PT2657512E - Sistemas de distribuição e de transmissão da energia para um sistema de geração de energia por corrente de água - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO E DE TRANSMISSÃO DA ENERGIA PARAUM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA POR CORRENTE DE ÁGUA"

CAMPO DE INVENÇÃO A presente invenção refere-se de um modo geral a sistemasde geração de energia renovável, e em particular através deuma forma de realização não limitativa, a subsistemas de umsistema submerso ou à base de água para gerar energiaderivada de correntes de água em movimento rápido usando umsistema gerador do tipo de indução eguipado com uma ou maishélices de anel-aleta.

Para além das formas de realização ilustrativasapresentadas nesta descrição, muitos dos sistemas esubsistemas descritos e reivindicados na presente sãoindividualmente adeguados para sistemas gue utilizamsistemas de acionamento do gerador convencionais e outrosmeios de criação de energia.

Meios de transmissão de energia gerada por esses sistemaspara as vizinhas redes de energia, sistemas de ancoragem, emétodo e meios para a instalação e manutenção doscomponentes desses sistemas também são divulgados.

Documento US2011/0256784 revela a técnica anterior maispróxima.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Com o aumento do custo dos combustiveis fósseis e o aumentoda procura de energia nas economias e indústrias do mundo,métodos diferentes e mais eficientes de desenvolvimento defontes de energia estão constantemente a ser procurados. Departicular interesse são as fontes alternativas de energia renováveis, tais como dispositivos de energia solar combaterias, quintas de moinhos de vento, geração de energiadas marés, geradores de ondas, e sistemas captadores deenergia a partir de hidrogénio sequestrado.

No entanto, tais fontes de energia não são ainda capazes defornecer alimentação de corrente continua a uma áreageneralizada numa escala comercial. Além disso, algumastecnologias propostas, tais como sistemas alimentado ahidrogénio envolvendo o refinamento da água do mar, naverdade, consomem mais energia no processo de conversão doque a que sai no final do sistema.

Outros, como o hidrogénio derivado do metano, produzemquantidades iguais ou maiores de emissões de combustíveisfósseis do que as tecnologias à base de óleos convencionaisque se destinam a substituir, e ainda outros, como sistemasbaseados em baterias solares e moinhos de vento, exigem talexposição constante à luz solar ou ventos significativosque a sua eficácia comercial é inerentemente limitada.

Uma proposta de sistema de energia alternativa envolve oaproveitamento da energia hidráulica derivada do movimentorápido de correntes de água, por exemplo, correntes comvelocidades de fluxo de pico de 2 m/s ou mais.

Na prática, no entanto, os aparelhos geradores de energiasubaquática existentes provaram ser inadequados, mesmoquando instalados em locais em que as velocidades dacorrente são sempre muito altas. Isto é devido, pelo menosem parte, tanto para à falta de meios eficientes para gerara energia e à falta de sistemas de transformação de energiaadequados necessários para compensar as incompatibilidadesentre os sistemas de geração de energia submarinos eestações terrestres ou aquáticas de retransmissão deenergia.

As conceções existentes de hélices e de mecanismos degeração de energia à base de água também provaram serinadequados, não fornecendo nem geração de energia adequadanem estabilidade suficiente contra as correntes máximas oude velocidade.

Para capturar uma quantidade significativa de energiacinética a partir do fluxo de correntes oceânicas, a áreaafetada deve ser alargada. Como resultado, modelos dehélices marinhas existentes empregam estruturasproibitivamente grandes, pesadas e caras feitas detecnologias metálicas e compostas que são pesadosatualmente conhecidas. Além disso, estas hélices marítimascriam problemas de cavitação provenientes das pontas daspás da hélice em movimento através da água circundante.

Outro problema significativo prende-se com as questõesambientais associadas com a obtenção de energia a partir decorrentes de água sem danificar a vida aquáticacircundante, como os recifes, a folhagem marinha, oscardumes de peixes, etc. Há, portanto, uma necessidade importante e ainda nãoatendida por um sistema de geração de energia a partir dacorrente da água e subsistemas associados que supere osproblemas que existem na arte, e que gere e faça atransferência de compatibilidade de uma quantidadesignificativa de energia para uma estação de retransmissãode forma segura, confiável e amiga do meio ambiente.Configurações seguras e eficientes ao nível de campo,sistemas de ancoragem confiáveis e repetíveis, e métodos emeios para a instalação e manutenção desses sistemas tambémsão necessários.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

As necessidades acima mencionadas são preenchidas por umainstalação de consolidação para consolidar a energia geradapor uma pluralidade de sistemas de geração de energia apartir da corrente de água, de acordo com a reivindicação1.

Uma instalação de consolidação para a consolidação daenergia gerada por uma pluralidade de sistemas de geraçãode energia de corrente de água é fornecida, em que cada umdos sistemas de geração de energia inclui, pelo menos, umaou mais câmaras de flutuação submersas. Uma ou mais dascâmaras de flutuação submersas incluem ainda, pelo menos,uma ou mais câmaras de isolamento de fluido flutuante, euma ou mais das câmaras de isolamento incluem, ainda, umfluido flutuante disposto no seu interior, uma válvula deadmissão de fluido flutuante, um fluido flutuante, umaválvula de saida de fluido, e um meio de controlo de fontede fluido flutuante.

As unidades de geração de energia também incluem uma oumais unidades de geração de energia do tipo de induçãosubmersas dispostas em comunicação com as câmaras deflutuação; uma ou mais hélices dispostas em comunicação comas unidades de gerador de energia; um sistema de amarração;e meios de saida da energia gerada. A instalação de consolidação inclui ainda meios parareceber a energia gerada pelos ditos sistemas de geração deenergia, transferência ou exportação de energia através dosmeios de saida, e entrega da energia consolidada a uma redede energia vizinha, quer diretamente, quer após atransferência para um dispositivo de transformação deenergia interveniente.

Na presente invenção, uma longarina flutuante ou submersa(uma plataforma estável, com um calado adequado ou outrocasco) é usada como uma instalação de consolidação. A instalação de consolidação está ancorado de forma ótimade um modo seguro, por exemplo, usando uma corda de poli,que pode ser formada a partir de uma parte enrolada numaúnica direção; duas ou mais porções em camadas enroladas emdireções alternadas; combinadas ou substituídas por cabosde metal; e/ou envolvida em torno da linha de saida deenergia consolidada.

As estruturas e hélices de geração de energia podem serinstaladas e mantidas, girando-as para uma posiçãohorizontal. Enquanto ainda na água, um cone de centroflutuante dá às hélices uma capacidade de flutuaçãoadequada para alcançar a superfície e estabilidade máximado vento, corrente ou outras condições atmosféricas uma vezao nivel da superfície. Desta maneira, a instalação e amanutenção das unidades é conseguida de um modo seguro eeficaz.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As formas de realização aqui descritas serão melhorcompreendidas, e numerosos objetos, caracteristicas evantagens tornados evidentes para os peritos na arte, pelareferência aos desenhos anexos. A Figura 1 é uma vista lateral de um sistema de geração deenergia a partir da corrente de água de acordo com umexemplo de forma de realização da invenção. A Figura 2 é uma vista frontal de um sistema de geração deenergia a partir da corrente de água de acordo com umsegundo exemplo de forma de realização da invenção. A Figura 3 é uma vista em planta de um tubo de lastro quetem uma pluralidade de câmaras de isolamento tipo labirintode acordo com uma terceira forma de realização da invenção. A Figura 4A é uma vista de topo de um sistema de geração deenergia a partir da corrente de água de acordo com umaquarta forma de realização exemplificativa da invenção. A Figura 4B é uma vista de topo de um exemplo de forma derealização representado na Figura 4A, que inclui ainda umsistema de tirante de ancoragem associado. A Figura 5 é uma vista frontal de uma forma de realizaçãodo sistema de hélice exemplificativo adequado parautilização em ligação com um sistema de geração de energiaà base de água ou submerso. A Figura 6 é uma vista em perspetiva da forma de realizaçãodo sistema de hélice exemplificativo representado na Figura5, com uma porção detalhada do sistema isolado para umaperspetiva adicional. A Figura 7 é uma vista isolada de uma parte da forma derealização do sistema de hélice exemplificativorepresentado nas Figuras 5 e 6. A Figura 8 é uma vista lateral de um exemplo do sistema degeração de energia a partir da corrente de água, quecompreende ainda um conjunto de propulsores de arrastomontado. A Figura 9 é uma vista posterior do exemplo do sistema degeração de energia a partir da corrente de água ilustradona Figura 8, em que um número par de hélices facilita acompensação das forças rotacionais em um conjunto dearrasto montado. A Figura 10 é uma vista esquemática de um exemplo de umaquinta de geração de energia a partir da corrente de águaque compreende uma pluralidade de sistemas de geração deenergia ligados. A Figura 11 é uma vista esquemática de um sistema degeração de energia direta permanentemente ancorados em quenão há patins de flutuação a suportar uma longarina. A Figura 12 é uma vista lateral de um sistema de geração deenergia de quatro unidades de conceção reversivel. A Figura 13 é uma vista de topo da Figura 12, quecompreende novamente um sistema de geração de energia dequatro unidades de conceção reversivel e um sistema dehélice. A Figura 14 é uma vista frontal de um sistema de geração deenergia de quatro unidades de conceção reversivel e umsistema de hélice. A Figura 15 é um sistema de geração de energia de quatrounidades de conceção reversivel e um sistema de hélice quemostra os compartimentos de gerador e as hélices associadasem posição invertida apropriada para a instalação emanutenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE VÁRIOS EXEMPLOS DE FORMAS DEREALIZAÇÃO A descrição que se segue inclui um número de modelos desistema exemplares e métodos de uso que incorporamvantagens do assunto da presente invenção. No entanto, seráentendido pelos peritos na arte que as formas de realizaçãodescritas podem ser postas em prática sem alguns dosdetalhes específicos aqui descritos. Em outros casos,equipamento submarino e de geração de energia bem conhecido, protocolos, estruturas e técnicas não foramdescritos ou mostrados em pormenor a fim de evitar oobscurecimento da invenção. A Figura 1 representa um primeiro exemplo de uma forma derealização de um sistema de geração de energia a partir dacorrente de água 101. Na sua forma mais simples, o sistemacompreende um ou mais tubos de flutuação 102, um tubo delastro 103, e uma unidade de geração de energia do tipo deindução 104 equipada com uma hélice de eixo 105.

Embora a Figura 1 mostre apenas um único tubo de flutuação102, a unidade de lastro 103 e o componente de gerador 104,sistemas maiores que compreendem uma pluralidade dequalquer uma ou de todas essas estruturas também estácontemplada. Em qualquer caso, os especialistas nas artespertinentes irão facilmente apreciar que a presentedescrição de um sistema limitado com elementos singulares émeramente ilustrativa, e não se destina a limitar o âmbitodo assunto no que diz respeito aos membros plurais dequalquer um dos elementos aqui divulgados.

Em uma forma de realização exemplificativa, uma unidade degeração de energia 104 (por exemplo, uma unidade de geraçãode energia do tipo de indução) produz energia elétrica quepode ser produzida com ou sem transformação ou como umacorrente alternada (AC) ou como uma corrente continua (DC)para uma estação retransmissora associada ou outros meiospara facilitar a transferência de energia de no mar parauma rede elétrica vizinha ou similar.

Em geral, os geradores do tipo de indução assincronos sãomecânica e eletricamente mais simples do que outros tiposde geradores de energia elétrica sincronos ou geradores decorrente continua (DC) . Um motor de indução converte paraum gerador de energia de saída quando a energia para ocampo magnético vem do estator ou quando o rotor tem magnetos permanentes que criam um campo magnético,conferindo deste modo um deslizamento negativo. Eles tambémtendem a ser mais resistentes e duráveis, normalmente nãoexigindo nem escovas nem comutadores. Na maioria dos casos,um motor AC assíncrono regular é usado como o gerador, semquaisquer modificações internas.

Durante o funcionamento normal do motor, a rotação de fluxodo estator do motor é definida pela frequência de energia(tipicamente em torno de 50 ou 60 Hertz) e é mais rápida doque a rotação do rotor. Isto faz com que o fluxo do estatorinduza correntes do rotor, que por sua vez cria fluxo dorotor tendo uma polaridade magnética oposta ao estator.Deste modo, o rotor é arrastado para trás do fluxo doestator, em valor igual ao deslizamento.

Uma máquina de indução trifásica assíncrona (por exemplo,enrolada em gaiola) irá, quando operada mais lentamente doque a velocidade síncrona, funcionar como um motor; o mesmodispositivo, no entanto, quando operado mais depressa doque a sua velocidade síncrona, vai funcionar como umgerador de indução.

Em funcionamento do gerador, um motor principal de algumtipo (por exemplo, uma turbina, motor, eixo de acionamentoda hélice, etc.) impulsiona o rotor acima da velocidadesíncrona. O fluxo do estator ainda induz correntes norotor, mas uma vez que o fluxo do rotor oposto está agora acortar as bobinas do estator, a corrente ativa é produzidanas bobinas do estator, e assim o motor está a funcionarcomo um gerador capaz de emitir energia de volta para umarede elétrica vizinha.

Portanto, os geradores de indução podem ser usados paraproduzir energia elétrica alterna sempre que um eixointerno for rodado mais rapidamente do que a frequênciasíncrona. Em várias formas de realização da presente invenção, a rotação do veio é conseguida por meio de umahélice associada 105 disposta numa corrente de água emmovimento relativamente rápido, embora outros métodos emeios de rotação do eixo possam também ser concebidos eaplicados para efeito semelhante.

Uma vez que não existem imanes permanentes no rotor, umalimitação dos geradores de indução é que eles não são auto-excitante; por conseguinte, eles requerem ou uma fonte deenergia externa (como a que pode ser facilmente obtida apartir da grade usando um funcionamento umbilical, queratravés da água ou abaixo de um fundo marinho associado),ou um "suave começo" por meio de um motor de arranque detensão reduzida, a fim de produzir um fluxo magnético derotação inicial.

Arranques de voltagem reduzida podem conferir vantagensimportantes ao sistema, tais como determinando rapidamentefrequências operacionais adequadas, o que permite areinicialização se alimentação de energia no caso da redede energia correspondente estar desativada, por algumarazão, por exemplo, como resultado de danos causados por umfuracão ou outro desastre natural. A energia derivada do sistema, pelo menos em alguns casos,pode ser utilizada para complementar um sistema de grade depotência vizinho, e, assim, as frequências de operação dagrade irão, em grande parte, ditar a frequência defuncionamento para o sistema de geração de energia. Porexemplo, a grande maioria dos sistemas de rede de energiagrandes empregam atualmente uma frequência nominal de entre50 e 60 Hertz.

Outra consideração importante para grandes sistemas degeração de energia de origem hidrica é o estabelecimento deum equilíbrio flotacional bem equilibrado, que permite a posição dinâmica continua, independentemente dasvelocidades de corrente envolventes.

Mesmo assumindo que as velocidades de corrente envolventespermanecem dentro de um intervalo predeterminado develocidades de operação aceitáveis, o equilíbrio do sistemaainda pode ser comprometido por um furacão especialmentepoderoso ou afim, mas a disposição do sistema bem abaixo dalinha de força da onda típica, ou seja, aproximadamente100-150 pés de profundidade ou afim, irá reduzirsignificativamente essas perturbações. As várias forças decompensação de kips gravitacionais, kips de flutuação, kipsde arrasto e kips de manutenção também contribuirão para aestabilidade global de um sistema de geração de energia decorrente continua de água. 0 tubo de flutuação 102 ilustrado na Figura 1 compreendeuma porção de corpo cilíndrica disposta em comunicaçãomecânica com, pelo menos, uma unidade de tampa deextremidade 104 que aloja os geradores de indução acimamencionados. Os geradores e caixas de tampa de extremidadeassociados contêm um veio de acionamento e, em algumasformas de realização, engrenagens planetárias relacionadaspara a hélice 105.

Em algumas formas de realização, o tubo de flutuação 102compreende uma forma cúbica ou hexagonal, muito embora aprática da invenção eficaz vá também admitir outrasgeometrias. Numa forma de realização presentementepreferida, o tubo de flutuação 102 é aproximadamentecilíndrico, e pressurizado com gás (por exemplo, ar ououtro gás flutuante seguro) de modo a que, quando o sistemaestiver contido por um tirante ancorado 106, as forçascombinadas irão constituir a força de elevação primáriapara o sistema de geração de energia das correntes dooceano.

Por conseguinte, o sistema pode ser elevado para asuperfície para inspeção ou manutenção, desligando osgeradores, reduzindo assim o arrasto sobre o sistema, o quepermite que o sistema suba um pouco em direção àsuperfície. Ao abrir o(s) tubo(s) de flutuação e / ouevacuar o fluido do(s) tubo(s) de lastro, a unidade podeser posta, de um modo seguro e fiável, a flutuar para asuperfície de modo a que a manutenção ou a inspeção possamser realizadas.

De acordo com um método de transportar o sistema, a corda106 pode também ser libertada, de modo que a estruturaflutuante possa ser rebocada ou de outro modo alimentadapara a terra ou outro local de operação. O exemplo de forma de realização representado na Figura 2 éuma vista de frente do sistema de geração de energia 201,equipado com uma pluralidade de hélices relativamentegrandes, em movimento lento 206 dispostas em comunicaçãomecânica com os componentes de veio de unidades de geradorde indução 204 e 205. Como pode ser visto em maior detalhena Figura 4A, as unidades de gerador estão dispostas dentrodas unidades de tampa de extremidade alojadas dentro detubos de flutuação 102, bem como em toda a extensão de umaporção de corpo tipo treliça do sistema disposto entre ostubos de flutuação.

Voltando agora à Figura 3, é fornecida uma vista detalhadado interior dos tubos de lastro anteriormente descritoscomo ponto 103 na Figura 1, em que uma pluralidade decâmaras de isolamento do tipo labirinto é unida de tal modoque a separação e a mistura de diversos gases e líquidospode ser utilizada para permitir um controlo muito maisfino das forças de equilíbrio e de flutuação presentes nosistema do que o que pode ser obtido por meio de tubos deflutuação 102 sozinhos.

Como pode ser visto na forma de realização ilustrada, umsistema de lastro interior 301 formado dentro de um tubo delastro compreende uma fonte de controlo de ar 302 dispostaem comunicação de fluido com uma válvula de controlo desobrepressão e uma primeira câmara de isolamento 303. A primeira câmara de isolamento 303 contém tanto um gásseco (por exemplo, ar com uma pressão igual à pressão daágua no exterior circundante) presente numa porção superiorda câmara, e um fluido (por exemplo, água do mar puxada apartir de fora da câmara de isolamento) presente numaporção inferior da câmara. A primeira câmara de isolamento 303 compreende ainda umalinha de alimentação de ar secundário 305 para adistribuição de ar para outros compartimentos cheios comgás da estrutura, bem como linhas de misturas de gás e defluido da primeira câmara de isolamento 303 para a segundacâmara de isolamento 304. A segunda câmara de isolamento304 por sua vez compreende uma porção superior contendo are uma porção inferior contendo água ou semelhante, as quaissão separadas por um cilindro de isolamento. Em outrasformas de realização, o cilindro de isolamento contém águado mar na qual flutua um fluido de barreira, a fim deassegurar um melhor isolamento entre o ar e a água do mar.

De acordo com outras formas de realização, uma (ou ambas)as primeira e segunda câmaras de isolamento 303, 304 estãoequipadas com instrumentos (por exemplo, sensores depressão ou sensores de pressão diferencial) para determinarse o fluido ou o ar está presente numa cavidade emparticular do sistema. Em ainda outras formas derealização, tais sensores são introduzidos num sistema decontrolo lógico (não representado) usado para auxiliar nadeteção e controlo de equilíbrio e nas mediçõesrelacionadas com o impulso. 0 processo de fazer avançar o ar através do sistema emporções superiores dos tanques ao mesmo tempo que asseguraque a água ou outros líquidos permanecem nas porçõesinferiores é continuada até que as desejadascaracterísticas de equilíbrio e de controlo sejam obtidas.Em última análise, uma câmara de isolamento final 306 éfornecida, a qual, na forma de realização representada,compreende uma válvula de saída de ar 309 utilizada parapermitir que o ar saia para fora do sistema e, em algumascircunstâncias, a água entre para dentro do sistema.

Uma válvula de segurança de pressão 307 é fornecida no casode as pressões internas se tornarem tão grandes que aventilação de pressão é necessária a fim de manter aintegridade do controlo do sistema, e uma válvula de fluxode água aberta 308 equipada com um crivo para evitar aentrada acidental de criaturas do mar está disposta numaporção inferior do tanque de isolamento 306.

Mais uma vez, os fluidos de barreira e semelhantes podemser usados para reduzir a interação entre o ar e a água, equando o sistema é equipado com um controlo de flutuador aflutuar no topo da água do mar, o fluido de barreira seráretido mesmo depois de toda a água do mar ter sidoexpelida. Além disso, uma maior estabilidade pode serconseguida nos tanques utilizando uma série de chicanaspara assegurar que a água aprisionada nos tanques não semove rapidamente no interior das câmaras, que de outro modotendem a perturbar o equilíbrio e o controlo. Além disso,múltiplos tanques e separação por secções vão ser empreguespara tratar a possível inclinação da unidade, de modo que aágua e o gás sejam apropriadamente desviados para evitaruma excessiva inclinação. A Figura 4A apresenta uma vista de topo de uma forma derealização do sistema 401, que neste exemplo compreende umprimeiro tubo de flutuação 402 e um segundo tubo de flutuação 403; uma ligação sob a forma de uma parte decorpo 404 em treliça disposta entre os mesmos; umapluralidade de geradores de indução 405, 406estrategicamente posicionados em torno dos tubos deflutuação e das porções de corpo; uma pluralidade dehélices 407 disposta em comunicação mecânica com osgeradores; e uma pluralidade de membros de ancoragem 408,409 dispostos em comunicação mecânica com os tubos deflutuação 402, 403.

No exemplo de realização representado na Figura 4B, osmembros de ancoragem 408 e 409 são unidos para formar umúnico tirante de ancoragem 410 que está fixado de umamaneira conhecida ao elemento de ancoragem 411.

Em várias formas de realização, o tirante de ancoragem 410compreende ainda meios para variavelmente imobilizar elibertar o sistema. Em várias outras formas de realização,o tirante de ancoragem 410 termina num membro de ancoragem411 equipado com um dispositivo de terminal do tirante (nãorepresentado). O membro de ancoragem 411 compreendequalquer tipo de ancoragem conhecido (por exemplo, umaâncora de peso morto, uma âncora de sucção, etc.) adequadopara manter uma posição fixa em correntes que se movemrapidamente, que são normalmente encontrados em locais comfundos marinhos rochosos devido à erosão do solo causadapelo rápido movimento das correntes.

Em ainda outras formas de realização, esta porção daestação pode ser fixada por fixação do tirante de ancoragem410, quer num navio à superfície ou a outro dispositivo degeração de energia de corrente de oceano, ou a outro localde ancoragem central tal como uma boia flutuante deposicionamento dinâmico.

Passando agora às formas de realização do sistema deexemplo da hélice discutidos somente em geral acima, as

Figuras 5-7 ilustram várias formas de realização,especificas mas não limitativas, de um sistema de héliceadequado para uso com o sistema de geração de energiaatravés da corrente de água aqui divulgado.

Quem for possuidor de conhecimentos comuns das técnicaspertinentes irá também apreciar, contudo, que enquanto ossistemas de hélice exemplificativos aqui revelados sãodescritos com referência a um sistema de geração de energiacom base na corrente de água impulsionado por um gerador deenergia do tipo de indução, os sistemas de hélice doexemplo podem também ser usados em ligação com outros tiposde sistemas de geração de energia à base de água ousubmersos e conseguir muitas das mesmas vantagens aquidescritas. A Figura 5, por exemplo, é uma vista de frente de uma formade realização do sistema de hélice exemplificativo adequadopara utilização em ligação com um sistema de geração deenergia à base de água ou submerso.

Como representado, a hélice 501 compreende uma pluralidadede conjuntos de aletas alternadas e de anéis envolventes,que serão em seguida referidos como uma configuração de"aleta-anel". Essas hélices de aleta-anel seriamtipicamente concebidas por medida para cada aplicação emparticular, e a eficácia melhorada será realizada poradaptação do diâmetro, circunferência, curvatura da aleta edisposição de excentricidade, seleções de material, etc.,com base nas frequências operacionais requeridas pelosgeradores de indução, pela velocidade das correntes de águacircundantes, pelas considerações ambientais (por exemplo,se as hélices devem ter aberturas ou espaços vazios atravésdos quais os peixes ou outros tipos de vida aquática podempassar), e assim por diante.

Da mesma forma, conjuntos vizinhos de hélices podem serrodados em direções opostas (por exemplo, no sentidohorário ou anti-horário, como está representativamenteilustrado na Figura 2), a fim de criar redemoinhos ou zonasmortas na frente das hélices, o que pode repelir ouproteger a vida marinha, melhorar a eficácia de rotação dahélice, etc.

Quando utilizado em ligação com um sistema de geração deenergia de corrente de água impulsionado por uma gerador deenergia do tipo de indução, o único requisito operacionalfirme para as hélices é que elas sejam capazes de rodareixos rotativos de gerador associados às velocidadesnecessárias para obter as frequências de geradoresoperacionais.

No entanto, é altamente desejável que o sistema como umtodo continue a ser passivo com respeito à interação com avida marinha local, e resultados de desempenho ótimos sãoalcançados quando o sistema gera a potência de sardarequerida, mantendo ao mesmo tempo um ambiente operacionalambientalmente neutro. A partir do centro do dispositivo, vê-se que a hélice 501se encontra disposta em torno de uma porção de cubo ou veio502 que tanto segura a hélice 501 de um modo firme (porexemplo, por meio de afixação mecânica, tal como comelementos de fixação resistentes à ferrugem encapsulados,soldagem de um corpo de hélice ou de várias partes de umcorpo de hélice a um eixo em um único conjunto unitário,etc.) como transmite um binário de rotação proporcional àquantidade de momento angular da hélice em rotação sobre oeixo para distribuição ao gerador de energia.

Em algumas formas de realização, o cubo ou porção de veio502 compreende ainda um meios de flutuação para melhorar aligação mecânica da hélice de aleta-anel ao veio, e para evitar a saliência da hélice que de outro modo tende adeformar-se ou a exercer tensão sobre o eixo. Como os meiosde afixação, eixos de acionamento adequados para estatarefa existem atualmente na técnica, e podem compreender,por exemplo, uma série de engrenagens e / ou embraiagens,sistemas de travagem, etc., como seria necessário paracomunicar eficazmente o binário de rotação da hélice aoveio do gerador.

Numa forma de realização especifica, um prendedor deretenção, tal como um conjunto de parafuso e anilha ousimilar é removido da extremidade de um veio deacionamento, a estrutura da hélice de aleta-anel é feiadeslizar sobre o eixo exposto e, em seguida, o dispositivoprendedor é substituído, fixando assim de um modo mecânicoa estrutura aleta-anel ao eixo. Otimamente, o elemento defixação pode, então, ser coberto por uma cobertura estanqueà água flutuante ou semelhante, como representativamenteilustrado na Figura 6, ponto 601.

Em outras formas de realização, o cubo central compreende oponto de ligação mecânica com um grande eixo, que pode serinstalado ou removido e substituído como uma únicaestrutura, de modo a que a hélice possa ser facilmentereparada e mantida enquanto está na água.

Em outras formas de realização, o sistema compreende aindaum meio de flutuação, a fim de resistir à carga suspensa doconjunto de veio e da hélice. Por exemplo, a espuma liquidaou de outros produtos quimicos fluidos leves, ou até mesmoar comprimido, podem ser carregados em um cone de nariz quese encaixa sobre a extremidade de um cubo da hélice, demodo a que a hélice esteja livre para rodar em torno de umveio de acionamento por trás do cone de nariz flutuante,levantando deste modo o peso do conjunto de modo que ascargas pesadas salientes sejam evitadas.

Do mesmo modo, as hélices (especialmente as hélices dafrente num sistema submerso, que absorvem a maior parte daforça da corrente de água) podem ser montadas em arrastopara vencer a resistência à pressão do fluido atribuível àpressão de fluido cumulativa de encontro à estrutura dealeta-anel.

Independentemente da forma como a hélice está afixada aoeixo e se está montada por arrasto e/ou suportada por ummembro de flutuação, a forma de realização exemplar dodesenho de aleta-anel aqui descrita é genericamentesemelhante através de uma multiplicidade de outras formasde realização adequadas para a prática dentro do sistema.

Por exemplo, na forma de realização representada na Figura5, o conjunto de fixação do cubo 502 está concentricamenterodeado por um primeiro elemento em anel 503, para além doqual (isto é, mars para fora a partir do conjunto do cubo)se encontra um segundo membro de anel 506. Disposta entre oprimeiro membro de anel 503 e o segundo membro de anel 506está uma pluralidade de elementos de aleta 504, cada um dosquais está separado por um intervalo 505. O espaço de intervalo entre elementos de aleta 504 irávariar de acordo com a aplicação, mas de um modo geral, osintervalos entre as aletas irão aumentar em tamanho apartir do anel mais interior (em que os intervalos sãotipicamente menores) para os anéis mais exteriores (onde oespaço de intervalo é maior).

Outras configurações admitem intervalos de tamanhossemelhantes, ou mesmo intervalos ainda maiores em anéisinteriores do que nos anéis externos, mas uma vantagem deuma superfície do anel interior essencialmente sólida, emque a maior parte da totalidade da área de superfíciepossível do anel é utilizada por aletas em vez de porintervalos, é que a estrutura tenderá a forçar a pressão de fluido para longe do centro da estrutura na direção dosanéis mais exteriores e para além do perímetro dodispositivo.

Esta abordagem auxilia a hélice a rodar mais facilmente, eaborda mais do que suficientemente as preocupaçõesambientais, forçando a vida marinha de pequenas dimensões esemelhantes para ir para o exterior do sistema, de modo queeles possam ou evitar por completo a estrutura da hélice,ou então passar através de um dos maiores intervalos que semovem de um modo mais lento nos anéis externos.

Uma vez que a resistência contra a estrutura é reduzida eum maior binário de rotação é transmitido para os veios deacionamento com menos atrito e perda, a hélice pode tambémser rodada de forma muito lenta (em uma forma de realizaçãoexemplificativa gerando resultados de campo satisfatórios,a hélice gira a uma velocidade de apenas 8 RPM) ,assegurando ainda que a vida marinha irá ser capaz deevitar a estrutura e aumentando a neutralidade ambiental ea segurança. As velocidades de rotação mais lentas tambémtornam o sistema mais robusto, durável e menos propenso asofrer danos se contactado por detritos ou por um objetosubmerso flutuando nas proximidades.

Anéis concêntricos sucessivos de aletas 507 e intervalos 508 dispostos dentro de anéis aproximadamente circulares 509 adicionais são, em seguida, adicionados à estrutura,criando, assim, anéis concêntricos adicionais de aletas eintervalos 510-512 até que a circunferência desejada tenhasido atingida. Numa forma de realização presentementepreferida, os espaços de intervalo 514 do anel mais externosão os maiores espaços de intervalo no sistema, e aletasseparadas 513 em grande medida do sistema.

Um membro de anel final 515 encerra a periferia externa dosistema de hélice, novamente fornecendo mais proteção ambiental pois a vida marinha que inadvertidamente entre emcontacto com o anel exterior 515 vai sofrer apenas um golpede passagem de encontro a uma estrutura em movimento lento,enquanto que as pressões de água e fluidos são forçadaspara fora do dispositivo, tanto quanto possivel.

Como pode ser visto na região em caixa 603 da Figura 6 (aqual representa de um modo geral o exemplo de forma derealização da Figura 5, muito embora com a parte de fixaçãodo cubo coberta com uma tampa à prova de água 601 ousemelhante) , o espaçamento de aletas 602 medido em relaçãoao plano do conjunto de aleta-anel pode ser alterado.

Por exemplo, as aletas podem ser dispostas com maiorexcentricidade à medida que a sua posição dentro doconjunto é avançada a partir do primeiro anel em torno docubo central para os anéis mais periféricos. A disposiçãodas aletas 602 em um espaçamento mais plano dentro dosanéis interiores e mais excentricamente (ou seja, num planomais perpendicular ao plano do conjunto) nos anéisexteriores tende a achatar e suavizar o fluxo de água emtorno da hélice, conseguindo assim caracteristicas de fluxode fluido superiores (o que minimiza a vibração dosistema), criando menos resistência contra a estrutura dahélice, e proporcionando uma maior força centrífuga dofluido circundante para assegurar que a vida marinha evitao centro do sistema de hélice.

Por outro lado, as hélices que têm conjuntos de aletasdispostos de tal modo que as aletas mais próximas do cubotêm a maior excentricidade medida em relação ao plano dahélice como um todo, e, em seguida, achatando à medida queas alhetas são dispostas para o exterior do sistema dehélice (como é tipico com uma hélice de um barco ou de umsubmarino, por exemplo) podem também produzir os melhoresresultados em termos de redução da vibração, de harmónica ede desempenho geral do sistema.

No exemplo de forma de realização 701 representado naFigura 7 (que é representativo da região em caixa 603 daFigura 6), uma série de aletas curvas 702, 704, 706, 708está disposta entre os intervalos 703, 705, 707, 709 detamanho crescente (note-se que o cubo de fixação central apartir do qual os pequenos anéis concêntricos se originamestaria localizado para além do topo da Figura, porexemplo, acima de aleta 702 e do intervalo 703).

Na forma de realização representada, as aletas 702, 704,706, 708 são também dispostas com maior excentricidade umavez que elas são instaladas cada vez mais afastadas docubo, de modo que o ângulo de inclinação da aleta 708medido em relação ao plano do conjunto seria maior do que odas aletas 702, 704, 706 dispostas mais próximo do cubo defixação do centro.

No exemplo da forma de realização representado na Figura 8,é proporcionado um sistema de geração de energia através dacorrente de água, amarrado, submerso, no qual todo oconjunto de hélice é montado de arrasto, de modo a que ainterferência de energia a partir de uma disposição montadana frente seja evitada, e se consiga uma maior estabilidadedo sistema e eficácia energética. Como pode ser visto, estaconfiguração particular, admite uma ou mais hélicesdispostas tanto numa posição de arrasto superior como numaposição de arrasto inferior, apesar de a disposição devários conjuntos de hélices, quer um número maior ou menorde níveis, também seja possível.

Na Figura 9, que é essencialmente uma vista traseira daforma de realização alternativa ilustrada na Figura 8, vê-se que uma forma de realização específica, embora nãolimitativa, compreende um conjunto de hélice tendo no totaldez hélices, com seis hélices sendo dispostas numa posiçãode menor posição de arrasto, e quatro hélices sendodispostas numa posição de arrasto superior, com a distribuição de posição superior sendo adicionalmentedistribuída com duas hélices em cada lado do sistema degeração de energia.

Esta forma de realização particular revelou ter de admitiras caracteristicas superiores de produção de energia, aomesmo tempo que estabiliza a estrutura do sistema deatendimento ao minimizar a vibração, e permitindo que paresequilibrados de hélices rodem em sentidos de rotaçãoopostos.

Embora essas configurações sejam ideais para certas formasde realização de um sistema de geração de energia, em vezdisso pode ser utilizado um número virtualmente ilimitadode outras disposições e configurações de colocação quandoconsiderado eficaz em um determinado ambiente operacional.

Como uma questão prática, a composição de toda a estruturade hélice de aleta-anel provavelmente seria comum, porexemplo, todas feitas a partir de um material de metal,duradouro, leve, revestido ou inoxidável. No entanto,diferentes composições de material entre as aletas e osanéis também são possíveis, e outros materiais como oscompostos metálicos, compostos de carbono duro, cerâmica,etc., são certamente possíveis, sem se afastarem do âmbitoda presente descrição.

Como representado na Figura 10, quando existe umanecessidade de um número de estruturas de geração deenergia em uma área, o sistema de alimentação pode serconsolidado para a eficiência, com as ligações dealimentação e de controlo a serem ligadas de volta a umalocalização central, tal como um subestação de controlo,estabelecida perto das unidades instaladas. Estaconsolidação de unidades pode ocorrer tanto na superfíciedo oceano, ou na (ou próximo) de uma estrutura aquáticaflutuante. 0 controlo da subestação de acordo com a invenção estáinstalado sobre uma estrutura de superfície que flutua comouma longarina, ou pode ser uma subestação de controlosubmersa, possivelmente utilizando um sistema de boia, aqual pode ser feita flutuar para a superfície paramanutenção.

Em águas profundas, uma instalação de ligação comum defundo de oceano exigiria mais cabos de energia e sistemasde controlo adicionais que aumentariam o custo e acomplexidade do sistema, e seriam mais difíceis de manterdo que uma instalação construída mais perto das correntesna superfície do oceano.

Uma estrutura flutuante construída utilizando elementossemelhantes aos patins de flutuação associados com asunidades de geração proporcionariam um local comum derecolha de energia, ao mesmo tempo que não deixam qualquerestrutura permanente penetrar na superfície da água. Estaconfiguração também exigiria menos longas linhas de energiae de controlo a percorrer o fundo do oceano, e deixaria umaabundância de corrente para os navios na área. 0 local de recolha comum de acordo com a invençãocompreende uma estrutura que está ancorada ao fundo dooceano e flutua na superfície do oceano perto das unidadesde geração. Esta abordagem compreende uma longarina (comomostrado na Figura 10), que tem algumas das melhorescaracterísticas de conceção e estabilidade durante eventosclimáticos e furacões devido ao seu perfil reduzido aovento e às ondas.

Uma estação consolidada de energia permite a transformaçãopara uma tensão de transmissão mais alta, alcançando assimuma capacidade de transferência de energia superior eescalável para a rede de transmissão de energia ligada aterra. Ao permitir tensões de transmissão mais altas também fornece instalações localizadas mais distantes da terra combons resultados de transmissão de energia. Transformação deenergia final pode ser realizada em qualquer estação deconsolidação ou em um ou mais transformadores de energiainstalados em um tapete de lama no fundo do oceano.

Dependendo de outras variáveis, pode também haver anecessidade de um dispositivo sincrono baseado em terra(tal como um grande motor sincrono ou um grande controladoreletrónico de velocidade variável) utilizado paraestabilizar a rede de energia quando a geração de correnteno mar é significativamente maior do que a rede de geraçãoem terra.

Para comprimentos significativos no mar, é possivel ter umaligação de transmissão de energia DC de alta tensão afuncionar a partir da estrutura de consolidação todo ocaminho de volta para a praia. A energia AC necessária paraas unidades de produção individuais pode ser gerada apartir da tensão de DC para a tensão trifásica AC, a fim dealimentar os geradores de indução. Na praia (ou perto dapraia, ou mesmo a seguir), a DC está ligada à rede elétricaou a uma rede inteligente tipica DC de interligação deenergia.

Como representado na Figura 11, em locais mais profundos dooceano, a longarina não precisa de ser apoiada por patinsde flutuação, e pode, portanto, servir como um mecanismo deconsolidação útil para, de um modo escalável, ligar edesligar uma pluralidade de unidades de geração de energiaindividuais. Como mostrado, a longarina submersa aaproximadamente 200-500 pés é permanentemente ancorada aofundo do oceano usando meios fortes e seguros de amarração,como uma corda poli grossa. Se a corda poli for em primeirolugar enrolada em uma direção e, em seguida, coberta comuma segunda corda enrolada na direção oposta, a linha combinada, alternadamente enrolada será muito forte, e vairesistir à torção e à atadura.

Reconhecendo que o peso dos cabos de aço prejudicariaaspetos de conceção no que diz respeito à flutuação para ainstalação de consolidação, também é possível integrar umcabo de amarração de aço entrançado com um cabo dealimentação de energia fechado no seu centro. Um cabo deamarração poli pode não ser adequado para esta aplicaçãodevido à sua propensão para esticar.

Um cabo de alimentação de energia separado estende-se apartir da longarina até um transformador ou uma caixa detransmissão instalada no fundo do mar, e depois desloca-sesob o fundo do mar em direção ao seu destino final.

Ainda outra abordagem é fazer passar o cabo de alimentaçãoatravés de um vazio interior de uma corda poli ou de outralinha de amarração, de modo que apenas uma única linha seestenda da longarina, e o cabo de alimentação estejaprotegido contra danos pela linha de amarração.

Passando agora para um sistema de geração de energia detipo de indução mais poderoso, de estação única, (porexemplo, uma forma de realização utilizando hélices de 40pés ou maiores) , a Figura 12 é uma vista lateral de umsistema de geração de energia articulado de quatro unidadesem que uma pluralidade de geradores de indução montados naparte frontal estão dispostos sobre uma estruturaestabelecida por patins de flutuação com membros deligação.

Pelo menos quatro hélices de 40 pés ou maiores (dependendoda corrente), juntamente com as unidades de geraçãoassociadas, estão dispostas em comunicação mecânica com umveio rotativo ou semelhante, e que pode ser rodado, quermecanicamente ou usando um sistema de controlo lógico disposto em comunicação com um sistema de controlopneumático ou hidráulico, de modo a tornarem-seessencialmente turbinas axiais superiores e inferioreshorizontais; em seguida, usando o sistema de lastro, aestrutura pode ser feita flutuar para a superfície paraacesso seguro e eficiente aos compartimentos de geraçãopara manutenção e reparação. A Figura 13 é uma vista de topo da mesma estrutura,mostrando como aumentar as capacidades do sistema para umaconceção de 6 ou 8 hélices, ou mesmo mais. A Figura 14 ilustra uma vista frontal do sistema deconceção articulado de geração de energia de quatrounidades e de hélice, mostrando as hélices num planovertical quando em serviço e ligadas a uma linha deamarração do tipo Y para a estabilidade. Em algumas formasde realização, à medida que mais hélices são adicionadas aosistema, uma barra espaçadora ou de outro aparelhosemelhante é utilizado para conferir estabilidadeadicional.

Na Figura 15, o sistema de conceção articulado de geraçãode energia de quatro unidades e de hélice é retratado emrepouso, mostrado agora de um modo articulado numaconfiguração útil para transporte, instalação e manutenção.Numa forma de realização, as coberturas dos geradores estãoligadas à estrutura do sistema de tal modo que podem giraraproximadamente noventa graus ou mais em torno de um eixodisposto em comunicação com a estrutura. Esta rotação podeser realizada quer manualmente, ou utilizando um sistema decontrolo lógico para rodar as coberturas em torno do eixode rotação utilizando um meio de rotação adequado tal comoum meio de rotação pneumático ou um meio de rotaçãohidráulico.

Numa outra forma de realização, os lastros são manipuladosdentro dos patins de flutuação de modo que as coberturas degeração e as hélices irão virar-se para cima, como serianecessário para o reboque controlado quando a estruturaestá a ser colocada no local de funcionamento, ou quando amanutenção das hélices, dos geradores, das engrenagens,etc., é necessária. Assim, quando as coberturas de geraçãoe as hélices se encontram principalmente ou totalmenteacima do nível de superfície, as hélices não causam ainstabilidade de toda a estrutura, devido à resistência dovento, etc.

Embora ainda outros aspetos da invenção, que na práticacorrente compreendem tipicamente dispositivos associados àprodução de energia subaquática em geral (por exemplo,fontes de alimentação auxiliares, sistemas de controle defibra ótica e de comunicações, veículos de manutençãooperados remotamente usados para cuidar da estação deenergia, etc.), são certamente contemplados comoperiféricos para uso na implantação, posicionamento,controlo e operação do sistema, não é consideradonecessário descrever todos esses itens em grande detalhepois tais outros sistemas e subsistemas ocorrerãonaturalmente aos peritos nas artes pertinentes.

Embora a presente invenção tenha sido representada edescrita em detalhe acima com respeito a várias formas derealização exemplificativas, os peritos na arte tambémapreciarão que pequenas alterações na descrição, e váriasoutras modificações, omissões e adições podem também serfeitas sem sair do âmbito das reivindicações.

Lisboa, 8 de junho de 2016

Claims (9)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Uma instalação de consolidação para consolidar a energia gerada por uma pluralidade de sistemas de geração deenergia com a corrente de água (101, 201, 401, 801), cada um dos referidos sistemas de geração de energia (101, 201, 401, 801), compreendendo: - uma ou mais câmaras de flutuação submersas (102, 402, 403) ; um ou mais tipos de unidades de geração de energiasubmersas por indução (104, 204, 205, 405, 406) dispostas em comunicação com as referidas câmaras de flutuação (102, 402, 403); - uma ou mais hélices (105, 206, 407, 501) dispostas em comunicação com as referidas unidades de geração de energiado tipo de indução (104, 204, 205, 405, 406); - um sistema de ancoragem (106; 408, 409, 410, 411) para aamarração da dita pluralidade de sistemas de geração deenergia de corrente de água (101, 201, 401, 801); e - meios de sarda da energia gerada; a referida instalação de consolidação compreendendo: - uma subestação de controlo para receber a energia geradapelos ditos sistemas de geração de energia (101, 201, 401,801) e transferida para a referida subestação de controlopelos referidos meios de sarda de energia gerada, a ditasubestação de controlo estando instalada numa longarina; - sendo a dita longarina flutuante sobre a superfície dooceano perto dos sistemas de geração de energia à base decorrente de água submersos (101, 201, 401, 801), ou - a dita longarina sendo submersa; e em que - a dita longarina é permanentemente ancorada ao fundo dooceano.
2. 2. A instalação de consolidação de acordo com areivindicação 1, em que uma ou mais das referidas câmarasde flutuação submersas (102, 402, 403) compreende ainda umaou mais câmaras de isolamento de fluido flutuantes (303, 304, 306), e em que uma ou mais das referidas câmaras deisolamento (303, 304, 306) compreende ainda um fluidoflutuante disposto no seu interior, uma válvula de entradade fluido flutuante, uma válvula de salda de fluidoflutuante, e um meio de controlo de origem de fluidoflutuante.
3. 3. A instalação de consolidação de acordo com areivindicação 1 ou 2, em que a referida longarina estáancorada por uma corda poli compreendendo duas camadas, comuma primeira camada a ser enrolada no sentido horário e umasegunda camada a ser enrolado no sentido anti-horário.
4. 4. A instalação de consolidação de acordo com areivindicação 3, em que uma ou mais camadas são combinadascom cabos de metal ou substituídas por cabos de metal.
5. 5. A instalação de consolidação de acordo com areivindicação 3 ou 4, em que as camadas da corda poli sãoenroladas em torno de uma linha de sarda de energia.
6. 6. A instalação de consolidação de acordo com areivindicação 1, que compreende ainda meios para atransferência da energia consolidada obtida a partir dadita pluralidade de sistemas de geração de energia decorrente de água (101, 201, 401, 801) para uma rede deenergia.
7. 7. A instalação de consolidação de acordo com areivindicação 1, que compreende ainda meios para atransferência de energia consolidada obtida a partir dadita pluralidade de sistemas de geração de energia decorrente de água (101, 201, 401, 801) para um ou maisdispositivos de transformação de energia.
8. 8. A instalação de consolidação de acordo com areivindicação 6, em que os referidos um ou mais dispositivos de transformação de energia transformam a energia transferida para uma tensão de transmissão maiselevada.
9. 9. A instalação de consolidação de acordo com areivindicação 6, em que os referidos um ou maisdispositivos de transformação de energia transformam a energia transferida para uma tensão de transmissão maisbaixa.