PT2949920T - Turbina para a exploração de energia das ondas - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "TURBINA PARA A EXPLORAÇÃO DE ENERGIA DAS ONDAS"

Campo da invenção A presente invenção refere-se ao campo de captação de energia das ondas por meio do uso de tecnologia de coluna de água oscilante e, mais especificamente, à turbina unidirecional que transforma o fluxo de ar em movimento rotativo, a fim de ser transmitido a um gerador.

Antecedentes da invenção

Atualmente, os dispositivos de coluna de água oscilante (OWC - Oscillating Water Column) destinados à geração de energia a partir de ondas são, provavelmente, os mais estudados e um dos poucos que atingiu a fase de protótipo a plena escala. 0 fluxo de ar alternado deslocado pelo movimento da superfície livre da água no interior da coluna aciona uma turbina de ar montada na porção superior do dispositivo gerador distante do efeito direto da água. Uma vez que o movimento do ar é bidirecional, o fluxo alternado tem de ser convertido em fluxo unidirecional de tal modo que as turbinas unidirecionais possam ser usadas. Em alternativa, as instalações poderão estar equipadas com uma turbina bidirecional autorrefiticadora, que elimina a necessidade de válvulas de não retorno ou outros meios. Este último exemplo foi adotado na maioria das estações-piloto construídas até à data, usando, habitualmente, a turbina Wells. A eficiência das turbinas está estritamente relacionada com o fator de fluxo que depende da velocidade de rotação do rotor, a velocidade do fluxo de ar e o ângulo da aleta, tanto do rotor como do estator. A fim de reduzir a influência das alterações de fluxo sobre a eficiência sem aumentar o custo e a complexidade mecânica, são usadas turbinas com uma geometria variável que controlam o passo da aleta. Existem múltiplas implementações relativas ao controlo de passo das aletas, que são principalmente aplicadas ao rotor e têm mecanismos que são acionados por sistemas hidráulicos, sistemas eletromagnéticos, etc. No entanto, verificaram-se problemas técnicos importantes devido à dificuldade da inserção de mecanismos num rotor que gira a altas velocidades e, para além disso, se encontra num ambiente marítimo. De igual modo, a colocação do rotor com uma acessibilidade muito fraca torna as operações de manutenção muito difíceis. A este respeito, a patente US2005271508 apresenta um sistema de passo variável por meio de um impulso de ar para aletas simétricas através da flexibilidade da aleta. 0 impulso de ar deforma a porção flexível da aleta, obtendo, deste modo, uma melhor forma aerodinâmica, embora tenha a desvantagem de ser apenas aplicado a aletas simétricas e a flexibilidade implicar uma falta de rigidez superficial da aleta, o que reduz a durabilidade desta, provoca um aumento em termos de resíduos marítimos e reduz o desempenho aerodinâmico. A patente US20100290908 apresenta um mecanismo de alteração de passo para uma turbina OWC com base num sistema de engrenagem. 0 sistema de alteração de passo é complexo e situa-se no rotor de tal modo que existem problemas de manutenção graves e um consumo elevado relativamente ao acionamento deste, bem como um desempenho reduzido, uma vez que se trata de uma aleta simétrica. A patente US20130255246 descreve uma turbina bidirecional com um rotor que tem uma alteração de passo variável em que as aletas giram em torno de um veio e tem um mecanismo que controla a rotação de cada lâmina. Esta patente altera o passo da aleta do rotor e não usa aletas de orientação. Deste modo, tem uma complexidade em termos mecânicos e de manutenção. E a patente US20130145753 descreve uma turbina bidirecional com um rotor que tem uma alteração de passo variável em que as aletas giram em torno de um veio de rotação que é paralelo à aresta anterior e um mecanismo que controla a rotação de cada lâmina. Esta patente altera o passo das aletas do rotor e não usa aletas de orientação. Deste modo, tem uma grande complexidade em termos mecânicos e de manutenção.

Outra desvantagem tem que ver com a necessidade de se usar sensores precisos e acionadores céleres para a alteração de passo ativo das aletas. Foi proposto equipamento de alteração de passo passivo para as aletas do rotor, que, por conseguinte, atuam rapidamente e são isentas de consumo, através da ativação do aumento em termos de impulso de ar, a fim de tender a abrir o ângulo de passo das aletas. Este efeito positivo é limitado uma vez que não existe qualquer lei de constante que seja válida em todos os casos e que regule, de maneira ótima, o grau ao qual as aletas abrem com a diferença de pressão e a velocidade de rotação da turbina.

Existe outro problema quando, devido a este equipamento se situar no rotor, a rotação do mesmo produz uma força centrífuga das aletas, uma vez que o centro de gravidade da aleta não coincide com o veio de rotação deste, o que modifica o equilíbrio de forças e varia o ângulo da aleta. Isto poderá ser apenas compensado parcialmente por meio de aletas de curvatura simples que estejam bem contrabalançadas. 0 documento W02012/112892 divulga um conjunto de turbina de fluxo axial com caracteristicas para aumentar a eficiência do funcionamento da turbina. Numa forma de realização, o conjunto de turbina inclui um rotor com lâminas que ajustam o seu ângulo de passo em resposta direta à pressão do fluido de trabalho sobre as próprias lâminas ou outra parte do rotor. Noutras formas de realização, o conjunto de turbina é pode ser implementada numa aplicação, tal como um sistema de coluna de água oscilante, em que o fluxo do fluido de trabalho varia ao longo do tempo. Numa primeira destas formas de realização, o conjunto de turbina inclui uma válvula que permite que a pressão se desenvolva de tal modo que o fluxo seja otimizado para os parâmetros operacionais da turbina. Numa segunda destas formas de realização, um ou mais dos conjuntos de obturador e bocal de admissão variável são fornecidos no sentido de controlar o fluxo por meio da turbina, a fim de otimizar o fluxo relativamente aos parâmetros operacionais da turbina. 0 documento GB 813343 divulga melhorias relativamente ao aparelho que controla fluidos em condutas. 0 aparelho tem uma pluralidade de aletas dispostas sucessivamente ao longo do caminho de fluxo do fluido, cada uma destas estendendo-se de modo longitudinal numa direção ao longo do referido caminho. Cada aleta pode girar em torno de um eixo estendendo-se de modo longitudinal relativamente a esta, a fim de variar a obstrução da aleta para a circulação de fluidos ao longo do caminho de fluxo. 0 aparelho conta com meios de controlo da rotação de cada aleta de modo independente, no mínimo, de algumas das outras aletas que dependem de variações em termos de velocidade de fluido que se aproxima da região da aleta, no sentido de se opor a tais variações ao variar a obstrução.

Descrição da invenção A invenção refere-se a uma turbina que é válida para dispositivos OWC que têm um desempenho e resistência elevados durante um funcionamento efetivo, com uma resposta imediata no sentido de alterar as condições marítimas e o fluxo de ar que ocorrem numa questão de segundos.

Um objetivo da invenção passa por uma turbina unidirecional cujo estator tem aletas de orientação de passo variável e cujo rotor tem aletas fixas. Uma vez que são unidirecionais, as aletas têm um perfil com um design aerodinâmico e assimétrico que é melhor do que aquele usado em turbinas bidirecionais e, com a alteração de passo variável, é alcançado um desempenho de turbina superior para todas as velocidades de funcionamento devido à rápida adaptação do passo das aletas relativamente às condições marítimas variáveis. Para além disso, uma vez que a alteração de passo se situa no estator e não no rotor, é possível instalar um mecanismo muito mais simples.

Um objetivo adicional da presente invenção passa por um sistema de acionamento de aletas de orientação com um passo variável semiativo que faça com que a aleta atinja, de modo imediato e passivo, um ângulo de equilíbrio que maximize o desempenho da turbina para cada velocidade de funcionamento. Este ângulo de equilíbrio é alcançado devido à flutuabilidade e ao binário resultante produzido nas aletas, uma vez que a resistência e sustentação do ar, ao passar por estas, são compensados por um sistema de acionamento que poderá incluir uma mola e/ou amortecedor. Uma vez que as alterações marítimas alteram de modo frequente, o controlo é capaz de variar as constantes de amortecimento e/ou rigidez do sistema de acionamento. Além disso, a fim de alargar o âmbito de eficiência da turbina, inclusivamente no arranque e paragem, o sistema de acionamento inclui um acionador que movimenta o ângulo das aletas para o intervalo de funcionamento mais adequado.

As seguintes vantagens derivam daquilo que foi mencionado anteriormente: a invenção proposta melhora o desempenho da turbina devido à adaptação imediata desta às alterações em termos de velocidade de funcionamento, bem como a um design otimizado dos perfis das aletas. Para além disso, uma vez que os mecanismos de alteração de passo se situam entre a caixa interna que cobre o veio de rotação e a tampa externa da turbina, estes são mantidos a uma distância do fluxo de ar marítimo húmido de tal modo que ficam protegidos contra a corrosão. Para além disso, ao situarem-se na porção superior ou lateral da turbina, estes estão seguros de um potencial derrame no caso da existência de fendas, fissuras ou fugas. Além disso, uma vez que o sistema de acionamento se situa no estator, a complexidade adicional inerente à compensação da deformação provocada pela rotação do rotor é evitada, e o acesso para efeitos de manutenção é facilitado.

Descrição sucinta dos desenhos

Segue-se uma descrição muito sucinta de uma série de desenhos que ajudam a compreender melhor a invenção e que estão expressamente relacionados com uma forma de realização da referida invenção que é apresentada a título de exemplo não limitativo da mesma. A Figura 1 apresenta uma secção transversal esquemática da turbina axial. A Figura 2 representa uma vista de perspetiva da turbina e da caixa transparente desta. A Figura 3 apresenta uma vista detalhada dos sistemas de acionamento nas aletas. A Figura 4 apresenta posições de aletas diferentes. A Figura 5 representa a posição do equipamento de acionamento e uma vista esquemática do interior deste. A Figura 6 apresenta um corte transversal de uma turbina radial.

Descrição detalhada da invenção

Conforme apresentado na Figura 1, a turbina consiste numa tampa externa (10) e uma caixa interna (11), um estator (13) com aletas de orientação (30) e um rotor (14) com aletas fixas (20) . As aletas de orientação (30) são fixadas entre a caixa interna (11) e o estator (13). As aletas de orientação (30) têm um passo variável e regulam o fluxo de ar nas aletas fixas do rotor (20). Estas aletas (30) poderão movimentar-se, uma vez que cada uma destas tem um veio de rotação (31) entre os pontos fixos: a caixa interna (11) e o estator (13) . 0 rotor (14) e as aletas fixas (20) deste giram de modo acoplado ao veio de rotação (5).

Numa implementação possível apresentada na Figura 2 e na vista detalhada da Figura 3, todas as aletas de orientação (30) giram em torno do veio de rotação longitudinal (31) destas e estão fisicamente unidas entre si, tal como por meio de um aro (7), por exemplo. Na referida implementação, cada aleta (30) tem uma biela (6) que está articulada num aro (7) situado em torno da turbina. Uma vez que um ou vários sistemas de acionamento (8) acoplados ao aro (7) se movimentam de modo linear, é produzida a rotação destes e, como resultado, a rotação simultânea de todas as aletas (30) com o mesmo ângulo. Noutras implementações, poderão existir mecanismos de rotação diferentes. Noutras implementações, poderá não existir qualquer mecanismo, uma vez que cada aleta tem o seu próprio sistema de acionamento.

Conforme apresentado na Figura 4, a velocidade e o ajuste adequado do sistema de controlo que comanda a alteração de passo são essenciais no sentido de se alcançar um desempenho elevado com um consumo reduzido e, ao mesmo tempo, usando soluções tecnológicas simples e duradouras. Deste modo, o acionamento das aletas de orientação (30) é de tal modo que proporciona o impulso e binário resultante produzido nestas aletas devido à resistência e sustentação produzidas pelo ar ao passar por estas, a fim de tender a abrir o passo destas. Os parâmetros de entrada relativamente ao sistema de controlo que se adapta a cada momento são como se segue: a diferença de pressão de ar, o binário do gerador, a velocidade de rotação do rotor e as condições marítimas. Outros aspetos a ter em conta em termos de controlo são o modo de funcionamento (arranque, funcionamento normal e paragem), a procura de energia ativa e reativa, etc. O sistema de controlo envia os sinais ao sistema de acionamento (8), que os usa de tal modo que a aleta atinja de imediato um ângulo de equilíbrio correspondendo a um máximo desempenho. Conforme se demonstrou que a lei de variação da força de acionamento que faz com que a aleta de orientação tenha a orientação ótima não é constante, é necessário atingir esta orientação ótima para que os parâmetros do sistema de acionamento (8) sejam alterados.

Deste modo, a turbina da presente invenção consiste num sistema de acionamento (8) de uma aleta de orientação (30) que proporciona o impulso do fluxo e binário resultante produzido nas aletas devido à resistência e sustentação produzidas pelo ar que passa pelas mesmas, a fim de tender a alterar o passo das aletas conforme apresentado na Figura 4. Deste modo, o uso de uma compensação adequada de uma mola e/ou amortecedor, a aleta (30) poderá ser obrigada a atingir imediatamente um ângulo de equilíbrio que maximize o desempenho da turbina para cada velocidade de funcionamento. Nesta situação, o acionador não está ativo, mas a aleta é sujeita ao binário de amortecedor (83) e/ou mola (82). Deste modo, o sistema de acionamento é semiativo: a mola e o amortecedor fornecem um ângulo de rotação pequeno mas imediato (passivo), ao passo que o acionador (81) fornece um ângulo de rotação superior, mas o acionamento deste é muito mais lento. As constantes de rigidez da mola (82), o amortecimento do amortecedor (83) e a extensão/rotação do acionador (81) são modificados com o sistema de controlo. A constante da mola (82) é modificada com um acionador que prolonga ou encurta a mesma, e a constante do amortecedor (83) é modificada no sentido de fazer com que o fluido passe por uma válvula limitadora. Noutras formas de realização, a modificação das constantes da mola e do amortecedor poderá ser realizada de diferentes formas. A Figura 5 apresenta um sistema de acionamento (8) que é constituído por um acionador (81), uma mola (82) e um amortecedor (83) . Entre outras possíveis formas de realização, o acionador (81) poderá ser eletromagnético ou hidráulico, de tal modo que a alteração da constante da mola poderá ser realizada por meio de um acionador eletromagnético ou hidráulico, e a alteração da constante do amortecedor poderá ser realizada com o auxílio das válvulas limitadoras ou com o auxílio de amortecedores magnetorreológicos que permitem que a viscosidade do fluido em uso possa ser alterada por meio do uso de um campo magnético.

Conforme apresentado na Figura 6, tudo o que é referido anteriormente é válido para ambas as turbinas axial (as turbinas mencionadas até este momento) e radial (a turbina da Figura 6) . 0 fluxo de ar (90) passa pelas aletas de orientação (30) que são criadas entre o estator (13) e a tampa (93). O sistema de acionamento semiativo das referidas aletas (30) atingem de imediato o ângulo de equilíbrio para que as aletas (20) do rotor (14) obtenham um máximo desempenho. Subsequentemente, a rotação do rotor (14) é transmitida ao gerador, o último sendo responsável pela geração de eletricidade.

Lisboa, 16 de agosto de 2017

Claims (4)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Turbina de ar para a exploração de energia das ondas com dispositivos de coluna de água oscilante, a referida turbina sendo unidirecional e constituída por uma tampa externa (10) e uma caixa interna (11), que aloja um estator (13) compreendendo aletas de orientação (30), e um rotor (14) compreendendo aletas de rotor (20), o rotor (14) acoplado ao gerador correspondente deste, em que as aletas de orientação (30) do estator (13) têm um passo variável e caracterizam-se por a turbina compreender, no mínimo, um sistema de acionamento semiativo (8) compreendendo, por sua vez, um acionador (81) e meios de amortecimento (82, 83), que aciona as aletas de orientação (30) do estator (13) diretamente ou por meio de um mecanismo que sincroniza a variação do ângulo de passo de todas as aletas de orientação, a fim de alterar o passo das referidas aletas, e um sistema de controlo para comandar o sistema de acionamento (8).
2. 2. Turbina de ar para a exploração de energia das ondas com dispositivos de coluna de água oscilante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por os dados de entrada do sistema de controlo serem a diferença de pressão de ar entre a entrada e a saída da turbina, a velocidade de rotação do rotor, as condições marítimas e os modos de funcionamento, a saída do sistema de controlo sendo os sinais que modificam o sistema de acionamento.
3. 3. Turbina de ar para a exploração de energia das ondas com dispositivos de coluna de água oscilante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por os meios de amortecimento compreenderem uma mola (82) com uma rigidez controlável e/ou um amortecedor (83) com um amortecimento controlável, que compensam o binário nas aletas de orientação (30) do estator (13) e atingem um ângulo especifico para as referidas aletas de orientação (30), permitindo o impulso de fluxo de ar e binário resultante produzido sobre as aletas de orientação (30) do estator (13) para alterar, de modo passivo, o passo destas, e por o acionador (81) alterar, de modo ativo, as aletas de orientação (30).
4. 4. Turbina de ar para a exploração de energia das ondas com dispositivos de coluna de água oscilante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a turbina ser selecionada entre a turbina axial e a turbina radial. Lisboa, 16 de agosto de 2017