PT105368A - Tanque flutuante assimétrico conversor de energia das ondas - Google Patents

Abstract

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM TANQUE FLUTUANTE ASSIMÉTRICO CONVERSOR DA ENERGIA DAS ONDAS EM ENERGIA ELÉCTRICA, COM UM SISTEMA DE AMARRAÇÃO AO FUNDO DO MAR, ESTANQUE EM RELAÇÃO AO EXTERIOR. O ARRANJO INTERIOR É DEFINIDO POR DOIS RESERVATÓRIOS VERTICAIS (1), QUE SE LIGAM ENTRE SI NAS PARTES INFERIOR E SUPERIOR POR DUAS CONDUTAS HORIZONTAIS. ENTRE OS DOIS RESERVATÓRIOS DO TANQUE, MOVIMENTAM-SE CONTINUAMENTE DOIS FLUIDOS, UM NO ESTADO LÍQUIDO E O OUTRO NO ESTADO GASOSO (QUE PODEM SER ÁGUA E AR), SENDO OS MOVIMENTOS DO SISTEMA INDUZIDOS PELAS ONDAS INCIDENTES. DENTRO DA CONDUTA SUPERIOR (2) EXISTE UMA TURBINA AXIAL E REVERSÍVEL, ACCIONADA PELO MOVIMENTO DO GÁS QUE ATRAVESSA A CONDUTA SUPERIOR, GÁS ESSE QUE SE MOVIMENTA DEVIDO À DIFERENÇA DE PRESSÕES SOBRE SI EXERCIDA PELO LÍQUIDO, QUE SE MOVIMENTA DEVIDO AOS MOVIMENTOS OSCILATÓRIOS DO FLUTUADOR PROVOCADOS PELAS ONDAS DO MAR (3), NOMEADAMENTE A DERIVA, A ARFAGEM E O BALANÇO.

Description

DESCRIÇÃO

Dispositivo flutuante assimétrico conversor de energia das ondas

Campo da invenção

Campo técnico em que a invenção se insere A presente invenção refere-se a um dispositivo flutuante assimétrico conversor de energia das ondas em energia eléctrica, com um sistema de amarração ao fundo do mar, e cujo arranjo interior inclui dois reservatórios verticais, parcialmente cheios com água, e o remanescente com ar, e que se ligam entre si na parte inferior por uma conduta inferior horizontal de secção transversal igual à dos reservatórios verticais. Os reservatórios verticais mais a conduta inferior formam um tanque interior. A água dentro dos reservatórios verticais e da conduta horizontal inferior forma uma coluna de água de secção transversal constante e com forma em "U". 0 dispositivo flutuante assimétrico move-se sob a acção das ondas, o que provoca o movimento dinâmico da coluna de água oscilante. Os reservatórios verticais ligam-se entre si na sua parte superior por uma conduta horizontal de secção circular. Dentro da conduta superior existe uma turbina axial e reversível, accionada pelo movimento do ar impulsionado pela coluna de água oscilante. A energia mecânica assim produzida deverá ser convertida em energia eléctrica através do acoplamento da turbina a um sistema de produção de energia eléctrica. 0 presente invento tem aplicação na área da construção naval e de dispositivos para aproveitamento da energia das ondas. Tal como na produção de energia eléctrica e sua comercialização. 1

De uma forma geral, os dispositivos para conversão de energia das ondas podem ser divididos em dois grandes grupos: • 1) Dispositivos costeiros; • 2) Dispositivos "off-shore".

Nestes casos a distinção prende-se com a profundidade do local (associada com a distância à linha-de-costa) à qual estes dispositivos são instalados. Assumindo-se uma separação entre as águas restritas e as águas profundas para uma profundidade de cerca de 40 metros.

Um dos dispositivos costeiros mais bem sucedidos é o de Coluna de Água Oscilante (CAO) , onde, tal como o nome sugere, existe uma coluna de água que se eleva e comprime um dado caudal de ar, que por sua vez actua uma turbina axial. Actualmente, encontra-se instalada, desde 1992 na ilha do Pico (arquipélago dos Açores), uma turbina axial do tipo Well de 500 kW.

Para além dos dispositivos costeiros do tipo CAO existem ainda os do tipo pendular e do tipo barragem, instalados em canais que estão em contacto permanente com as ondas que chegam às linhas-de-água costeiras.

Quanto aos dispositivos "off-shore", que em geral necessitam de um sistema de amarração para se manterem em posição, estes podem ainda ser divididos em quatro subgrupos, consoante a forma como a potência das ondas é extraída: • a) Dispositivos de flutuação - neste caso o movimento vertical de um dado flutuador entre a cristã e a cava da onda, em relação a um ponto fixo (fundo do mar), é utilizado para produzir energia; • b) Dispositivos pneumáticos - neste caso o ar é utilizado como fluido actuante na produção de energia eléctrica. Na sua forma mais simples um dispositivo flutuante do tipo CAO pode accionar um turbo-gerador. 2 outros dispositivos que utilizam

Existem, no entanto, membranas ou sacos para comprimir o ar, sob a acção das ondas; • c) Dispositivos de massa oscilante - a extracção de energia é feita utilizando o movimento relativo entre dois, ou mais, corpos rígidos; • d) Dispositivos hidro-eléctricos - a energia das ondas é extraída de forma idêntica à das barragens, ou seja, as ondas "sobem" rampas acumulando energia potencial, que depois é utilizada para accionar uma turbina após a sua queda. 0 dispositivo proposto pode assim ser classificado como do tipo pneumático, com coluna de água oscilante.

Estado da técnica

Ao longo dos últimos anos têm sido realizadas algumas tentativas ineficazes de resolução do problema da extracção de energia das ondas, com recurso a dispositivos "off-shore" flutuantes. Todos estes dispositivos utilizam o movimento relativo entre o flutuador e as ondas. No entanto, o facto das ondas do mar terem características aleatórias, apresentarem uma determinada dispersão direccional, e as suas características estatísticas (estado de mar) poderem ainda variar após um período de tempo curto (aproximadamente quatro horas), o rendimento energético destes dispositivos acaba por ser bastante inferior àquele para o qual os dispositivos são optimizados. Acrescenta-se ainda o facto de estes dispositivos serem habitualmente constituídos por diversas partes móveis, que se traduz em requisitos acrescidos de manutibilidade e num elevado risco de falha em condições ambientais extremas, por assim poderem ser excedidos os seus limites de robustez mecânica ou estrutural. 3

No caso dos dispositivos "off-shore" flutuantes, com CAO existem o “Archimedes Wave Swing AWS" [1] e o descrito na patente US2010/0038912A1. 0 principio de funcionamento do “Archimedes Wave Swing AWS" baseia-se num flutuador que acompanha o movimento oscilatório das ondas e se movimenta verticalmente para cima e para baixo, relativamente a um pontão cilíndrico fixo. 0 sistema encontra-se pressurizado e a energia mecânica necessária para amortecer a oscilação é aproveitada pelo extractor de potência. Quanto ao descrito na patente US2010/0038912A1, consiste numa coluna de água oscilante flutuante com a ligação ao mar colocada no extremo direito de um flutuador, sendo a câmara de compressão do ar e a turbina colocada no extremo esquerdo do flutuador, dando a possibilidade de se extrair energia extra devido ao movimento de cabeceio do flutuador.

Em termos de dispositivos "off-shore" flutuantes, capazes de extrair energia a partir dos movimentos oscilatórios do flutuador de arfagem, deriva e balanço (ou arfagem, avanço e cabeceio, conforme o referencial adoptado) induzidos pelas ondas, existe o "SEAREV" [2a,b]. 0 seu princípio de funcionamento baseia-se num flutuador ligado a um eixo horizontal, onde roda uma massa muito pesada descentrada, comportando-se mecanicamente como um pêndulo, onde é ligada uma haste actuadora, capaz de comprimir um fluido, que irá accionar o extractor de potência. 0 presente invento é diferente dos sistemas que já existem. Para o efeito, propõe-se um dispositivo flutuante assimétrico conversor de energia das ondas em energia eléctrica, com um sistema de amarração ao fundo do mar, e cujo arranjo interior inclui dois reservatórios verticais, parcialmente cheios com água e o remanescente com ar, que se ligam entre si na parte inferior por uma conduta horizontal de secção transversal igual à dos reservatórios 4 verticais. A água dentro dos reservatórios verticais e da conduta horizontal forma uma coluna de água de secção transversal constante e com forma em "U". 0 dispositivo flutuante assimétrico move-se sob a acção das ondas, o que provoca o movimento dinâmico da coluna de água oscilante. Os reservatórios verticais ligam-se entre si na sua parte superior por uma conduta horizontal de secção circular. Dentro da conduta superior existe uma turbina axial e reversível, accionada pelo movimento do ar. A energia das ondas é extraída através do movimento da coluna de água oscilante dentro do tanque, que força a passagem do ar dentro da conduta superior e acciona a turbina. A coluna de água oscilante interior com secção constante ao longo do "U" tem características dinâmicas e uma frequência natural própria que são utilizadas para maximizar a extracção de energia das ondas. A frequência natural própria da coluna de água oscilante é sintonizável alterando a quantidade de água dentro do tanque, ou alterando a pressão do ar dentro dos reservatórios.

Dadas as características dinâmicas da coluna de água oscilante em "U" e dada a forma assimétrica do dispositivo flutuante, consegue-se acoplar três graus de liberdade do dispositivo flutuante ao movimento da coluna de água oscilante e desta forma extrair energia das ondas através de três modos de movimento. 0 dispositivo que aqui se propõe é portanto classificado como do tipo pneumático com coluna de água oscilante. No entanto, difere dos apresentados nos parágrafos anteriores, tal como se explica de seguida. (a) Comparação com o AWS: o AWS funciona com uma coluna de água oscilante vertical cujo reservatório está aberto para o exterior. 0 presente invento tem uma coluna de água oscilante interior e em forma de "U". 5 (b) Comparação com a patente US20100038912A1: esta patente consiste num sistema com coluna de água oscilante, em que a coluna de água é em "L", uma das extremidades está aberta abaixo da linha de água e a outra é aberta para o ar (através duma turbina). 0 invento aqui proposto usa uma coluna de água oscilante em forma de "U" totalmente interior e a turbina funciona através da diferença de pressão entre dois reservatórios interiores. (c) Comparação com o SEAREV: a extracção de energia no SEAREV é feita através do movimento angular relativo entre o flutuador e uma massa rígida e pendular interior. 0 flutuador é simétrico logo a energia é extraída de dois modos do movimento (balanço e deriva). No presente invento a extracção de energia faz-se através do movimento relativo entre o dispositivo flutuante e a coluna de água interior e, sendo o dispositivo flutuante assimétrico, extrai-se energia de três modos de movimento (deriva, arfagem e balanço) .

Resumo da invenção A presente invenção refere-se a um dispositivo flutuante assimétrico conversor de energia das ondas em energia eléctrica, com um sistema de amarração ao fundo do mar, e cujo arranjo interior inclui dois reservatórios verticais (1), parcialmente cheios com água, e o remanescente com ar, e que se ligam entre si na parte inferior por uma conduta inferior horizontal de secção transversal igual à dos reservatórios verticais (1) . Os reservatórios verticais (1) mais a conduta inferior horizontal formam um tanque interior. A água dentro dos reservatórios verticais (1) e da conduta inferior horizontal forma uma coluna de água de secção transversal constante e com forma em "U". 0 dispositivo flutuante 6 assimétrico move-se sob a acção das ondas, o que provoca o movimento dinâmico da coluna de água oscilante. Os reservatórios verticais (1) ligam-se entre si na sua parte superior por uma conduta superior horizontal de secção circular (2). Dentro da conduta superior existe uma turbina axial e reversível, accionada pelo movimento do ar impulsionado pela coluna de água oscilante. A energia mecânica assim produzida deverá ser convertida em energia eléctrica através do acoplamento da turbina a um sistema de produção de energia eléctrica. 0 movimento de balanço do dispositivo flutuante é o modo forçador principal do movimento da coluna de água oscilante e do ar que se encontram dentro do tanque, embora, devido à forma assimétrica do dispositivo flutuante, exista um acoplamento com os modos de deriva e arfagem.

Os equipamentos acima referidos são dotados de um sistema de controlo que, para além de optimizar as condições de operação no interior do tanque para as várias condições de agitação marítima, gere ainda os fluxos energéticos de forma a maximizar a extracção de energia. 0 sistema será instalado em águas de profundidade superior a 40 metros e será dotado de um sistema de amarração ao fundo do mar, por onde se pode encaminhar os cabos eléctricos de transporte da energia para terra.

Sucintamente, o problema que se pretende resolver com este invento é o da viabilidade técnico-económica da produção energética eléctrica por conversão da energia das ondas.

Na sequência do acima exposto, sendo o dispositivo totalmente fechado do exterior e sem articulações, logo tem uma robustez elevada o que permite obviar os problemas detectados anteriormente noutros dispositivos. Sendo a coluna de água interior, apresentando uma forma em "U", é 7 também possível alterar, facilmente, a massa da coluna de água oscilante e desta forma sintonizar a frequência natural do seu movimento para diferentes estados de mar, conseguindo-se deste modo aumentar a produtividade energética anual. É possível também ajustar a frequência natural alterando a pressão do ar dentro dos reservatórios verticais (1), o que tem a vantagem adicional de aumentar a densidade do gás e desta forma potenciar o aumento da potência absorvida pela turbina.

Descrição detalhada da invenção A presente invenção refere-se a um dispositivo flutuante assimétrico conversor de energia das ondas em energia eléctrica, com um sistema de amarração ao fundo do mar, e cujo arranjo interior inclui dois reservatórios verticais (1), parcialmente cheios com água, e o remanescente com ar, e que se ligam entre si na parte inferior por uma conduta inferior horizontal de secção transversal igual à dos reservatórios verticais (1). Os reservatórios verticais (1) mais a conduta inferior horizontal formam um tanque. A água dentro dos reservatórios verticais (1) e da conduta inferior horizontal forma uma coluna de água de secção transversal constante e com forma em "U". 0 dispositivo flutuante assimétrico move-se sob a acção das ondas, o que provoca o movimento dinâmico da coluna de água oscilante. Os reservatórios verticais (1) ligam-se entre si na sua parte superior por uma conduta horizontal de secção circular (2). Dentro da conduta superior existe uma turbina axial e reversível, accionada pelo movimento do ar impulsionado pela coluna de água oscilante. A energia mecânica assim produzida deverá ser convertida em energia eléctrica através do acoplamento da turbina a um sistema de produção de energia eléctrica. A coluna de água oscilante interior com secção constante ao longo do "U" tem caracteristicas dinâmicas e uma frequência natural própria que é utilizada para maximizar a extracção de energia das ondas. A frequência natural própria da coluna de água oscilante é sintonizável alterando a quantidade de água dentro do tanque, ou alterando a pressão do ar dentro dos reservatórios. A pressão do ar dentro dos reservatórios pode ser alterada com o objectivo de aumentar a densidade do ar e desta forma aumentar a potência extraída pela turbina. 0 movimento de balanço do dispositivo flutuante é o modo forçador principal do movimento da coluna de água oscilante e do ar que se encontram dentro do tanque, embora, devido à forma assimétrica do dispositivo flutuante, exista um acoplamento com os modos de deriva, de arfagem e de balanço. Deste modo, o dispositivo absorve a energia das ondas através de três modos do movimento de corpo rígido.

Os equipamentos acima referidos são dotados de um sistema de controlo que, para além de optimizar as condições de operação no interior do tanque para as várias condições de agitação marítima, gere ainda os fluxos energéticos de forma a maximizar a extracção de energia. 0 sistema será instalado em águas de profundidade superior a 40 metros e será dotado de um sistema de amarração ao fundo do mar, por onde se pode encaminhar os cabos eléctricos de transporte da energia para terra.

Sucintamente, o problema que se pretende resolver com este invento é o da viabilidade técnico-económica da produção energética eléctrica por conversão da energia das ondas. 9

Vantagens do invento: • (a) 0 dispositivo flutuante é totalmente fechado do exterior e sem articulações, constituindo um corpo único, logo tem uma robustez elevada; • (b) 0 dispositivo flutuante é assimétrico o que permite usar três modos do movimento de corpo rígido para converter energia das ondas; • (c) Dada a forma do tanque, a coluna de água interior tem um comportamento dinâmico, com amplificação dinâmica do seu movimento para a frequência natural, o que permite maximizar a extracção de energia das ondas; • (d) Sendo a coluna de água interior, é possível alterar, facilmente, a massa da coluna de água oscilante e desta forma sintonizar a frequência natural do seu movimento para diferentes estados de mar; • (e) Sendo a coluna de água interior, é possível alterar a pressão do ar, quer para sintonizar a frequência natural da coluna de água, como para aumentar a densidade do ar e desta forma aumentar a potência extraída pela turbina.

Descrição das figuras A Figura 1 representa uma vista lateral (1.1) e em planta (1.2) do dispositivo flutuante conversor da energia das ondas em energia eléctrica. Tal como se pode observar, este dispositivo flutuante é assimétrico e estanque em relação ao exterior, inclui um tanque, com um arranjo interno definido por dois reservatórios verticais (1), que se ligam entre si na parte inferior por uma conduta inferior horizontal de secção transversal igual à dos reservatórios verticais (1) e na parte superior por uma conduta superior horizontal de secção circular (2). Os 10 reservatórios verticais (1) são parcialmente cheios com água e o remanescente com ar. Entre os dois reservatórios do tanque, movimentam-se continuamente dois fluidos, água e ar, sendo os movimentos do sistema (dispositivo flutuante e água no tanque) induzidos pelas ondas do mar (3) . Os dois reservatórios verticais (1) são ligados por uma conduta na sua parte superior (2), dentro da qual existe uma turbina axial e reversível. A Figura 2 representa os movimentos oscilatórios do dispositivo flutuante assimétrico (corpo rígido), em torno do seu centro de gravidade (5), induzidos pelas ondas. 0 movimento de balanço (8) do dispositivo flutuante é o modo forçador principal do movimento da água (9) e do ar que se encontram dentro do tanque, embora, devido à forma assimétrica do dispositivo flutuante, exista um acoplamento com os modos de deriva (6) e arfagem (7). A Figura 3 ilustra a característica assimétrica do dispositivo flutuante na sua linha-de-água de projecto (4), relativamente ao plano (11)-(12), onde está contido o centro de flutuação (10) do dispositivo. A Figura 3 ilustra igualmente qual a direcção e sentido, relativamente às ondas do mar (3), segundo a qual é maximizada a extracção energética induzida pelas ondas.

Referências Bibliográficas [1] A. J. N. A. Sarmento, A. M. Lu\íd, and D. B. S. Lopes, "Frequency-domain analysis of the AWS device", Proc. European Wave Energy Conf., pp. 1998.

[2a] Babarit, A., Clément, A.H. (2006). Optimal latching control of a wave energy device in regular and irregular waves. Applied Ocean Research, 28:2, 77-91.

[2b] Kerbiriou, M-A., Babarit, A., Prevosto, M., Clément, A.H. and Maisondieu, Ch. (2007) Influence of an Improved li

Sea-State Description on a Wave Energy Converter Production. Proceedings of the 26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, OMAE 2007-29254.

Lisboa, 5 de Dezembro de 2012 12

Claims (1)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo flutuante assimétrico conversor de energia das ondas em energia eléctrica, constituindo um corpo único e estanque em relação ao exterior, que inclui um tanque interior constituído por dois reservatórios verticais (1) parcialmente cheios de água e o remanescente ocupado por ar, ligados entre si na parte inferior por uma conduta inferior horizontal de secção igual à dos reservatórios verticais (1), e ligados na parte superior por uma conduta superior horizontal de secção circular (2) onde é instalada uma turbina axial e reversível accionada pela diferença de pressão do ar que tem origem no movimento da coluna de água, sendo o tanque interior caracterizado por: a) A coluna de água interior apresentar uma forma em "U" de secção transversal constante; b) 0 tanque interior e respectiva coluna de água interior serem instalados dentro de um dispositivo flutuante assimétrico; c) A coluna de água interior ter uma frequência natural do movimento sendo sintonizável para diferentes estados do mar, através da entrada e saída de água dos reservatórios verticais (1), ou através de alteração da pressão do ar dentro dos reservatórios verticais (D ; d) 0 movimento oscilatório da coluna de água dentro do tanque interior ser induzido simultaneamente por três modos de movimento do dispositivo flutuante assimétrico provocados pelas ondas, nomeadamente a deriva (6), a arfagem (7) e o balanço (8). Lisboa, 5 de Dezembro de 2012 1