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BRPI0804991A2 - sistema de geração de energia com corrente de água - Google Patents

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BRPI0804991A2
BRPI0804991A2 BRPI0804991-2A BRPI0804991A BRPI0804991A2 BR PI0804991 A2 BRPI0804991 A2 BR PI0804991A2 BR PI0804991 A BRPI0804991 A BR PI0804991A BR PI0804991 A2 BRPI0804991 A2 BR PI0804991A2
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BR
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power generation
generation system
current power
chambers
water current
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BRPI0804991-2A
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English (en)
Inventor
William D Bolin
Original Assignee
Anadarko Petroleum Corp
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Publication date
Application filed by Anadarko Petroleum Corp filed Critical Anadarko Petroleum Corp
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Abstract

SISTEMA DE GERAçãO DE ENERGIA COM CORRENTE DE áGUA. A presente invenção refere-se a um sistema de geração de energia de corrente de água que é fornecido, incluindo uma pluralidade de tubos de flutuação unidos por uma estrutura de corpo; uma pluralidade de câmaras de lastro unidas por uma estrutura de corpo; uma pluralidade de unidades de geração de energia do tipo de indução colocadas dentro de carcaças associadas com uma ou mais das câmaras de flutuação, câmaras de lastro e estrutura de corpo; e uma pluralidade de propulsores colocados em comunicação mecânica com cada uma das unidades geradoras do tipo de indução. Métodos e meios de depositar, posicionar, manter, controlar e operar o sistema também são fornecidos, como são descrições detalhadas de geradores de tipo indutor inovador utilizados para obter energia de correntes de água de movimento rápido, tanques de flutuação para tensionar o sistema contra um sistema de ancoragem submerso colocado sobre um fundo do mar associado, e câmaras de lastro cheias de fluido, equipadas com diversas sub-câmaras que proporcionam controle de precisão e ajustabilidade contínua ao sistema.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DEGERAÇÃO DE ENERGIA COM CORRENTE DE ÁGUA".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se, genericamente, a sistemas degeração de potência de energia renovável e em uma modalidade particularembora não limitativa, a um sistema submerso ou transportado por água pa-ra gerar potência derivada de correntes de água que se movem rapidamen-te, utilizando um gerador de potência do tipo de indução.
Antecedente da invenção
Com o custo crescente de combustíveis fósseis e a demanda deenergia aumentada nas economias e indústrias do mundo, métodos diferen-tes e mais eficientes de desenvolver fontes de energia estão sendo busca-dos de maneira constante. De interesse particular são as assim chamadasfontes de energia alternativa renováveis tais como baterias e dispositivos deenergia solar, fazendas de moinhos de vento, e sistemas que derivam ener-gia de hidrogênio seqüestrado.
Contudo, tais fontes de energia não são ainda capazes de distri-buir energia para uma área amplamente dispersada em escala comercial.Além disto, algumas tecnologias propostas, tais como sistemas energizadoscom hidrogênio que envolvem o refino de água do mar, realmente conso-mem mais energia no processo de conversão do que é produzida ao final dosistema. Outros, tais como hidrogênio derivado de metano, produzem quan-tidades iguais ou maiores de emissões de combustível fóssil do que as tec-nologias convencionais baseadas em petróleo as quais elas pretendemsubstituir, e ainda outras, tais como baterias, sistemas solares e baseadosem moinhos de vento, requerem uma tal exposição consistente à luz solarou ventos significativos que a sua efetividade comercial é limitada de manei-ra inerente.
Um sistema proposto de energia alternativa envolve o domíniode energia hidráulica derivada de correntes de água que se movem rapida-mente, por exemplo, correntes que têm velocidades de pico em escoamentode 2 m/s, ou mais.Na prática, contudo, dispositivos de geração de energia subma-rinos existentes provaram ser inadequados, mesmo onde instalados em lo-cais onde velocidades de correntes são consistentemente muito rápidas. Istoé devido, no mínimo em parte, ao mesmo tempo a uma falta de meios efici-entes para gerar a energia e para transferir de maneira compatível energiaobtida de sistemas de geração de energia submarinos para uma estaçãoservidora em terra ou de transferência de energia trazida por água.
Projetos de propulsores existentes e mecanismos de geração deenergia trazida por água também se provaram inadequados falhando emfornecer ou geração de energia adequada ou estabilidade suficiente contracorrentes de velocidade máxima.
Um outro problema significativo são os aspectos ambientais as-sociados com obter energia de correntes de água sem danificar vida aquáti-ca circundante, tal como recifes, folhagem marinha, cardumes, etc.
Existe, portanto, uma necessidade importante e ainda não al-cançada por um sistema de geração de energia com água corrente que su-pere os problemas atualmente existentes na técnica, e que gere e transfirapara uma estação de transferência a uma quantidade significativa de energiaem uma maneira segura, confiável e amigável ao ambiente.
Sumário da Invenção
É fornecido um sistema de geração de energia de corrente deágua que inclui uma pluralidade de tubos de flutuação unidos por uma estru-tura de corpo; uma pluralidade de câmaras de lastro unidas por uma estrutu-ra de corpo; uma pluralidade de unidades de geração de energia do tipo deindução colocadas dentro de carcaças associadas com a uma ou mais deditas câmaras de flutuação, câmaras de lastro e estrutura de corpo; e umapluralidade de propulsores colocados em comunicação mecânica como cadauma de ditas unidades geradoras do tipo de indução.
Breve Descrição dos Desenhos
As modalidades aqui descrita serão melhor entendidas, e inúmeros objetivos, aspectos e vantagens tornados evidentes àqueles versados natécnica, fazendo referência aos desenhos que acompanham.A figura 1 é uma vista lateral de um sistema de geração de e-nergia de potência de corrente de água de acordo com uma modalidade doexemplo da invenção.
A figura 2 é uma vista frontal de um sistema de geração de e-nergia de potência de corrente de água de acordo com um segunda modali-dade do exemplo da invenção.
A figura 3 é uma vista em planta de um tubo de lastro que temuma pluralidade de câmaras de isolamento do tipo labirinto de acordo comuma terceira modalidade da invenção.
A figura 4A é uma vista superior de um sistema de geração deenergia de potência de corrente de água de acordo com uma quarta modali-dade do exemplo da invenção.
A figura 4B é uma vista superior da modalidade exemplo deline-ada na figura 4A que inclui ainda um sistema associado de ancoragem deamarras.
Descrição Detalhada de Diversas Modalidades do Exemplo
A descrição que segue inclui inúmeros projetos de sistemas to-mados como exemplo e métodos de utilização que configuram vantagens dotema atualmente inovador. Contudo, será entendido por aqueles versadosna técnica que as modalidades descritas irão admitir praticar sem alguns dosdetalhes específicos aqui descritos. Em outros casos, equipamentos subma-rinos de geração de energia bem conhecidos, protocolos, estruturas e técni-cas não foram descritos e mostrados em detalhe para evitar a ofuscação dainvenção.
A figura 1 delineia um primeiro exemplo de modalidade de umsistema de geração de energia com água corrente 101. Em sua forma amais simples, o sistema compreende um tubo de flutuação 102, um tubo delastro 103 e uma unidade de geração de energia do tipo de indução 104,equipada com um propulsor 105.
Embora a figura 1 aparente delinear somente um único tubo deflutuação 102, unidade de lastro 103 e componente gerador 104, ela é defato uma vista lateral de um sistema maior e, modalidades comerciais quecompreendem diversos tubos e componentes geradores são atualmenteconsiderados e descritos abaixo. Não obstante, aqueles de talento nas téc-nicas pertinentes irão facilmente apreciar que a descrição de um sistemalimitado com elementos singulares é ilustrativa, e não irá limitar o escopo dotema aqui descrito.
A inovação do sistema se situa na unidade de geração de ener-gia do tipo de indução 104 que empresta simplicidade e confiabilidade a ope-rações, e produz energia que pode ter saída sem transformação como umacorrente alternada (CA) para uma estação de transferência associada (nãomostrado). O sistema é, portanto, capaz de produzir energia CA em umaescala comercialmente viável que pode ser facilmente vendida a e utilizadapor uma rede elétrica vizinha.
De maneira genérica, geradores de indução são mecanicamentee eletricamente mais simples do que outros tipos de geradores de energiaelétrica síncronos, ou geradores de corrente contínua (CC). Eles tambémtendem a ser mais robustos e duráveis e usualmente não requerem escovasnem comutadores.
Por exemplo, uma máquina de indução assíncrona trifásica elé-trica (por exemplo, enrolamento em gaiola) irá, quando operada mais lentado que a sua velocidade síncrona, funcionar como um motor; o mesmo dis-positivo, contudo, quando operado mais rápido do que a sua velocidade sín-crona, irá funcionar como um gerador de indução.
De forma resumida,geradores de indução podem ser utilizadospara produzir energia elétrica alternada quando um eixo interno é giradomais rápido do que a freqüência síncrona. Na presente invenção a rotaçãodo eixo é conseguida por meio de um propulsor associado 105 colocado emuma corrente de água que se move de maneira relativamente rápida.
Energia derivada do sistema será, na maior parte dos casos,projetada para suplementar um sistema de rede de energia vizinho e assimas freqüências operacionais da rede irão ditar a freqüência de operação parao sistema de geração de energia. Por exemplo, diversos sistemas grandesde rede de energia atualmente empregam uma freqüência operacional decerca de 50 ou 60 hertz.
Geradores de indução não são auto-excitantes, contudo, elesassim requerem ou um suprimento de energia externa (como poderia serobtido facilmente da rede vizinha utilizando um trecho umbilical seja atravésda água ou abaixo de um fundo do mar associado) ou também com "partidasuave" por meio de um arranque de voltagem reduzida para produzir um flu-xo magnético de rotação inicial. Arranques de voltagem reduzida podememprestar vantagens importantes ao sistema tais como, determinar rapida-mente as freqüências operacionais apropriadas e permitir uma nova partidasem energia, no caso que a pega de energia servidora esteja desativada poralguma razão, por exemplo, como resultado de dano provocado por um furacão.
Uma outra consideração importante para sistemas de geraçãode energia trazida por água é o estabelecimento de um equilíbrio de flutua-ção bem balanceado que permita posicionamento dinâmico contínuo a des-peito de velocidades de corrente circundantes. Mesmo admitindo que veloci-dades de corrente circundantes permanecem dentro de uma faixa predeter-minada de velocidades operacionais aceitáveis, o equilíbrio do sistema po-deria ser ainda perturbado por um furacão especialmente potente porémdisposição do sistema bem sob a linha de força de onda típica, isto é, apro-ximadamenta 2,54 - 3,81 m (100-150 pés) de profundidade, ou similar, iráreduzir enormemente tais perturbações. As diversas forças de deslocamentode neutrons (kips) de gravitação, de newtrons (kips) de flutuação, de neu-trons (kips) de arraste, e neutrons (kips) de sustentação, irão também contri-buir para a estabilidade global de um sistema de geração de energia comcorrente de água contínua.
O tubo de flutuação 102 ilustrado na figura 1 compreende umaporção corpo cilíndrico colocada em comunicação mecânica com, no míni-mo, uma unidade tampa extrema 104 que abriga os geradores de induçãoanteriormente mencionados. Os geradores e carcaças de tampa extremaassociadas contém um eixo de acionamento e, em algumas modalidades,engrenagens planetárias relacionadas para o propulsor 105.Em algumas modalidades o tubo de flutuação 102 compreendeuma forma cúbica ou hexagonal, embora a prática efetiva da invenção iráadmitir também outras geometrias. Em uma modalidade atualmente prefe-rencial o tubo de flutuação 102 é aproximadamente cilíndrico, e pressurizadocom gás (por exemplo ar, ou um outro gás de flutuação seguro) de modoque quando o sistema está restringido por amarra ancorada 106, as forçascombinadas irão constituir a força de levantamento primária para o sistemade geração de energia de corrente oceânica.
Conseqüentemente, o sistema pode ser levantado para a super-fície para manutenção ou inspeção, desligando os geradores, reduzindo comisto arraste no sistema, o que permite que o sistema eleve algo no sentidoda superfície. Abrindo o(s) tubo(s) de flutuação e/ou evacuando fluido dostubos de lastro, a unidade pode ser flutuada de maneira segura e confiávelaté a superfície, de modo que manutenção ou inspeção pode ser realizada.
De acordo com um método de movimentar o sistema, a amarra106 também pode ser liberada de modo que a estrutura flutuante pode serrebocada ou energizada de outra maneira no sentido da terra, ou de um ou-tro local operacional.
A modalidade exemplo delineada na figura 2 é uma vista frontaldo sistema de geração de energia 201 equipado com uma pluralidade depropulsores relativamente grandes, de movimento lento 206 colocados emcomunicação mecânica com os elementos eixo de unidades geradoras porindução 204 e 205. Como visto em maior detalhe na figura 4A, as unidadesgeradoras são colocadas dentro de unidades tampa extrema abrigadas den-tro dos tubos de flutuação 102, bem como através do vão de uma porçãocorpo do tipo treliça do sistema colocada entre os tubos de flutuação.
Propulsores 206 são projetados por especificação para cada o-peração particular, e rendimento melhorado será realizado fazendo sob me-dida o tamanho e a curvatura de cada propulsor, etc, com base nas fre-qüências operacionais requeridas pelos geradores de indução, pela veloci-dade das correntes de água circundante, considerações ambientais (por e-xemplo, se os propulsores deveriam ter aberturas ou vazios através dosquais peixes ou outra vida aquática possa passar), e assim por diante. Demaneira similar, conjuntos vizinhos de propulsores podem ser girados emdireções opostas (por exemplo, seja no sentido horário ou no sentido anti-horário) para promover a criação de correntes parasitas ou zonas mortas nafrente dos propulsores, as quais podem repelir ou ajudar a proteger a vidamarinha, aprimorar o rendimento de rotação do propulsor, etc.
Finalmente, o único requisito operacional firme para os propulso-res é que eles sejam capazes de girar eixos de geradores associados nasvelocidades requeridas para obter freqüências operacionais do gerador.
Contudo, é altamente desejável que o sistema como um todo permaneçapassivo em relação à interação com a vida marinha local e que resultados dedesempenho ótimo possam ser alcançados ao mesmo tempo em que man-tém um ambiente operacional neutro ambientalmente.
Voltando agora para a figura 3, uma vista detalhada do interiordos tubos de lastro delineados anteriormente como o item 103 na figura 1 éfornecida, na qual uma pluralidade de câmaras de isolamento do tipo labirin-to são unidas de tal maneira que separação e mistura de diversos gases elíquidos possam ser utilizadas para permitir controle muito mais fino do equi-líbrio e forças de flutuação presentes no sistema que podem ser obtidas pormeio de tubos de flutuação 102.
Como visto na modalidade ilustrada, um sistema de lastro interi-or 301 formado dentro de um tubo de lastro compreende uma fonte de con-trole de ar 302 colocada em comunicação direta com uma válvula de reten-ção de sobrepressão de uma primeira câmara de isolamento 303. A primeiracâmara de isolamento 303 contém ao mesmo tempo um gás seco (por e-xemplo, ar que tem uma pressão igual à pressão da água exterior circundan-te) presente em uma porção superior da câmara e um fluido (por exemplo,água do mar trazida para dentro do exterior da câmara de isolamento) pre-sente em uma porção inferior da câmara.
A primeira câmara de isolamento 303 também compreende umalinha de alimentação de ar secundária 305 para distribuir ar para outroscompartimento cheios de gás da estrutura, bem como linhas para misturasde gás e fluido a partir da primeira câmara de isolamento 303 para a segun-da câmara de isolamento 304. A segunda câmara de isolamento 304 por suavez compreende uma porção superior que contém ar e uma porção inferiorque contém água ou similar, que são separadas por um cilindro de isolamen-to. Em outras modalidades, o cilindro de isolamento contém água do marsobre a qual flutua um fluido do barreira para assegurar melhor isolamentoentre o ar e água do mar.
Em outras modalidades, qualquer das primeira ou segunda câ-maras de isolamento 303, 304 é equipada com instrumentação (por exem-plo, sensores de pressão ou sensores de pressão diferencial) para determi-nar se fluido está presente em uma cavidade particular do sistema. Em aindaoutras modalidades, tais sensores são introduzidos para um sistema de con-trole lógico (não mostrado) utilizado para auxiliar na detecção e controle demedições de equilíbrio e relacionadas a empuxo.
O processo de avançar ar através do sistema em porções supe-riores de tanques ao mesmo tempo que assegura que água ou outros líqui-dos permaneçam nas porções inferiores é continuado até que o equilíbriodesejado e características de controle sejam obtidas. Finalmente, uma câ-mara de isolamento final 306 é fornecida, a qual na modalidade delineadacompreende uma válvula de saída de ar 309 utilizada para deixar o ar forado sistema para conduzir ar para fora do sistema e, em algumas circunstân-cias, água para o interior do sistema.
Uma válvula de segurança de pressão 307 é fornecida no casode pressões internas se tornarem tão grandes que descarga de pressão érequerida para manter a integridade do controle do sistema, e uma válvulaaberta de escoamento de água 308 equipada com uma peneira para impedirentrada acidental de criaturas do mar é colocada em uma porção inferior dotanque de isolamento 306.
Novamente, fluidos de barreira e similares podem ser utilizadospara reduzir interação entre ar e água e, se o sistema é equipado com umcontrole de flutuação que flutua em cima da água do mar, o fluido de barreirapode ser retido depois de toda a água do mar ser expelida.A figura 4A apresenta uma vista superior de uma modalidade dosistema 401 que, neste caso, compreende um primeiro e um segundo tubosde flutuação 402, 403; uma conexão, porção de corpo como treliça 404 colo-cada entre eles; uma pluralidade de geradores de indução 405, 406 posicio-nados de maneira estratégica ao redor dos tubos de flutuação e as porçõesde corpo; uma pluralidade de propulsores 407 colocados em comunicaçãomecânica com geradores; e uma pluralidade de elementos de amarração408, 409 colocados em comunicação mecânica com os tubos de flutuação402, 403.
No exemplo de modalidade delineado na figura 4B, elementosde amarração 408 e 409 são unidos para formar uma única amarração deancoragem 410 que é fixada em uma maneira conhecida ao elemento deancoragem 411.
Em diversas modalidades, a amarração de ancoragem 410 ain-da compreende dispositivo para restringir de maneira variável e liberar o sis-tema. Em diversas outras modalidades, a amarração de ancoragem 410termina em um elemento de ancoragem 411 equipado com um dispositivo determinação de ancoragem (não mostrado). O elemento de ancoragem 411compreende qualquer tipo de âncora conhecido (por exemplo, uma âncorade peso morto, ou similar) adequado para manter uma posição fixa em cor-rentes de movimento rápido, que são usualmente encontradas em localiza-ções com fundos do mar rochosos devido à erosão do solo provocada pelascorrentes de movimento rápido.
Em ainda outras modalidades, esta porção da estação pode serpresa ligando a amarração de ancoragem 410 a qualquer de uma superfíciede vaso ou um outro dispositivo de geração de energia de corrente oceânicaou a uma outra localização de amarração central, tal como uma bóia flutuan-te de posicionamento dinâmico.
Embora ainda outros aspectos da invenção, os quais em essên-cia compreendem o corpo de dispositivos conhecidos associados generica-mente com produção de energia submarina (por exemplo, fontes de supri-mento de energia auxiliar, controle por fibra ótica e sistemas de comunica-ção, veículos servidores operados de maneira remota utilizados para servir àestação de energia, etc.) sejam certamente considerados como possíveisperiféricos para utilização na deposição, posicionamento, controle e opera-ção do sistema, não é julgado necessário descrever tais itens em grandedetalhe, uma vez que tais sistemas e sub-sistemas já serão conhecidos da-queles versados nas técnicas pertinentes.
Embora a invenção tenha sido delineada e descrita acima emdetalhe em relação a diversas modalidades tomadas como exemplo, aquelesversados na técnica irão também apreciar que mudanças menores na des-crição e diversas outras modificações, omissões e adições também podemser feitas sem se afastar seja do seu espírito ou do seu escopo.

Claims (20)

1. Sistema de geração de energia de corrente de água, dito sistema compreendendo:uma câmara de flutuação;uma unidade de geração de energia do tipo de indução colocadadentro de uma carcaça associada com dita câmara de flutuação; eum propulsor colocado em comunicação mecânica com dita unidade geradora do tipo de indução.
2. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 1, que ainda compreende uma pluralidade de câmaras de flutuação unidas por uma estrutura de corpo.
3. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 1, que ainda compreende uma câmara de lastro.
4. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 3, que ainda compreende uma pluralidade de câmaras de lastro.
5. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 4, em que a dita pluralidade de câmaras de lastro são unidas por uma estrutura de corpo.
6. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 2, em que a dita estrutura de corpo abriga uma ou mais unidades geradoras do tipo de indução.
7. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 6, que ainda compreende uma pluralidade de propulsores colocados em comunicação mecânica com dita uma ou mais unidadesgeradoras do tipo de indução.
8. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 3, em que a dita câmara de lastro ainda compreende uma ou mais câmaras de isolamento do tipo de labirinto.
9. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 8, em que no mínimo uma de ditas uma ou mais câmaras de isolamento de tipo de labirinto ainda compreende uma porção su~perior que abriga um gás.
10. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 8, em que no mínimo uma de ditas câmaras de isolamento de tipo de labirinto ainda compreende uma porção inferior queabriga um líquido.
11. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 8, em que no mínimo uma de ditas uma ou mais câmaras de isolamento de tipo de labirinto ainda compreende uma porçãosuperior e uma porção inferior separadas por um cilindro intermediário colocado em comunicação direta com um fluido de barreira.
12. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 8, em que no mínimo uma de uma ou mais câmaras de isolamento de labirinto ainda compreende uma válvula de controle de fonte de gás.
13. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 8, em que no mínimo uma de uma das câmaras de isolamento de labirinto ainda compreende uma válvula de saída de gás.
14. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 8, em que no mínimo uma ou mais câmaras de isolamento de labirinto ainda compreende uma válvula de segurança depressão.
15. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 8, em que no mínimo uma de uma ou mais câmaras de isolamento de labirinto ainda compreende uma válvula de admissão/descarga de fluido equipada com uma peneira para impedir introdução em ditas câmaras de vida marinha.
16. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 8, em que no mínimo uma de uma ou mais câmaras de isolamento de labirinto ainda compreender uma válvula de retenção que quando sobrepressurizada inicia a evacuação da água de dita uma oU mais câmaras de isolamento.
17. Sistema de geração de energia de corrente de água de a-cordo com a reivindicação 1, que ainda compreende no mínimo um elementode amarração.
18. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 17, em que o dito no mínimo um elemento de amarração é colocado em comunicação com um elemento de terminação deamarração.
19. Sistema de geração de energia de corrente de água de acordo com a reivindicação 18, em que o dito elemento de terminação de amarração é colocada em comunicação com um elemento de ancoragem.
20. Sistema de geração de energia de corrente de água, ditosistema compreendendo:uma pluralidade de tubos de flutuação unidos por uma estruturade corpo;uma pluralidade de câmaras de lastro unidas por uma estruturade corpo;uma pluralidade de unidades de geração de energia do tipo deindução colocadas dentro de carcaças associadas com uma ou mais de ditas câmaras de flutuação, câmaras de lastro, e estrutura de corpo; euma pluralidade de propulsores colocados em comunicação mecânica com ditas unidades geradoras de tipo de indução.
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