWh que é inferior à concorrência à excepção da bóia específica. Todos os outros materiais são da maior simplicidade e de uso corrente, o que conduz a baixos custos de conservação. A sua exploração utiliza π

EXEMPLO DE APLICAÇÃO NÃO LIMITATIVO

Dimensões do exemplo escolhido: Bóia com perfil de topo elíptico e com o comprimento de 7 metros;

Volume interno da bóia: 10 metros cúbicos;

Força média de um litro de água salgada: 10.027 newton;

Altura média útil das ondas a norte do cabo da Roca: 2 metros; Número médio de ondas que passam por minuto: 6.

Produção média de energia mecânica por onda e por impulsão 10000 litros x 10.027 newton x 2 metros: 200540 Joule

Produção média de energia por onda, por gravidade: 200540 Joule

Produção total média por onda, impulsão + gravidade: 401080 Joule

Produção média de energia por minuto. 401080J x 6 ondas/min.: 2406480 Joule

Produção média de energia por hora. 2406480 x 60 minutos: 144388800 Joule/hora

Produção média Watt/hora 144388800 Joule / 3600 segundos: 40108 Watt/h

Produção horária por bloco kWh 40108 / 1000: 40,108 kWh

A LEGENDAGEM DAS FIG. 1 E FIG. 2 É A SEGUINTE 1. Estrutura metálica do bloco 2. Bóia do sistema 3. Janela superior de entrada de água na bóia 4 . Janela inferior de esgoto de água da bóia 5. Eixo da bóia 6. Bóia de comando da janela superior 7 . Astes da bóia de comando 8. Bielas de ligação da bóia aos êmbolos 9. Cabeças superiores 10. Cilindros 11. Êmbolos dos cilindros 12 . Cabeças inferiores 13. Filtros de água 14 . Reservatório de água do bloco 15. Pino de equilíbrio da bóia 16. Válvulas de admissão de água do mar 17 . Válvulas de escape de água para o reservatório

Lisboa, 23 de Outubro de 2007

Claims (1)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Sistema de aproveitamento de energia das ondas caracterizado por ser constituído por: • uma estrutura metálica (1) constituída por duas partes, uma parte superior onde são montadas duas colunas ligadas em pórtico, entre as guais se desloca e apoia a bóia (2) e outra parte inferior onde são instalados os cilindros (10) e o reservatório (14); • uma bóia (2), composta por uma janela superior (3), uma janela inferior (4) e respectivo eixo (5); • uma bóia (6) de comando da janela (3) que apresenta o eixo longitudinal apoiado por duas hastes (7), uma em cada extremo, ligadas por chumaceiras ao eixo da bóia (2) ; • dois cilindros de compressão de água (10) equipados com duas cabeças, superior (9) e inferior(12), em cada extremidade, cada uma das cabeças tem instaladas no seu interior duas válvulas unidireccionais, sendo uma válvula de admissão de água do mar (16) para os cilindros e outra válvula de escape de água (17), para o reservatório (14), no exterior, os cilindros (10) estão ligados por condutas interiores às válvulas (16), as quais apresentam filtros (13) que evitam a entrada de impurezas; • dois êmbolos (11), que se movem no interior dos cilindros (10), ligados à bóia (2) por intermédio das bielas (8) e têm instalado segmentos na sua periferia; 2 • um reservatório (14) que apresenta no seu interior uma câmara de ar. Lisboa, 16 de Dezembro de 2009.