PT106081B

PT106081B - Dispositivo modular de geração de energia eléctrica a partir de recursos hídricos.

Info

Publication number: PT106081B
Application number: PT106081A
Authority: PT
Inventors: Joel Oliveira Correia Vasco; Armando Jose Balreira Bastos
Original assignee: Inst Politecnico De Leiria
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2013-12-26
Also published as: PT106081A

Abstract

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM DISPOSITIVO DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA (1) A PARTIR DO CAUDAL ECOLÓGICO DE RIOS E AFLUENTES, QUE INTEGRA UMA SOLUÇÃO CONSTRUTIVA INOVADORA E MODULAR RELATIVAMENTE ÀS ATUALMENTE DISPONÍVEIS NO MERCADO. A MODULARIDADE DO DISPOSITIVO PERMITE A FLEXIBILIDADE DE ADAPTAÇÃO AO LEITO DO RIO OU AFLUENTE. EM ALTURA DAS CONDUTAS DE QUEDA DE ÁGUA (2), ATRAVÉS DA REPETIÇÃO DO MÓDULO DE EXPANSÃO EM ALTURA (6). EM LARGURA, PELA REPLICAÇÃO DO NÚMERO DE DISPOSITIVOS (1) A IMPLEMENTAR NO LEITO DO RIO OU AFLUENTE. NA ADAPTAÇÃO A DIFERENTES REGIMES DE CAUDAL, ESTANDO PERMANENTEMENTE ATIVA UMA TURBINA DE BAIXO-MÉDIO REGIME E EM SITUAÇÕES DE CAUDAIS ELEVADOS, A VÁLVULA DE COMPORTA (9) ABRE E PERMITE A ADMISSÃO DE ÁGUA A UMA TURBINA DE ELEVADO REGIME. NO QUE SE REFERE À SOLUÇÃO CONSTRUTIVA, O DISPOSITIVO (1) BASEIA-SE NA CONJUGAÇÃO DOS VÁRIOS ELEMENTOS MODULARES: MÓDULO INFERIOR DAS TURBINAS (3), MÓDULO SUPERIOR DAS TURBINAS (4), MÓDULO DE PROTEÇÃO (5), MÓDULO DE EXPANSÃO EM ALTURA (6) E MÓDULO DE ADMISSÃO DE ÁGUA (7), PROJETADOS NO SEU CONJUNTO COM O OBJECTIVO DE MAXIMIZAR A ALTURA DE QUEDA, MINIMIZAR PERDAS DE CARGA E OPTIMIZAR O RENDIMENTO DAS TURBINAS. CADA UM DOS ELEMENTOS MODULARES ISOLADO POSSUI UMA GEOMETRIA SIMPLES E ADOPTA MATERIAIS DE FÁCIL ACESSO COMERCIAL E FÁCIL PROCESSAMENTO, O QUE CONTRIBUI SOBREMANEIRA PARA A ECOEFICIÊNCIA E SUSTENTABILIDADE DO DISPOSITIVO (1).

Description

DESCRIÇÃO

Dispositivo modular de geração de energia eléctrica a partir de recursos hídricos

Atualmente os processos de geração de energia eléctrica a partir da energia proveniente do caudal fluvial ou da agitação marítima ocupam um lugar de destaque no que diz respeito ao aproveitamento dos recursos energéticos tanto a nível nacional como a nível mundial. A importância deste recurso é fundamental no capítulo da microgeração de energia, quer por particulares e/ou empresas, quer por autarquias e entidades públicas. Desta forma, é possível reduzir custos energéticos pela utilização de energia renovável, limpa e sustentável em detrimento de energia obtida a partir de combustíveis fósseis com elevada pegada ecológica.

A presente invenção caracteriza-se por uma solução construtiva modular para a geração de energia, mais económica comparativamente com as mini-hídricas existentes no mercado, sendo a sua utilização possível em recursos hídricos disponíveis e atualmente não utilizados.

Realça-se o facto de o dispositivo de geração de energia eléctrica aplicado em diversos locais, e apresentar como vantagem facto do curso de água não ver o seu trajecto alterado nível de representação geográfica.

Construtivamente, presente invento caracteriza-se por ser um produto modular que faz uso de caudais e alturas de queda reduzidos para gerar energia eléctrica em locais atualmente inexplorados, contudo, que possuem potencial energético disponível. Desta forma, um elevado pode ser

1/ 10 cimentada a posição estratégica nacional e europeia para a produção de energia eléctrica produzida a partir de fontes limpas, beneficiando os consumidores finais e o meio ambiente e favorecendo a redução da factura energética e a dependência externa do

Pais.

Com a utilização do dispositivo proposto (1), é possível aproveitar se situam caudais à partida desprezados uma vez que estes em valores reduzidos, próximos do caudal ecológico, sendo por isso uma mais-valia ao nivel de investimento na indústria da microgeração.

potencial do dispositivo inúmeros locais onde este pode ser aplicado, com potencial energético disponível e desaproveitado nos nossos dias. Com esta tecnologia, que não concorre com as mini-hidricas existentes, o aproveitamento dos recursos hidricos com pequenas alturas e baixos caudais, permitirá a redução da dependência energética nacional, conforme os valores que hoje são conhecidos.

Domínio técnico da invenção âmbito desta invenção está focado no aproveitamento de recursos hídricos disponíveis no processo de microgeração de energia eléctrica e na utilização sustentável de materiais.

Para esse efeito, conjugam-se soluções construtivas modulares para as condutas de queda de água turbina de baixo-médio regime (8a) e turbina de elevado regime (8b) com o objectivo de maximizar o rendimento da geração de energia.

toca à capacidade de adaptação a diferentes regimes de

2/ 10 caudal, efeito este conseguido com recurso a soluções construtivas simples e que não dependem de energia mecânica ou eléctrica para o seu acionamento. 0 potencial de água retida pelo será variável ao longo do ano pelo que a altura de água disponível funcionará como comporta (9), adaptando elemento actuador da válvula de o modo de funcionamento do regimes de caudal.

A instalação do dispositivo (1) requer somente a criação prévia de um maciço de betão no leito do recurso hídrico e de uma estrutura de reforço, projetada para reter o potencial de água com a altura necessária.

Antecedentes da invenção

Como foi referido anteriormente, o problema tecnológico que o dispositivo (1) pretende resolver é a redução dos custos energéticos pela obtenção de energia limpa e produzida de forma sustentável. Em pesquisa efectuada ao estado da técnica da invenção, salientam-se as patentes:

• FR 2865226 Al, • GB 191108306 A, • GB 2475606 A, • US 2008315591 Al, • WO 2009136804 A2 • US 3785747 A, as quais demonstram que o presente invento não colide com o estado da arte atual. O processo de geração de energia eléctrica baseado em recursos hídricos tem vindo a ser amplamente explorado com diversos tipos de turbinas helicoidais ou radiais. Em barragens ou mini-hídricas, com diversas alturas de queda, utilizam-se turbinas Pelton

3/ 10 (acima dos 350m), turbinas Kaplan (até 60m), turbinas Francis (a partir dos 40m) e turbinas Bulbo (até 20m).

Relativamente à geometria das pás, existem diversas soluções com diversos ângulos de ataque, direitas ou côncavas, em função do tipo de turbina utilizada.

No que se refere às instalações, no caso particular das mini-hídricas, estas estão concebidas para instalação em rios ou afluentes para produção de energia em valores inferiores a 10MW. Os critérios de seleção são: a altura de água disponível, os caudais no local de implementação, a utilização da água a montante e a jusante assim como o impacto ambiental decorrente da implementação da minihídrica .

As patentes existentes neste domínio apontam essencialmente para a tipologia das turbinas e não para os modelos globais, ao invés do que é proposto pelo dispositivo (1), projetados especificamente para locais definidos, conforme as características intrínsecas da sua implementação.

Descrição detalhada da invenção

A invenção acima descrita é constituída por cinco elementos funcionais, a saber:

1. a estrutura modular constituída pelos seguintes elementos modulares: módulo inferior das turbinas (3), módulo superior das turbinas (4), módulo de proteção (5), módulo de expansão em altura (6) e módulo de admissão de água (7);

2. as condutas de queda de água (2);

3. as turbinas (8a) e (8b);

4. o grupo inversor (10) e

5. o sistema de monitorização (11).

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Os elementos (3), (4), (5), (6) e (7) apresentam aspectos inovadores, nomeadamente, em relação as suas características de modularidade, tornando-se uma estrutura expansível em altura em função das necessidades de implantação do sistema, conforme descrito na figura 1.

módulo inferior das turbinas (3) tem por função alojar as turbinas (8a) e (8b) assim como proporcionar a descarga de água das condutas de queda de água (2) a uma cota superior à cota do leito do rio ou afluente a jusante do dispositivo (1). Esta diferença de cotas na base L2 (29) proporcionará a diferença de pressão necessária para que se verifique o efeito de sucção que, por sua vez, irá potenciar o rendimento das turbinas (8a) e (8b).

módulo superior das turbinas (4) fecha as cavidades onde se encontram as turbinas (8a) e (8b) e inclui uma conduta interna (35) destinada à transmissão mecânica entre as turbinas (8a) e (8b) e o grupo inversor (10) que será alojado na cavidade da face superior deste módulo (4) (fig. 2). É neste módulo que se dá a variação da configuração das condutas de queda de água (2), resultando na redução da secção transversal e consequente aumento de velocidade de descarga de água, cujo ângulo de ataque às respectivas turbinas (8a) e (8b) é otimizado.

O módulo de proteção (5) garante a estanquicidade da cavidade onde se encontra alojado o grupo inversor (10), evitando infiltrações e/ou ocorrência nefastas no caso de transbordo por altura excessiva de água em situação de cheia.

5/ 10 módulo de expansão em altura (6) poderá ser eliminado do conjunto do dispositivo (1) em situações onde a altura máxima de água que pode ser retida é limitada ou, em alternativa, poderá ser repetido tantas vezes quantas as necessárias para maximizar a altura de queda, desde que o recurso hídrico assim o permita.

módulo de admissão de água (7) possui dois níveis de admissão de água, prevendo a variabilidade de altura de água disponível, de acordo com a diferença de cotas na admissão de água LI (28). Sobre este módulo será instalado

a válvula	de	comporta (9) que	realizará o	controlo	de
admissão de	água às turbinas (8a)	e (8b) .
Os elementos	fundamentais da	estrutura	modular	do
dispositivo	(D	i são constituídos	em betão armado, o que	faz

com que funcionem como elementos de retenção de água, desde que instalados sobre um maciço de betão no leito do recurso hídrico conjugado com uma estrutura dimensionada para suportar o peso de água retida.

Cada módulo apresenta uma forma paralelepipédica, possuindo elementos de travamento com planos inclinados nas faces inferior e superior para posicionamento relativo entre módulos e assim garantir a centragem dos diferentes segmentos das condutas de queda de água (2) .

As condutas de queda de água (2) pressurizam a água por fenómenos hidrostáticos e direcionam a mesma para as lâminas das turbinas (8a) e (8b), imprimindo-lhes velocidade e aumentando a potência gerada.

As turbinas (8a) e (8b) são dimensionadas para admitirem a variação do regime de caudal. Assim, foram projetadas duas

6/ 10 turbinas, uma turbina de baixo-médio regime (8a), adequada para caudais menores nas estações do ano mais secas e uma turbina de elevado regime (8b), adequada para os caudais de Inverno e com elevados níveis de pluviosidade.

Ambas as turbinas (8a) e (8b) são construídas em materiais poliméricos e metálicos, montados recorrendo a sistemas de fixação rápida (tipo rebites, por exemplo) para facilitar montagem e manutibilidade.

Cada turbina é constituída inoxidável (30), lâminas quantidade varia entre 12 por um veio tubular em aço intermutáveis (31), cuja a 2 0 e com um ângulo de inclinação entre 25 a 55°, discos de suporte (32) para as lâminas, casquilhos interiores (33) e casquilhos exteriores (34) . Os casquilhos (33) e (34) são solidarizados com o veio (30) através de pinos amovíveis e com os discos de suporte (32) através de rebites.

O grupo inversor (10) é constituído por duas unidades geradoras distintas e dimensionadas ao rendimento de cada uma das turbinas (8a) e (8b), sendo que a transmissão de movimento entre as turbinas (8a), (8b) e o grupo inversor (10) é realizada individualmente para cada unidade através de correia dentada, minimizando perdas por escorregamento.

O grupo inversor (10) pode ser dimensionado de forma a adequar-se aos locais de aplicação e assim otimizar o processo de microgeração, conforme os diversos valores de caudais, alturas para os quais as turbinas serão projetadas. A cablagem do grupo inversor (10) é conduzida para o exterior do dispositivo (1) através da conduta de cablagem (24).

7/ 10 sistema de monitorização (11) executa a monitorização remota dos dados à sarda do grupo inversor (10) através de transmissão de informação. Este sistema poderá ainda prever sinais provenientes de eventuais dispositivos sensores que permitam diagnosticar o bom funcionamento das turbinas (8a) e (8b), enquanto elemento fundamental para a geração de energia. Este sistema encontra-se montado sobre a conduta de cablagem (24) e permitirá a aquisição de valores de energia produzida por períodos de tempo definidos pelo gestor do equipamento.

A válvula de comporta admissão de água (9) está montada sobre o módulo de assegura que a turbina de elevado regime (8b) só entra em funcionamento em situações de elevado caudal, uma vez que só restringe o acesso às respectivas condutas

O acesso às condutas da turbina de baixo-médio regime (8a) nunca limitado, permitindo que, independentemente do regime de caudal esta turbina se mantenha em funcionamento.

Quando a altura de água é suficiente para chegar à válvula de comporta (9), esta é empurrada pelo peso da água, rodando sobre o eixo da respectiva estrutura.

Descrição das Figuras

Figura 1 - Representação esquemática do dispositivo de produção de energia eléctrica a partir de recursos hídricos (1) na sua configuração expandida em altura (25) e configuração base (26) . A montagem e a estanquicidade de todos os módulos do dispositivo (1) são asseguradas pelo travamento por planos inclinados (27).

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Figura la - Representação esquemática do dispositivo de produção de energia eléctrica a partir de recursos hídricos (1) na sua configuração base.

Figura lb - Representação esquemática do dispositivo de produção de energia eléctrica a partir de recursos hídricos (1) na sua configuração expandida em altura.

Figura 2 -Representação esquemática em corte transversal da conduta interna (35) onde está instalada a transmissão por correia dentada, entre a turbina de baixo-médio regime (8a) e o grupo inversor (10).

Figura 3 - Representação esquemática de queda de água (2) das turbinas (8a) e (8b), onde é salientada a existência de uma diferença de cotas na base L2 (29) entre a saída de água no módulo inferior das turbinas (3) e o leito do rio ou afluente a jusante. Na vista central é destacada a diferença de cotas na admissão de água LI (28) referente à diferença de cota entre a admissão de água às turbinas (8a) e (8b) .

Figura 4 - Representação esquemática da conduta de cablagem (24) e da possível localização da montagem do sistema de monitorização (11).

Figura 5 - Representação esquemática em vista explodida da montagem de uma turbina onde constam o veio tubular em aço inoxidável (30), lâminas intermutáveis (31), discos de suporte (32) para as lâminas, casquilhos interiores (33) e casquilhos exteriores (34).

Figura 6 - Representação esquemática em corte do dispositivo modular de geração de energia eléctrica a

9/ 10 partir de recursos hídricos (1), onde é ilustrada a conduta de queda (2) . A figura ilustra os seguintes componentes: módulo inferior das turbinas (3) , módulo superior das turbinas (4), módulo de proteção do grupo inversor (5), módulo de expansão em altura (6), módulo de admissão de água (7), turbina de elevado regime (8b) e válvula de comporta (9).

Figura 7 - Dados de caudal médio mensal referentes a um recurso hídrico de caudal reduzido situado na região Centro de Portugal. A figura ilustra os caudais médios mensais obtidos num período de 10 anos consecutivos, assim como a respectiva curva de tendência. O contributo técnico da invenção advém do facto de a variação de caudal verificada ao longo de um ano requerer turbinas diferentes, devidamente optimizadas para diferentes gamas de caudal, conferindo-lhe desta forma um carácter inventivo relativamente ao estado da técnica da invenção mencionado anteriormente.

Figura 8 - Representação esquemática em corte do dispositivo, a qual corresponde à figura para publicação. Esta figura é em toda a sua totalidade idêntica à figura 6, mas não conta com a representação indicativa das turbinas (8a) e (8b) .

Claims

1. Dispositivo modular de geração de energia eléctrica a partir de recursos hídricos (1) constituído por uma estrutura modular expansível em altura a qual apresenta um módulo de expansão em altura (6), um módulo de proteção (5) , um módulo inferior das turbinas (3) e um módulo superior das turbinas (4), sendo que o dispositivo (1) é caraterizado por:

a) o módulo inferior das turbinas (3) alojar duas turbinas, uma de baixo-médio regime (8a) e outra de elevado regime (8b) e a descarga da conduta de queda de água (2);

b) o módulo superior das turbinas (4) fechar as cavidades onde se encontram as turbinas (8a) (8b), incluir uma conduta interna (35) e na cavidade da face superior alojar o grupo inversor (10);

c) O módulo de proteção (5) estancar a cavidade onde se encontra o grupo inversor (10);

d) o módulo de admissão de água (7) possuir dois níveis de admissão de água e alojar a válvula de comporta (9) a qual controla a admissão de água à turbina de elevado regime (8b); e

e) um sistema de monitorização (11), montado sobre a conduta de cablagem (24) que adquire os valores de energia produzida por períodos de tempo e diagnostica o funcionamento das turbinas (8a) e (8b) através de sensores.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação caracterizado por os elementos (

3), (

4), (5), (6) e (7) serem constituídos em betão armado e serem instalados sobre um maciço de betão no leito do recurso hídrico.

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3 . Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por os elementos (3), (4' ), (5), (6) e (7) apresentarem uma forma paralelepipédi ca, elementos de travamento com planos inclinados nas faces inferior e superior. 4 . Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por cada turbina (8a' ) e (8b) serem constituídas por: a. um veio tubular em aço inoxidável (30) ; b. lâminas intermutáveis (31), cuja quantidade pode

variar entre 12 a 20 e com um ângulo de inclinação entre 25 a 55°;

c. discos de suporte (32) para as lâminas;

d. casquilhos interiores (33) e exteriores (34), onde os casquilhos (33) e (34) são solidarizados com o veio (30) através de pinos amovíveis e com os discos de suporte (32) através de rebites.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicações 1 e 4 caracterizado por as turbinas (8a) e (8b) serem construídas em materiais poliméricos e metálicos.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por o grupo inversor (10) ser constituído por duas unidades geradoras distintas, às quais é transmitido movimento pelas turbinas (8a) (8b) e sendo a cablagem do grupo inversor (10) conduzida para o exterior através da conduta de cablagem (24).