PT103869B - Dispositivo de extracção de energia das ondas através do movimento relativo entre dois corpos excitados em oposição de fase - Google Patents

Abstract

NOVO CONCEITO PARA APROVEITAMENTO DA ENERGIA DAS ONDAS EM OFFSHORE COMPOSTO POR DOIS CORPOS COM AMPLITUDES E FASES DOS DESLOCAMENTOS INDIVIDUAIS DIFERENTES. O CORPO SEMI- IMERSO (1) É COMPOSTO PELOS CILINDROS SUPERIOR (1A) E INFERIOR (1B), RIGIDAMENTE LIGADOS POR UMA UNIÃO CILÍNDRICA (1C) . O CILINDRO SUPERIOR (1A) É O RESPONSÁVEL PELA RESTITUIÇÃO DO SISTEMA E O CILINDRO INFERIOR (1B) TEM A DUPLA FINALIDADE DE CONTROLAR O CENTRO DE GRAVIDADE E ADICIONAR AO SISTEMA INÉRCIA, DEVENDO SER POSICIONADO A PROFUNDIDADE SUFICIENTE DE FORMA A REDUZIR A SUA INTERFERÊNCIA COM A ONDA RADIADA. O CORPO IMERSO (2) ESTÁ POSICIONADO À VOLTA DA UNIÃO CILÍNDRICA (1C) . O PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO TEM POR BASE O FACTO DAS FORÇAS DE EXCITAÇÃO VERTICAIS ACTUANTES EM CADA CORPO ESTAREM EM OPOSIÇÃO DE FASE. ESTE EFEITO ALIADO A UMA DEFINIÇÃO ADEQUADA DAS INÉRCIAS, INDUZ UM DESLOCAMENTO RELATIVO ENTRE O CORPO SEMI-IMERSO (1) E O CORPO IMERSO (2), QUE PODE SER APROVEITADO E CONVERTIDO EM ENERGIA ELÉCTRICA.

Description

Dispositivo de extracção de energia das ondas através do movimento relativo entre dois corpos excitados em oposição de fase

Os combustíveis fósseis são actualmente a fonte de energia mais utilizada em todo o mundo. Dado tratar-se de uma fonte de energia esgotável, torna-se imperativo encontrar novas formas de energia.

A crise financeira internacional de 1970/73, levou os países da OPEP (Organização dos Países Exportadores de Petróleo) à elevação dos posted price do petróleo, causando inflação. Esta crise financeira mundial, associada à crise política, acabou por provocar o aumento do preço do petróleo e do gás natural em níveis jamais esperados. Em 1979/1980 ocorreu um novo grande choque petrolífero e o preço do petróleo voltou a subir num cenário muito semelhante ao de 1973.

Actualmente vivemos uma nova crise petrolífera e tal como em todas as outras e sempre que se atravessa uma crise petrolífera, a procura de fontes energéticas alternativas ganha uma maior dimensão e é-lhe dada cada vez mais importância. Se aliarmos a este facto as actuais preocupações ambientais, as energias renováveis afiguram-se como alternativa imprescindível e incontornável, havendo uma enorme procura de soluções técnicas de mecanismos de conversão energética destas fontes de energia.

Uma das formas de energia renovável que se encontra no planeta terra é a energia das ondas e o aproveitamento desta energia já vem a ser estudado há longa data. Várias ideias foram propostas e avaliadas, tendo algumas delas dado origem a sistemas piloto. Os sistemas em fase mais avançada de desenvolvimento e já testados em situações reais em offshore são o Pelamis (US6476511B1), o AWS

1/6 (Archimedes Wave Swing) (WO99/11926), o PowerBuoy da Ocean Power Technologies (W02005/089379A3) e o WaveDragon.

A tecnologia Pelamis é uma estrutura semi-submersa composta por vários cilindros horizontais, ligados entre si por articulações e disposto segundo a direcção de incidência das ondas. 0 movimento das articulações provocado pela ondulação é resistido por cilindros hidráulicos que bombeiam óleo em alta pressão para motores hidráulicos. Os motores hidráulicos accionam geradores eléctricos, sendo a electricidade produzida por todas as articulações transportada num único cabo umbilical para um ponto de ligação no fundo, (www.oceanpd.com)

AWS é um dispositivo cilíndrico de absorção pontual, completamente submerso com um corpo superior oco (flutuador) que oscila verticalmente sobre uma base fixa também oca. 0 interior dos dois corpos é preenchido por ar sob pressão, de tal forma que, na ausência de ondas, a pressão do ar interior produz uma força ascendente sobre o flutuador que equilibra o seu peso e a força resultante da pressão hidrostática produzida pela água exterior. Durante a passagem de uma onda, a pressão exterior oscila em torno da pressão hidrostática, provocando a oscilação vertical do flutuador sobre a base num processo em que o ar interior actua como mola pneumática, produzindo uma força vertical de restituição, (www.awsocean.com)

PowerBuoy é constituído por uma bóia submersa muito próxima da superfície da água, com uma estrutura cilíndrica para aproveitar o movimento induzido pelas ondas. Esta bóia está fixa ao fundo do mar onde se encontra instalado o gerador elêctrico. (www.oceanpowertechnologies.com)

WaveDragon é um dispositivo flutuante para aplicação no offshore. 0 seu princípio de funcionamento baseia-se na acumulação de água num reservatório sobrelevado relativamente ao nível médio da superfície livre do mar. A água acumulada é devolvida ao mar através de turbinas

2/6 hidráulicas Kaplan de baixa queda que accionam geradores eléctricos de fabrico comum. A acumulação da água no reservatório sobrelevado produz-se através do galgamento de uma rampa inclinada pela onda. Para aumentar o desnível de galgamento existem dois reflectores parabólicos colocados a montante da rampa com a finalidade de concentrar a onda incidente, (www.wavedragon.net)

Um dos maiores problemas existentes na extracção desta forma de energia renovável é o tipo de geometria a adoptar para os dispositivos, a sua eficiência, rendimento, robustez e viabilidade económica. 0 objectivo desta invenção inovadora visa colmatar estas dificuldades existentes nos dispositivos flutuantes para recuperação da energia das ondas para aplicação em offshore.

dispositivo proposto foi estudado para ter um elevado rendimento e uma elevada eficiência e ser economicamente viável, podendo ser optimizado para as caracteristicas locais onde se pretenda vir a instalar ou a criar wave fa rms.

sistema é composto por dois corpos, corpo semi-imerso (1) e corpo imerso (2), em que o movimento vertical relativo entre estes é aproveitado e convertido em energia eléctrica. O corpo semi-imerso (1) é constituído por três parte principais, nomeadamente o cilindro superior (la), o cilindro inferior (lb) e a união cilíndrica (lc). Cada parte constituinte do corpo semi-imerso (1) tem uma geometria estudada de forma a poder responder com a maior eficiência possível a determinadas especificidades técnicas para a aplicação em causa.

cilindro superior (la) atravessa a superfície livre e consequentemente, é o responsável pela restituição do sistema. As dimensões do dispositivo são definidas de acordo com o diâmetro do cilindro superior (la). Este diâmetro pode ser tanto maior, ou menor, consoante o nivel de potência que se pretenda extrair. 0 cilindro inferior (lb) tem a dupla finalidade de controlar o centro de

3/6 gravidade para reduzir o balanceamento e permitir adicionar ao sistema inércia suficiente para que este responda adequadamente às frequências de agitação mais comuns. Para esse efeito, o cilindro inferior (lb), deverá estar posicionado a profundidade suficiente de forma a não interferir significativamente com a onda radiada pelo cilindro superior (la), ou seja, não afectar o campo de velocidades e pressões na proximidade da superfície livre.

A ligar o cilindro superior (la) e inferior (lb) está a união cilíndrica (lc) cuja função é criar uma ligação rígida entre o cilindro superior (la) e o cilíndrico inferior (lb). Esta união cilíndrica (lc) tem um diâmetro suficientemente pequeno para garantir características adequadas de radiação do sistema e que, ao mesmo tempo, satisfaça as condições estruturais, o guiamento e o deslizamento do corpo imerso (2) . As características de radiação adequadas do cilindro superior (la) são conseguidas permitindo que este perturbe a superfície livre a uma profundidade tão reduzida quanto possível. No entanto, é desejável que a altura do cilindro superior (la) seja próxima da amplitude do deslocamento do corpo imerso (2) de forma a manter constante a restituição hidrostática, evitando a situação em que o cilindro superior (la) está completamente acima ou abaixo da superfície livre, minimizando, deste modo, efeitos não lineares.

corpo imerso (2) completa o dispositivo. Este corpo é caracterizado por ter um diâmetro tal que estabeleça uma relação de equilíbrio estrutural com a união cilíndrica (lc). A altura do corpo imerso (2) é determinada para que o volume, ou inércia associada, possibilite que o segundo pico de absorção do sistema seja tão próximo do pico de ressonância quanto se pretenda. A altura do corpo imerso (2) é importante para garantir o guiamento e o deslizamento na união cilíndrica (lc) de forma a evitar que ocorra balanceamento.

princípio de funcionamento do sistema tem por base o facto de a força de excitação vertical, que actua no corpo 4/6 semi-imerso (1) e no corpo imerso (2), estar em oposição de fase. Este efeito, aliado a uma definição adequada das inércias de cada um dos corpos induz um deslocamento relativo entre ambos, uma vez que a amplitude e fase dos deslocamentos individuais é desigual. Para minimizar efeitos não lineares os corpos semi-imerso (1) e imerso (2) são boleados.

Uma das vantagens do sistema proposto é o facto de se tratar de um dispositivo axissimétrico o que facilita a sua implementação em offshore, não havendo necessidade de direccionar o dispositivo para a frente de onda incidente, como acontece com outros dispositivos, nomeadamente o Pelamis e o WaveDragon. 0 direccionamento de dispositivos para a frente de onda incidente culmina, usualmente, em enormes problemas no que respeita ao projecto e dimensionamento dos sistemas de ancoragem a adoptar. No caso do dispositivo proposto não será um problema de fundo, uma vez que existem diversas aplicações de sistemas de ancoragem usados em bóias instaladas em offshore.

sistema de extracção de energia -Power Take Off- está localizado entre o corpo imerso (2) e o corpo semi-imerso (1) de forma a tirar partido do movimento vertical relativo entre ambos. 0 equipamento de Power Take Off que venham a ser adoptado no dispositivo proposto poderá ser hidráulico, eléctrico, do tipo gerador linear ou rotativo, ou outro.

Em suma, é proposto um dispositivo que, dependendo do meio onde possa vir a ser instalado, pode ser ajustado/optimizado quer a nível da geometria, quer a nível do sistema de Power Take Off que se venha a ser adoptado.

Para melhor interpretação do dispositivo proposto, são adicionados alguns desenhos, nos quais:

- A figura 1 ilustra uma das partes do dispositivo proposto, designada de corpo semi-imerso (1). Este corpo está semi-imerso e é composto por dois cilindros, cilindro superior (la) e cilindro inferior (lb), com extremidades boleadas rigidamente ligados por um cilindro denominado de união cilíndrica (lc).

- A figura 2 ilustra a outra parte do dispositivo proposto, denominada de corpo imerso (2) . Este corpo tem forma anelar e está completamente imerso, posicionando-se em volta da união cilíndrica (lc).

- A figura 3 ilustra a forma de integração das duas partes do dispositivo proposto, corpo semi-imerso (1) e corpo imerso (2).

- A figura 4 ilustra o princípio de funcionamento do dispositivo que tem por base o facto da força de excitação vertical, que actua em cada uma das partes descritas acima, estar em oposição de fase. Este efeito, aliado a uma definição adequada das inércias de cada uma das partes, induz um deslocamento relativo entre o corpo semi-imerso (1) e o corpo imerso (2), uma vez que a amplitude e fase dos deslocamentos individuais destes é desigual.

Claims (3)

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo de extracção de energia das ondas através do movimento relativo entre dois corpos, um dos quais (1) dotado de um elemento flutuador, excitados em oposição de fase, caracterizado por o corpo semi-imerso (1) ser composto por um cilindro superior (la), um cilindro inferior (lb) e uma união cilíndrica (lc) que estabelece uma ligação rígida de pequeno diâmetro entre os cilindros superior (la) e inferior (lb) e que satisfaz as condições estruturais de construção, o guiamento e o deslizamento de um segundo corpo imerso (2), tendo o corpo semi-imerso (1) a particularidade de ter no cilindro inferior (lb), uma massa submersa colocada a uma profundidade suficiente para evitar uma significativa interferência sobre a hidrodinâmica da parte superior (la) e com a finalidade de adicionar inércia de forma a sintonizar o dispositivo na gama de frequências pretendida, sem afectar o campo de velocidades e pressões na vizinhança da superfície livre e mantendo a estabilidade do dispositivo, sendo que a força de excitação do corpo imerso (2) promove um deslocamento relativo entre os corpos semi-imerso (1) e imerso (2) que é aproveitado para extracção de energia.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o corpo imerso (2) ter uma altura que é determinada para que o volume ou inércia associada juntamente com a inércia do corpo semi-imerso (1) e com o efeito de oposição de fase em que ambos os corpos se encontram, induza um deslocamento relativo entre ambos os corpos (1 e 2) tendo em vista que a amplitude e fase dos deslocamentos individuais é desigual de modo a que os picos de absorção sejam tão próximos do pico de ressonância quando se pretenda.

3 . Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a altura do corpo imerso (2) ser um parâmetro que vai garantir o guiamento e deslizamento na união cilíndrica (lc) de forma a evitar ocorrência de balanceamento.

Lisboa, 9 de Novembro de 2008