PT109985B - Dispositivo de conversão da energia das ondas. - Google Patents

Abstract

O PRESENTE INVENTO INSERE-SE NO DOMÍNIO TÉCNICO DOS DISPOSITIVOS DE CONVERSÃO DA ENERGIA DAS ONDAS. A INVENÇÃO REFERE-SE A UM DISPOSITIVO DE CONVERSÃO DA ENERGIA DAS ONDAS, QUE CONVERTE A ENERGIA ASSOCIADA AO MOVIMENTO RELATIVO ENTRE A ESTRUTURA PRINCIPAL (1) E O SISTEMA DE APROVEITAMENTO DA ENERGIA DAS ONDAS (2), EM ENERGIA MECÂNICA. NO CONCEITO PROPOSTO, INDEPENDENTEMENTE DO LOCAL ONDE É INSTALADO (LONGE DA COSTA, PERTO DA COSTA OU NA COSTA), O DISPOSITIVO DE CONVERSÃO DA ENERGIA DAS ONDAS É CAPAZ DE FUNCIONAR COM QUALQUER NÍVEL DE MARÉ E AMPLITUDE DE ONDA. O DISPOSITIVO DE CONVERSÃO DA ENERGIA DAS ONDAS CARACTERIZA-SE POR SER CONSTITUÍDO POR UMA ESTRUTURA PRINCIPAL (1), POR UM SISTEMA DE APROVEITAMENTO DA ENERGIA DAS ONDAS (2) E POR UM SISTEMA DE AMARRAÇÃO (3). A ENERGIA DAS ONDAS É CAPTADA QUER NA FASE ASCENDENTE DA ONDA, QUER NA FASE DESCENDENTE.

Description

DESCRIÇÃO

DISPOSITIVO DE CONVERSÃO DA ENERGIA DAS ONDAS

Área técnica da invenção

No mundo atual, altamente competitivo e submetido à globalização dos mercados, a energia é um vetor importante e estratégico de desenvolvimento.

consumo de energia primária atual é já de cerca de 12 GTep/ano (Tep - Tonelada equivalente de petróleo) sendo que os combustíveis fósseis representam 70% deste total; o carvão e o petróleo representam 26% cada, o gás natural 18% e as fontes de energia não fósseis 30%. As fontes de energia não fósseis dividem-se quase em partes iguais, entre as energias renováveis e a energia nuclear.

A disponibilidade e independência energética são fatores considerados fundamentais no desenvolvimento económico de um País.

As alterações climáticas e a escassez destes recursos impõem novos modelos energéticos assentes em energias limpas e renováveis.

Se por um lado é essencial mudar o padrão de consumo energético, também a mudança da matriz de consumo de energia primária está entre os maiores desafios que o mundo terá de enfrentar, se quiser reduzir as emissões de gases que causam o efeito estufa (e contribuem para o aquecimento global) e minimizar outros problemas resultantes da utilização dos combustíveis fosseis.

O aumento quase exponencial da população mundial, e dos seus padrões de consumo, implicará uma crescente procura de energias renováveis, que poderá ser extraída dos oceanos.

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Estima-se que, até 2030, as energias renováveis offshore registem um aumento de 22%.

De entre as diferentes fontes de energia renovável offshore, a energia das ondas destaca-se pela sua elevada densidade energética.

De acordo com diversos estudos realizados no passado, constata-se que as ondas, particularmente as oceânicas, apresentam uma grande densidade energética, não só devido à sua amplitude, mas também devido ao valor da densidade da água.

Este recurso é algo intermitente, pelo que é importante maximizar o seu aproveitamento.

Considerando que ainda não existem soluções já comprovadas para os sistemas de conversão de energia das ondas, facto que se pode constatar observando a variedade de soluções que se tentaram até à data implementar, existe ainda bastante por desenvolver nesta área de investigação e desenvolvimento.

Estado da Técnica

Revisão bibliográfica

Existem diversos sistemas desenvolvidos e patenteados ao longo dos anos que convertem a energia das ondas em energia elétrica.

Atualmente existem poucos dispositivos num estágio de exploração comercial. A maioria dos sistemas desenvolvidos estão num estado avançado de I&D (Investigação e Desenvolvimento), protótipo ou num estágio de maturidade pré-comercial.

Alguns dos sistemas mais avançados e representativos são descritos em seguida.

2/15 sistema PowerBuoy, instalado na costa do Oceano Pacifico dos Estados Unidos, é baseado numa boia, ancorada ao fundo do mar, que, através de um sistema hidráulico, aciona um gerador elétrico.

sistema Pelamis Wave Energy Converter, testado na Aguçadoura, Portugal, consiste em vários cilindros articulados que, através da passagem das ondas, acionam um conjunto de cilindros hidráulicos. A conceção das articulações, sujeitas a grandes esforços, revelouse problemática, tendo conduzido a falhas constantes e persistentes.

sistema Wave Dragon, utilizado na Dinamarca, utiliza turbinas hidroelétricas para a produção de energia elétrica. Este sistema faz convergir a onda numa rampa que seguidamente atua uma turbina. 0 rendimento do sistema é baixo e a dimensão do sistema pode interferir com a navegação. Tem também vários elementos móveis facilmente danificáveis em caso de tempestade.

Sistema Oyster Wave Energy Converter, instalado nas costas escocesas, é um conversor de energia das ondas oscilante, que aciona bombas hidráulicas que fazem mover uma turbina. A solução hidráulica introduz perdas importantes no sistema e gera problemas de desgaste nos vedantes.

Sistema WaveRoller, instalado em Peniche, Portugal, aproveita as correntes submarinas de vaivém junto à costa e à rebentação, acionando elementos planos que, por sua vez, transmitem movimento a cilindros hidráulicos. A proximidade da costa e do fundo do mar potência problemas nas articulações e vedações hidráulicas, devido às areias e detritos.

Patentes

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A patente US2016333858 (Al), System And Method for Generating Electricity Using Grid of Wind and Water Energy Capture Devices, descreve um sistema de grelha ou estrutura de posicionamento relativo de várias unidades de conversão de energia, de modo a evitar colisões. A combinação da energia gerada é feita eletricamente.

A patente US2015266549 (Al), Oscillating Piston-Type Wave Power Generation Method and System, descreve uma invenção que capta a energia das ondas. Neste dispositivo, a boia move-se de acordo com a passagem das ondas para fazer movimentar um pistão que pressuriza um fluído hidráulico que induz rotação a um motor hidráulico, que, por sua vez, está acoplado a um gerador elétrico.

Na patente US9115688 (Bl), Wind Resistance Wave Generator, é descrito um sistema que contem apenas uma turbina, que é movimentada pela ação conjunta da passagem das correntes, vento e ondas. A flutuabilidade do sistema é conseguida através de pneus cheios com espuma flutuante.

A patente WO2015086033 (Al), Hybrid Electricity Generators Using Wind Energy and Wave Energy, regista um dispositivo de captação de energia eólica, das correntes e das ondas. A energia das ondas é aproveitada de uma das 3 formas concebidas:

a. Por um sistema de molas de torção e com um mecanismo de roda livre que, com o movimento de oscilação de uma boia, colocam a mola sobre tensão, o que provoca a rotação de um veio. Com a instalação de um mecanismo de roda livre, o movimento alternado de tração e compressão das molas gera um movimento de rotação de um veio sempre no mesmo sentido;

b. Pela pressurização de um fluido hidráulico.

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c. Por um mecanismo de roldanas. Com esta solução, é aproveitado o facto de o sistema ter de ser ancorado, para fazer passar o cabo de ancoragem por uma roldana colocada numa boia. Assim, o movimento de oscilação provocado pela passagem das ondas obriga a boia a movimentar-se da mesma forma, o que faz movimentar a roldana. Com um mecanismo de roda livre, o movimento de rotação alternado da roldana pode ser convertido num movimento de rotação com um só sentido.

A patente GB2515577 (A) , Hybrid Electricity Generators Using Wind Energy and Wave Energy, descreve um sistema que apenas capta a energia das correntes e do vento.

A patente WO2014196921 (Al), A Water Based Modular Power Plant, descreve um sistema em que a energia é captada para produzir hidrogénio sendo que apenas indiretamente produz energia elétrica.

A patente US2014246792 (Al), Power Transfer and Generation Using Pressurize Fluids, descreve uma turbina (eólica ou de correntes) utilizada para bombear um fluido sob pressão, armazenado num reservatório, utilizado para movimentar um gerador elétrico.

A patente WO2014056049 (Al), Device Using Multiple Renewable Energy Sources, descreve um sistema ancorado no fundo do mar que utiliza a energia cinética das ondas para bombear água para um depósito, que posteriormente aciona uma turbina.

Na patente US2014091576 (Al), Offshore Combined Power Generation System, a energia eólica e das correntes é combinada eletricamente, numa estrutura não flutuante, ancorada no fundo do mar.

Na patente US2013028729, Power Generation Systems and Methods, o princípio de funcionamento é baseado em hidráulica. Além disso, é

5/15 um sistema desenhado para apenas captar energia das correntes e do vento através de um fluido pressurizado.

Na patente WO2012076851 (Al), Wave Energy Converter, a energia das ondas é captada através de um ou vários geradores elétricos lineares.

Na patente US2011215650 (Al), Offshore Energy Harvesting, Storage and Power Generation System, a energia das ondas é captada através de um sistema que inclui uma câmara interna com uma turbina hidroelétrica.

A patente WO2010080043 (A2), Energy System, descreve formas de otimização na combinação de diferentes tipos de energia. No caso da energia das ondas, o sistema descreve dispositivos com canais de receção das ondas.

Na patente WO2009005383 (Al), Joint System for Conversion of Eolic, Solar, Sea Waves And Maritime Currents Energies, é descrito um dispositivo, que, apesar de captar energia das ondas, do vento e das correntes, não utiliza uma solução de um gerador único, optando por dedicar um gerador para aproveitar individualmente cada uma destas fontes de energia.

Na patente US2008101865 (Al), Hydrodynamic Drive Train For Energy Converters That Use Ocean Currents, é descrito um sistema em que apenas a energia das correntes é convertida em energia elétrica, através de uma solução hidráulica.

A patente WO2006010783 (Al), Wind, Wave And Current Power Stations

With Different Foundations Solutions And Methods How To Manufacture, Transport, Install And Operate These Power Stations, descreve sistemas não flutuantes e refere-se essencialmente às

6/15 fundações dos dispositivos de captação de energia do vento, correntes e ondas.

Na patente US20030145587 (Al), Wind And Wave Energy Plant, é descrito um sistema que capta a energia das ondas e do vento. 0 movimento de oscilação de uma boia é utilizado para fazer movimentar um pistão, fazendo a bombagem de água do mar até um reservatório. A partir desse reservatório, a água faz movimentar uma turbina. Este princípio de funcionamento é o mesmo que faz movimentar as turbinas instaladas em barragens hidroelétricas.

Na patente US20130118176 (Al), Regenerative Offshore Energy Plant, é descrito um sistema que capta a energia do vento e das ondas. Para aproveitar a energia das ondas é aproveitado o movimento orbital das partículas de água de uma onda para fazer movimentar um rotor.

Sumário da invenção

A presente invenção consiste num dispositivo de conversão de energia das ondas, constituído por três componentes principais, a estrutura principal (1), um sistema de aproveitamento da energia das ondas (2) e um sistema de amarração (3),

A Estrutura principal (1) é composta por uma torre (5), uma boia submersa (4) e um balastro (6). A boia submersa (4) é uma boia com um grande volume oco para flutuação, sujeita a uma força de impulsão de elevada magnitude, garantindo a estabilidade do dispositivo de conversão da energia das ondas.

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A torre (5) confere rigidez a todo o dispositivo e faz o guiamento do sistema de aproveitamento da energia das ondas (2) . 0 balastro (6) é colocado para que crie um momento de equilíbrio vertical no sistema.

sistema de aproveitamento da energia das ondas (2), que contem a boia externa (7) e a boia interna (8), converte o movimento vertical oscilante das ondas em movimento de rotação de um veio vertical (11) .

A conversão do movimento vertical oscilante que as ondas provocam na boia externa (7) num movimento de rotação do veio vertical (11) é feita através de uma boia interna (8) onde está montado um par de cremalheiras (12), que com o seu movimento vertical provoca a rotação dos pinhões (13). Através do veio (14) este movimento dos pinhões (13) é transmitido às engrenagens (15) e posteriormente a uma roda dentada (19) que está acoplada à roda dentada cónica (16). 0 movimento desta roda cónica (16) é transmitido ao veio vertical (11) através de um pinhão cónico (17).

Para garantir que o veio vertical (11) rode sempre no mesmo sentido, é instalado um sistema de roda livre (20) em cada uma das engrenagens (15). Com esta montagem, o movimento é alternadamente transmitido pelas engrenagens (15), mas provoca sempre o movimento de rotação do veio vertical (11) no mesmo sentido. No movimento ascendente da boia externa (7) uma das rodas livres engrena, estando a outra desengrenada. No movimento descendente este engrenamento inverte-se.

Com este sistema de rodas livres (20) consegue-se transmitir movimento de rotação sempre no mesmo sentido ao veio vertical (11) , quer na fase ascendente da onda, quer na sua fase descendente.

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Num estágio de exploração comercial, o dispositivo de conversão de energia das ondas é montado em rede, com outros dispositivos semelhantes, formando um parque de energia oceânica.

Breve descrição dos desenhos

A Fig. 1 é uma representação esquemática do dispositivo de conversão da energia das ondas.

A Fig. 2 é uma representação esquemática da estrutura principal (1) do dispositivo de conversão da energia das ondas.

A Fig. 3 mostra as diferentes forças que geram o momento de equilíbrio vertical (D) , responsável por manter o dispositivo de conversão da energia das ondas numa posição de equilíbrio vertical.

A Fig. 4 é uma representação tridimensional do dispositivo de conversão da energia das ondas.

A Fig. 5 é uma vista detalhada do sistema de aproveitamento da energia das ondas (2).

A Fig. 6 é uma vista detalhada do conjunto de engrenagens (10), responsável por fazer a conversão do movimento vertical oscilante da boia interna (8) num movimento de rotação do veio vertical (11).

A Fig. 7 é igualmente uma vista detalhada do conjunto de engrenagens (10), mas de um ângulo diferente.

A Fig. 8 representa o esquema do sistema de roda livre (20).

A Fig. 9 é uma representação esquemática do dispositivo de conversão da energia das ondas quando é instalado em alto mar (offshore)(I), perto da costa (II) ou na costa (III).

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A Fig. 10 mostra o efeito das marés na distância ao fundo do mar (21) do dispositivo de conversão da energia das ondas.

A Fig. 11 representa o dispositivo de conversão da energia das ondas, montado em rede, numa repetição matricial de dispositivos.

Descrição da concretização preferida

Tal como se pode constatar na revisão bibliográfica, existem diversos mecanismos de aproveitamento da energia das ondas para a geração de energia elétrica.

De seguida é apresentada uma solução distinta das que já existem, através da descrição detalhada dos componentes que a constituem e do seu funcionamento.

O dispositivo de conversão de energia das ondas é constituído por três componentes principais (Fig. 1).

• A estrutura principal (1), responsável pelo suporte de todos os elementos do dispositivo;

• Um sistema de aproveitamento da energia das ondas (2) , responsável por fazer a conversão do movimento vertical oscilante das ondas em movimento de rotação de um veio vertical (11);

• Um sistema de amarração (3), responsável por manter o dispositivo na sua posição, não permitindo que se afaste em demasia do local onde é colocado.

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Estrutura principal (1)

Na Fig. 2 são apresentados os principais componentes da estrutura principal (1) . Esta estrutura principal (1) é composta por uma torre (5), uma boia submersa (4) e um balastro (6).

A boia submersa (4) é uma boia com um grande volume oco para flutuação, sujeita a uma força de impulsão de elevada magnitude, garantindo a estabilidade do dispositivo de conversão da energia das ondas.

A torre (5) confere rigidez a todo o dispositivo e faz o guiamento do sistema de aproveitamento da energia das ondas (2), como se verá mais adiante. 0 balastro (6) é colocado para que crie um momento de equilíbrio vertical no sistema. A forma como este é criado e a sua influência no dispositivo de conversão de energia das ondas é descrita em seguida.

Na Fig. 3 estão representadas as principais forças aplicadas na estrutura principal (1) do dispositivo de conversão da energia das ondas. A boia submersa (4) tem um grande volume oco que gera uma força de impulsão (A) , de acordo com o princípio de Arquimedes, empurrando o sistema para cima. Por baixo da boia submersa (4) está montado um balastro (6), que gera uma força de gravidade vertical (B) aplicada no seu centro de gravidade. A corrente de amarração está montada na parte inferior do balastro (6) e aplica uma força (C) , no ponto de amarração, resultante da massa do sistema de amarração (3), das ondas e das correntes marítimas.

Uma vez que estas forças têm diferentes pontos de aplicação e diferentes intensidades e direções, é gerado um momento de equilíbrio vertical (D) , sempre que o sistema se desvia da sua posição de equilíbrio vertical, devido à ação das várias solicitações mecânicas. Este momento tem magnitude, orientação (no

11/15 sentido direto ou indireto) e direção variável, de acordo com as forças existentes, mas atua sempre no sentido de conduzir o dispositivo de conversão da energia das ondas a uma posição de equilíbrio vertical.

Sistema de aproveitamento da energia das ondas (2)

Na Fig. 4 está representado o sistema de aproveitamento da energia das ondas (2), montado na estrutura principal (1).

Na Fig. 5 estão representados os diferentes componentes que compõe o sistema de aproveitamento da energia das ondas (2). Este sistema de aproveitamento da energia das ondas (2), que contem a boia externa (7) e a boia interna (8), converte o movimento vertical oscilante das ondas em movimento de rotação de um veio vertical (11). A passagem das cristãs e das cavas das ondas pela boia externa (7) tende a retirá-la da posição de equilíbrio vertical, movimento de rotação que é permitido, mas que não é transmitido à boia interna (8) . Este grau de liberdade do sistema de aproveitamento da energia das ondas é conseguido por uma ligação elástica (9) que une a boia externa (7) à boia interna (8) . Com a passagem das ondas a boia externa (7) acompanha este movimento oscilante. No entanto, a boia interna (8), que está montada dentro da boia externa (7), apenas tem um movimento vertical linear porque está montada concentricamente com a torre (5) . Com esta montagem, apenas o movimento vertical da boia externa (7) é transmitido à boia interna (8). Este movimento vertical da boia interna (8) é transformado num movimento rotativo através de um conjunto de engrenagens (10) e das cremalheiras (12), explicado em detalhe abaixo.

Na Fig. 6, que é uma vista em detalhe do conjunto de engrenagens (10), indicado na Fig. 5, é possível compreender como é feita a conversão do movimento vertical oscilante que as ondas provocam na

12/15 boia externa (7) num movimento de rotação do veio vertical (11) . Na boia interna (8) está montado um par de cremalheiras (12), que com o seu movimento vertical provoca a rotação dos pinhões (13) . Através do veio (14) este movimento dos pinhões (13) é transmitido às engrenagens (15). Com uma determinada relação de transmissão, é feita uma multiplicação de velocidade, transmitida a uma roda dentada (19) que está acoplada à roda dentada cónica (16). 0 movimento desta roda cónica (16) é transmitido ao veio vertical (11) através de um pinhão cónico (17).

Todas as engrenagens, veios, rolamentos e demais elementos mecânicos são montados nos suportes (18), rigidamente fixos na torre (5).

Para garantir que o veio vertical (11) rode sempre no mesmo sentido, é instalado um sistema de roda livre (20) em cada uma das engrenagens (15). Com esta montagem, o movimento é alternadamente transmitido pelas engrenagens (15), mas provoca sempre o movimento de rotação do veio vertical (11) no mesmo sentido. Deste modo, o sistema de roda livre (20) atua como uma embraiagem, uma vez que controla a cadeia de transmissão de movimento.

A Fig. 7 é uma representação do sistema de aproveitamento da energia das ondas de um ponto de vista diferente do da Fig. 6, onde é possível ver a posição de montagem do sistema de roda livre (20) nas engrenagens (15).

Este sistema de roda livre (20), representado na Fig. 8, pode, em alternativa, ser montado nos pinhões (13). A opção pela montagem nas engrenagens (15) foi feita devido às suas maiores dimensões, pelo que existe um maior espaço para a sua montagem.

13/15 sistema de roda livre (20) tem a caracteristica, por definição, de engrenar apenas num dos sentidos de rotação e desengrenar sempre no sentido oposto.

No movimento ascendente da boia externa (7) uma das rodas livres engrena, estando a outra desengrenada. No movimento descendente este engrenamento inverte-se.

Com este sistema de rodas livres (20) consegue-se transmitir movimento de rotação sempre no mesmo sentido ao veio vertical (11) , quer na fase ascendente da onda, quer na sua fase descendente.

Sistema de amarração (3)

Na Fig. 9 está representado o sistema de amarração do dispositivo de conversão da energia das ondas, quando montado em alto mar (offshore) (I), perto da costa (II) ou na costa (III). Este dispositivo é fixo ao fundo do mar (21), através de pelo menos uma corrente de amarração (22) . Uma âncora (23) é instalada no fundo do mar (21). Este sistema de amarração é simples e, portanto, tem um baixo custo de instalação e manutenção, o que permite o funcionamento do dispositivo em qualquer altura de maré.

No caso do dispositivo de conversão de energia das ondas ser instalado em terra (24), a montagem é rigidamente instalada num pontão ou numa outra estrutura semelhante recorrendo a uma estrutura de suporte (25).

A ancoragem do dispositivo de conversão de energia das ondas está concebida para uma situação de maré baixa (A), maré alta (B) ou em qualquer outra altura intermédia de maré. A corrente de amarração (22) tem um comprimento superior a 5 vezes a profundidade em maré alta para garantir uma ancoragem efetiva.

14/15 dispositivo de conversão de energia das ondas, montado em rede numa repetição matricial de dispositivos de conversão de energia das ondas (26), forma um parque de energia oceânica.