PT105135B - EQUIPMENT FOR PRODUCING ELECTRICAL ENERGY WITH MARITIME AND SEA CURRENTS - Google Patents
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Abstract
O PRESENTE INVENTO REFERE-SE A MÁQUINA QUE GERA ENERGIA ELÉCTRICA, CUJO FUNCIONAMENTO SE BASEIA NO MOVIMENTO DE PÊNDULO, COM EXTREMO EM ÍMAN, NO INTERIOR DE UMA ESFERA (1) CHEIA DE AR, COM DUAS METADES UNIDAS EM EIXO VERTICAL (10), SUPERFÍCIE EXTERNA RUGOSA, QUE SE MOVE COM A PASSAGEM DA ÁGUA NO LEITO MARINHO E É SUPORTADA POR DOIS APOIOS (3, 9). QUANDO O DITO PÊNDULO SE MOVE, É AINDA EXCITADO PELA INTERACÇÃO COM DOIS ELEMENTOS DE FERRO REVESTIDOS POR PLÁSTICO (8) FIXOS, DE GRANDE DIMENSÃO E EXTERIORES, SUPORTADOS EM DOIS APOIOS (6). A CORRENTE ELÉCTRICA É ENCAMINHADA ATRAVÉS DE CABOS (2). O PESO (7) ABAIXO DA ESFERA CONFERE-LHE ESTABILIDADE. A BASE (4) TEM UMA ARGOLA (5) PARA A REMOÇÃO DA ESTRUTURA. TODOS OS COMPONENTES EM CONTACTO COM A ÁGUA TÊM UMA FORMA HIDRODINÂMICA.The present invention relates to the machine which generates electrical energy, the operation of which is based on the movement of the pendulum, with an end in the magnet, inside an air-filled sphere (1), with two halves joined in a vertical axis (10), RUGGED EXTERIOR SURFACE, WHICH MOVES WITH WATER PASSAGE IN THE SEA AND IS SUPPORTED BY TWO SUPPORTS (3, 9). WHEN THE PENDULUM HAS MOVED, IT IS STILL EXCITED BY THE INTERACTION WITH TWO FIXED, LARGE-DIMENSIONAL AND EXTERIOR PLASTIC-COATED IRON ELEMENTS SUPPORTED IN TWO SUPPORTS (6). THE ELECTRIC CURRENT IS TRANSFERRED THROUGH CABLES (2). WEIGHT (7) BELOW THE SPHERE CONFIRMS YOU STABILITY. THE BASE (4) HAS A HANGER (5) FOR THE REMOVAL OF THE STRUCTURE. ALL COMPONENTS IN CONTACT WITH WATER HAVE A HYDRODYNAMIC FORM.
Description
DESCRIÇÃODESCRIPTION
Equipamento para produzir energia eléctrica com as correntes maritimas e marés. Área técnica da invençãoEquipment for producing electricity with sea currents and tides. Technical area of the invention
Actualmente, a maioria da energia eléctrica ainda é obtida com o recurso a fontes ou que são não renováveis (como as centrais que consomem combustíveis fósseis) ou com elevado impacto ambiental (as barragens). Todavia, em Portugal, uma parte importante da energia eléctrica, já é produzida a partir de fontes renováveis, como o vento, em que não existe um impacto ambiental significativo. Não obstante, o mar ser muito vasto ao largo da costa portuguesa, não existem instalações de equipamentos que permitam gerar energia eléctrica a partir das correntes marítimas, marés, ou correntes nos estuários dos rios. Em todo o mundo, os contextos de aproveitamento de energia do mar ou são de muito pequena dimensão ou encontram-se em fase de estudo/protótipo. Todavia, a energia contida nos movimentos de água marinhos, poderá ser importante para suprir as necessidades energéticas da nossa sociedade.At present, most of the electricity is still obtained through the use of sources or that are non-renewable (such as fossil fuel-fired plants) or with a high environmental impact (dams). However, in Portugal, a significant part of electricity is already produced from renewable sources, such as wind, where there is no significant environmental impact. Nevertheless, the sea is very vast off the Portuguese coast, there are no equipment installations that allow generating electricity from sea currents, tides, or currents in estuaries of rivers. Across the world, the contexts of sea energy use are either very small or are in the study / prototype phase. However, the energy contained in marine water movements may be important to meet the energy needs of our society.
Sendo verdade que existe a necessidade de energia eléctrica produzida de forma amiga do ambiente, também é verdade que as formas de produção renováveis só serão uma verdadeira opção para os agentes económicos, se a energia que produzirem apresentar custos de produção competitivos. Esta questão é essencial. A energia de uma corrente marítima de 19,2 Km/h é equivalente à contida em ventos de 176 Km/h, e assim, embora a velocidade das correntes seja inferior à do vento, existe a expectativa de obter bons resultados tal como sucede em terra com os ventos.While it is true that there is a need for environmentally-friendly electrical energy, it is also true that renewable forms of production will only be a real option for economic operators if the energy they produce produces competitive production costs. This question is essential. The energy of a sea current of 19.2 km / h is equivalent to that contained in winds of 176 km / h, and thus, although the velocity of the currents is lower than the wind, there is an expectation of obtaining good results as in land with the winds.
Além das questões de eficiência, são também importantes os factores de conservação e manutenção de uma máquina no mar. Com efeito, o contacto com a água do mar, pode ter efeitos corrusivos nos equipamentos geradores de energia. Existe assim a necessidade de os proteger devidamente. 0 impacto no habitat marinho também deve ser tido em conta em projectos deste tipo, levando à escolha de opções técnicas que o permitam minimizar, quer em termos visuais como operacionais. 1/5In addition to efficiency issues, the factors of maintenance and maintenance of a machine at sea are also important. In fact, contact with sea water can have a detrimental effect on energy-generating equipment. There is thus a need to protect them properly. The impact on the marine habitat should also be taken into account in projects of this type, leading to the choice of technical options that allow it to be minimized, both visually and operationally. 1/5
Estado da técnicaState of the art
No contexto das ondas do mar, por exemplo USP 7453165, são utilizados geradores no interior de objecto esférico. Para correntes maritimas, são utilizadas ventoinhas. 0 dimensionamento de imanes permanentes é considerado ("Provas de Aptidão Pedagógica", Anabela Gonçalves, UNL, 2000, p. 62).In the context of sea waves, for example USP 7453165, generators are used inside a spherical object. For marine currents, fans are used. The design of permanent magnets is considered (" Proofs of Pedagogical Aptitude ", Anabela Gonçalves, UNL, 2000, p.62).
Sumário da invenção O presente invento refere-se a uma máquina para produzir energia eléctrica com as correntes maritimas e marés, cujo funcionamento se baseia no movimento de uma esfera (pode ser outro objecto hidrodinâmico) e respectivo pêndulo contido no seu interior, o qual terá origem no atrito provocado pela passagem de correntes maritimas e campo de indução magnética de um iman permanente, no extremo do pêndulo, e dois elementos de ferro externos.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a machine for producing electrical energy with sea currents and tides, the operation of which is based on the movement of a sphere (may be another hydrodynamic object) and its impactor contained therein, which will have origin in the friction provoked by the passage of marine currents and magnetic induction field of a permanent magnet at the end of the pendulum and two external iron elements.
Esta máquina está especialmente indicada para locais do leito do mar localizados na faixa costeira, com profundidades até pelo menos 100 metros, pois possui uma estrutura e materiais robustos. Também é indicada para locais onde as correntes maritimas apresentam um dinamismo médio, pois a máquina possui dois elementos de ferro e um iman que têm como objectivo prolongar o movimento oscilante do pêndulo que permite a geração de corrente eléctrica (elemento distintivo principal da invenção). Nos extremos do movimento, a força gravitica subtraída da força de impulsão no pêndulo, é inferior à força de atracção do magneto, até que a força de impulsão se extingue e a força gravitica se torna superior à força do magneto e o pêndulo desce novamente. Consegue-se assim obter um desempenho aceitável, com eficiência acrescida.This machine is especially suitable for seafloor sites located in the coastal strip, with depths up to at least 100 meters, as it has a robust structure and materials. It is also indicated for places where the sea currents present an average dynamism, since the machine has two elements of iron and an imán that have like objective to prolong the oscillating movement of the pendulum that allows the generation of electrical current (main distinctive element of the invention). At the extremes of motion, the gravitational force subtracted from the thrust force on the pendulum is less than the pulling force of the magnet until the thrust force extinguishes and the gravitational force becomes greater than the force of the magnet and the pendulum descends again. Achieving acceptable performance, with increased efficiency.
No caso específico da produção de energia eléctrica no mar, para a qual a máquina deste invento está especialmente indicada, pode-se referir que um equipamento com estas características poderá levar ao incremento da produção de energia eléctrica, ao mesmo tempo que evita o impacto visual ou na circulação de navios, que poderia originar caso a produção de energia se fizesse ou à superfície do mar ou muito próximo dela. Este invento anula estes inconvenientes pois localiza-se a uma profundidade razoável, facto que é possível graças à sua constituição e forma.In the specific case of the production of electric power at sea, for which the machine of this invention is especially indicated, it may be pointed out that an equipment with these characteristics may lead to an increase in the production of electric energy, while avoiding the visual impact or in the circulation of ships, which could arise if the production of energy were carried out on or near the surface of the sea. This invention overrides these drawbacks as it is located at a reasonable depth, which is possible thanks to its constitution and shape.
Outra vantagem reside no facto do equipamento que gera a energia se encontrar em contacto com o ar, no interior da esfera, e não em contacto com a água do mar. Por um lado, o pêndulo em contacto com o ar terá um movimento mais fluido do que teria caso estivesse em contacto com a água, por outro, o facto de não contactar com a água do mar, significa que não está sujeito à deterioração devida ao sal e humidade. A máquina de acordo com o presente invento compreende um suporte que a estabiliza no fundo do mar, sob o qual existe em 2/5 paralelo, uma estrutura muito fina que permite alguma mobilidade de toda a máquina de forma a permitir a sua adaptação ao sentido das correntes. Sob esta estrutura, existem apoios de suporte à máquina e aos dois elementos de ferro laterais. Essa esfera contém, além de ar e pêndulo com extremo de iman permanente, dois (poderá ser apenas um) geradores paralelos que estão localizados lateralmente ao veio central de suporte ao pêndulo. Estes geradores, cujo movimento accionado pelo pêndulo permite a produção de corrente eléctrica, são suportados por uma estrutura interior à esfera, no seu topo, que os mantém na posição correcta e em linha com o pêndulo. A corrente gerada é encaminhada por cabos que saém da esfera pelo seu topo e se dirigem para a estrutura da máquina. Sob a esfera localiza-se um sistema electrónico para detectar o seu movimento, para efeitos de monitorização da evolução do seu funcionamento. A máquina pode ser instalada em conjunto com outras máquinas, numa estrutura em gaiola, com formato que poderá ser piramidal, permitindo maior estabilidade da estrutura conjunta.Another advantage is that the equipment which generates the energy is in contact with the air, inside the sphere, and not in contact with the sea water. On the one hand, the pendulum in contact with the air will have a more fluid movement than it would have if it were in contact with the water, on the other, the fact that it does not contact with sea water means that it is not subject to deterioration due to salt and moisture. The machine according to the present invention comprises a support which stabilizes it in the seabed under which there is in parallel 2/5 a very thin structure which allows some mobility of the whole machine in order to allow its adaptation to the direction of chains. Under this structure, there are support supports for the machine and the two lateral iron elements. This sphere contains, in addition to air and pendulum with permanent magnet end, two (may be only one) parallel generators that are located laterally to the central pendulum support shaft. These generators, whose pendulum-driven movement allows the production of electric current, are supported by an inner structure of the ball at its top, which maintains them in the correct position and in line with the pendulum. The generated current is routed through cables that exit the sphere through its top and go to the structure of the machine. Under the sphere is an electronic system to detect its movement, for the purpose of monitoring the evolution of its operation. The machine can be installed in conjunction with other machines, in a cage structure, with a shape that can be pyramidal, allowing greater stability of the joint structure.
Assim, a máquina objecto do presente invento, é caracterizada por ser um equipamento mecânico e eléctrico, concebido especialmente para produzir energia eléctrica com as correntes maritimas e marés. 0 presente invento é seguidamente descrito em pormenor, sem carácter limitativo e a titulo exemplificativo, por meio de uma sua forma de realização preferida, representada nos desenhos anexos, nos quais: a fig. 1 é uma representação em perspectiva esquemática (frontal) e simplificada de uma concretização da máquina de acordo com o invento; e a fig. 2 é uma representação em perspectiva esquemática (lateral) e simplificada de uma concretização da máquina de acordo com o invento; e a fig. 3 é um corte esquemático (interior da esfera e pêndulo) da dita máquina das fig. 1 e 2; e a fig. 4 é uma representação de frente em perspectiva esquemática e simplificada de uma concretização do sensor embutido na superfície do peso localizado na face inferior da esfera de acordo com o invento; e a fig. 5 é uma representação em perspectiva esquemática (topo) e simplificada de uma concretização das abas microscópicas da superfície da esfera de acordo com o invento; e a fig. 6 é uma representação em perspectiva esquemática (lateral) e simplificada de uma concretização dos pesos e suportes de transporte de electricidade para terra de acordo com o invento. 3/5Thus, the machine object of the present invention is characterized in that it is a mechanical and electrical equipment, specially designed to produce electrical energy with the sea currents and tides. The present invention is hereinafter described in detail, without limitation and by way of example, by means of a preferred embodiment thereof, shown in the accompanying drawings, in which: Fig. 1 is a schematic (front) simplified perspective view of an embodiment of the machine according to the invention; and Fig. 2 is a schematic (side) and simplified perspective representation of an embodiment of the machine according to the invention; and Fig. 3 is a schematic section (inside of the ball and pendulum) of said machine of Figs. 1 and 2; and Fig. 4 is a schematic and simplified perspective front view of an embodiment of the sensor embedded in the weight surface located on the underside of the ball according to the invention; and Fig. 5 is a simplified schematic (top) perspective representation of an embodiment of the microscopic flaps of the sphere surface according to the invention; and Fig. 6 is a schematic (lateral) simplified perspective view of an embodiment of the weights and supports for transporting electricity to land according to the invention. 3/5
Descrição da concretização preferidaDescription of the Preferred Embodiment
Fazendo referência às figuras, vai ser agora descrita a concretização preferida do invento, em que a máquina é constituída por um conjunto de orgãos representados nas ditas figuras, montadas como seguidamente se descreve.With reference to the figures, the preferred embodiment of the invention will now be described, wherein the machine is constituted by a set of bodies shown in said figures, assembled as follows.
Todos os elementos exteriores da máquina têm forma hidrodinâmica. A estrutura de suporte (4) fixa e mantém a máquina estabilizada no leito marinho e aloja equipamento de monitorização remota de movimento da esfera (1) (constituído por um sensor (24), emissor, detector na sua estrutura abaixo da esfera, e um cristal reflector, no peso (7)). Na estrutura existem argolas laterais (5) para a remoção da máquina para a superfície. A estrutura de suporte (4) é constituída por um material resistente (com bons indices de resistência/peso e resistência à tracção, por exemplo, poliéster e aço) à pressão (e elevadas tensões normais pontuais) e ao meio aquático e apresenta um volume e densidade que permitem compensar a força vertical originada pela esfera (1) essencialmente cheia de ar (atenta-se ao principio de Arquimedes).All the exterior elements of the machine have a hydrodynamic shape. The support structure (4) secures and maintains the stabilized machine in the seabed and houses remote ball motion monitoring equipment (1) (constituted by a sensor (24), emitter, detector in its structure below the ball, and a reflecting crystal, by weight (7)). In the frame there are side rings (5) for removing the machine to the surface. The support structure (4) consists of a resistant material (with good indices of strength / weight and tensile strength, eg polyester and steel) at the pressure (and high point stresses) and the aquatic medium and has a volume and density that allow to compensate the vertical force originated by the ball (1) essentially full of air (it is attentive to the principle of Archimedes).
Sobre e paralelamente à dita estrutura (4), existe estrutura móvel (12), não produtora de energia, sob pequenas rodas, com rebordo interior a (4), para movimento lateral (cerca de 45 graus para cada lado) da máquina, tal que toda a máquina fique mais no sentido das correntes marítimas. Acima da estrutura móvel (12), existem os apoios laterais (3, 9) da esfera, ligados de forma a impedir a entrada de água, mas permitindo o seu movimento, e ainda os apoios dos elementos de ferro (8, 11), fixos, os quais podem ser revestidos a tinta (ou plástico), e são laterais e superiores ao ponto de repouso do pêndulo, junto da região equatorial da dita esfera (1), não contactando com a superfície desta. A esfera (1) é construída em titânio ou liga titânio molibdénio. Os ditos elementos em ferro (8, 11) no seu lado que fica exposto ao movimento directo das correntes marítimas, apresentam uma forma ovalada. A posição dos ditos elementos deve ser tal que aumente o número de vezes que o pêndulo (22,23), de extremo de íman permanente em Alnico (23), alcança os pontos extremos do seu movimento oscilante. Este facto, juntamente com a formação de dois circuitos magnéticos, temporários e alternados, em que a esfera (23) , no extremo do pêndulo (22, 23) é móvel, e os elementos de ferro são fixos (8, 11) , são os efeitos técnicos inesperados deste equipamento. Os materiais existentes no interior da dita esfera (1) , à excepção dos do extremo do pêndulo (Alnico), não interferem com os ditos elementos (8, 11) . 0 campo magnético do íman não atinge os geradores e utiliza-se o titânio ou liga titânio molibdénio em alguns componentes (eixos, apoios e veios) para o evitar.On and parallel to said structure (4), there is a non-energy-producing mobile structure (12), with small wheels, with inner collar (4) for lateral movement (about 45 degrees for each side) of the machine, that the whole machine is more in the direction of the sea currents. Above the movable structure (12), there are the side supports (3, 9) of the ball, connected so as to prevent water from entering but allowing movement thereof, and also the supports of the iron elements (8, 11) which can be coated in paint (or plastic), and are lateral and superior to the resting point of the pendulum, near the equatorial region of said sphere (1), not contacting the surface thereof. The ball (1) is constructed of titanium or alloys titanium molybdenum. Said iron elements (8, 11) on their side which is exposed to direct movement of the sea currents, have an oval shape. The position of said elements should be such that it increases the number of times that the pendulum (22,23), of permanent magnet end in Alnico (23), reaches the extreme points of its oscillating movement. This, together with the formation of two temporary and alternating magnetic circuits, wherein the ball (23) at the end of the pendulum (22, 23) is movable, and the iron elements are fixed (8, 11), are unexpected technical effects of this equipment. The materials existing inside said sphere (1), other than those of the pendulum end (Alnico), do not interfere with said elements (8, 11). The magnetic field of the magnet does not reach the generators and titanium or titanium alloy molybdenum is used in some components (shafts, supports and shafts) to avoid it.
Os ditos apoios laterais (3, 9) da esfera, possuem na sua extremidade ligações a rolamentos e rotentores (não representados) . A dita esfera (1) tem superfície interna lisa 4/5 e a rugosidade da sua superfície exterior é justificada pela existência de milhares de abas milimétricas dispostas com a face voltada para a corrente marítima e espaços entre si (25) . Os intervalos entre as abas permitem fluxos de água e o movimento oscilante, com captação e libertação de forças. A dita esfera (1) tem duas metades que se unem ao longo de um eixo vertical (10) com borracha, uma braçadeira de aperto, parafusos que apertam a aba lateralmente e/ou ainda através de ligação permanente indirecta com rebites. O transporte da energia para terra, é feito através de um ou dois cabos (2), bem isolados, que serão seguros a uma sequência de suportes (26), que podem ser de aço, fixos em pesos (27). O veio (16, 17) central está entre os dois geradores iguais (15, 21) , do tipo indutor-induzido, por exemplo, os quais se encontram um de cada lado, nos extremos do veio horizontal (16) onde estão ligados os dois induzidos dos geradores, como se fossem o mesmo objecto. Os dois geradores são seguros pelo seu topo e lateralmente (14, 19, 20), por uma estrutura leve, que surge vinda do topo da esfera, fixando-os com parafusos e encaixes (não representados). Os elementos de apoio são ligados à superfície topo da esfera, e é através deles que passam os cabos para os elementos no interior da esfera, não existindo outra forma de contacto entre estes elementos. O peso desta estrutura é contrabalançado por um peso exterior (7), no extremo inferior da esfera. O ponto central da roda (17) é aquele onde se encontra fixada a extremidade "fixa" do pêndulo o que garante que o pêndulo pode mover a sua extremidade solta (22, 23) sem que esta esbarre na superfície interior da esfera.Said side supports (3, 9) of the ball have at their end connections to bearings and rotators (not shown). Said ball (1) has a smooth inner surface 4/5 and the roughness of its outer surface is justified by the existence of thousands of millimetric flaps arranged facing the sea current and spaces between them (25). The intervals between the flaps allow flows of water and the oscillating movement, with capture and release of forces. Said ball (1) has two halves which are joined along a vertical axis (10) with rubber, a clamping clamp, bolts that tighten the flap laterally and / or further by indirect permanent connection with rivets. The transport of energy to earth is done by means of one or two cables (2), well insulated, which will be secured to a sequence of supports (26), which may be of steel, fixed in weights (27). The central shaft (16, 17) is between the two equal inductor-induced generators (15, 21), for example, which are located on each side at the ends of the horizontal shaft (16) where the two inductors of the generators, as if they were the same object. The two generators are secured by their top and laterally (14, 19, 20) by a light structure, which arises from the top of the ball, securing them with screws and recesses (not shown). The support elements are connected to the top surface of the sphere, and through them the cables are passed to the elements inside the sphere, there being no other way of contact between these elements. The weight of this structure is counterbalanced by an outer weight (7) at the lower end of the sphere. The center point of the wheel (17) is that where the " fixed " of the pendulum which ensures that the pendulum can move its loose end (22, 23) without it impacting the inner surface of the ball.
Quando o dito extremo (23) se desloca no sentido de um dos elementos em ferro opostos (8, 11), fica sob sua acção e esse facto juntamente com a acção da corrente marítima, permite o seu movimento, o accionamento dos geradores (15, 21) e consequentemente a produção de energia.When said end (23) moves towards one of the opposing iron elements (8, 11), it is under its action and this, together with the action of the sea current, allows its movement, the actuation of the generators (15). , 21) and consequently the production of energy.
Lisboa, 5 de Agosto de 2013 5/5Lisbon, August 5, 2013 5/5
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