PT 105015

(11) Número de Publicação:
PT 105015
(51) Classificação Internacional:
F03B 13/18 (2006)
F03B 13/16 (2006)
E02B 3/06 (2006)
(12) FASCÍCULO DE PATENTE DE INVENÇÃO
(22) Data de pedido: 2010.03.17
(73) Titular(es):
(30) Prioridade(s):
JOSÉ ANTÓNIO DE PINHO RIBEIRO
RUA DE FELIZARDO DE LIMA, Nº 43, 2º
4100-283 PORTO
PT
(43) Data de publicação do pedido: 2012.09.17
(72) Inventor(es):
JOSÉ ANTÓNIO DE PINHO RIBEIRO
PT
(74) Mandatário:
(54) Epígrafe: CONVERSOR DE ENERGIA CINÉTICA DAS ONDAS
(57) Resumo: O CONVERSOR DE ENERGIA CINÉTICA DAS ONDAS DESTINA-SE A CONVERTER A ENERGIA
CINÉTICA DO MOVIMENTO LONGITUDINAL DAS ONDAS MARÍTIMAS EM ENERGIA ELÉCTRICA. UTILIZA-SE A
FORÇA DO MAR PARA DESLOCAR OBLIQUAMENTE MÓDULOS LATERAIS MÓVEIS (1) NA DIREÇÃO DE
INCIDÊNCIA DAS ONDAS E DE FORMA TRANSVERSAL ATRAVÉS DE UM CORPO CENTRAL FIXO. A
TRANSMISSÃO MECÂNICA DO MOVIMENTO OBLÍQUO ASCENDENTE, PROVOCADO PELA TRANSFERÊNCIA
DA ENERGIA DO IMPACTO DAS ONDAS SOBRE MÓDULOS LATERAIS MÓVEIS (1), EFETUA-SE NO CORPO
CENTRAL FIXO POR UM TIRANTE CENTRAL EM POSIÇÃO OBLÍQUA E TRANSFORMA-SE EM MOVIMENTO
ROTATIVO, ATRAVÉS DE UM ACOPLADO MECANISMO CREMALHEIRA-ENGRENAGEM (2) QUE ACIONA UM
GERADOR (3) CONVERTENDO-SE EM ELETRICIDADE. OS MÓDULOS LATERAIS MÓVEIS (1) POSICIONAM-SE
AUTOMATICAMENTE AO NÍVEL DA MARÉ. INTALA-SE JUNTO À COSTA, MOLHES OU OUTROS PONTOS
RÍGIDOS POR FIXAÇÃO HORIZONTAL, OU EM LOCAIS DE MAR PROFUNDO SUSTENTADO VERTICALMENTE
POR UMA BÓIA ANCORADA NO FUNDO DO MAR.
Resumo
Conversor de Energia Cinética das Ondas
O Conversor de Energia Cinética das Ondas destina-se a
converter a energia cinética do movimento longitudinal das
ondas marítimas em energia eléctrica. Utiliza-se a força do
mar para deslocar obliquamente módulos laterais móveis (1) na
direcção de incidência das ondas e de forma transversal
através de um corpo central fixo. A transmissão mecânica do
movimento oblíquo ascendente, provocado pela transferência da
energia do impacto das ondas sobre módulos laterais móveis
(1), efectua-se no corpo central fixo por um tirante central
em posição oblíqua e transforma-se em movimento rotativo,
através de um acoplado mecanismo cremalheira - engrenagem (2)
que acciona um gerador (3) convertendo-se em electricidade.
Os módulos laterais móveis (1) posicionam-se automaticamente
ao nível da maré. Instala-se junto à costa, molhes ou outros
pontos rígidos por fixação horizontal, ou em locais de mar
profundo sustentado verticalmente por uma bóia ancorada no
fundo do mar.
Descrição
Conversor de Energia Cinética das Ondas
Domínio técnico da invenção:
O Conversor de Energia Cinética das Ondas destina-se a
converter a energia cinética do movimento longitudinal das
ondas marítimas em energia eléctrica.
Utiliza-se a força do mar para deslocar obliquamente módulos
laterais móveis na mesma direcção da onda e de forma
transversal através de um corpo central fixo. Aproveita-se
assim a energia de deslocação da frente de onda para activar
a rotação de um gerador.
O Conversor de Energia Cinética das Ondas parte de dois
princípios físicos básicos: Primeiro, se criarmos dentro de
água uma barreira ao avanço de uma outra força de água, essa
barreira, devido à massa de água à sua retaguarda tenderá a
manter-se imóvel e provocará a dissipação ou libertação de
energia da força incidente (rebentação da onda). Segundo, no
princípio da conservação da quantidade de movimento o
movimento final é semelhante ao inicial sem prejuízo da massa
intermédia permanecer imóvel.
O Conversor de Energia Cinética das Ondas utiliza o efeito
de flutuação de módulos laterais móveis, estanques com
lastro, apenas para os manter auto-sustentados a um
determinado nível da água, de forma a criar uma barreira
conveniente ao avanço das ondas. As ondas, ao incidirem nessa
barreira, libertam energia e como na sua retaguarda existe
uma massa de água algo estável a barreira tenderá a ter um
movimento na direcção menos resistente que é a oblíqua
ascendente. Com isto, cria-se uma máquina de dimensões
relativamente reduzidas que absorve a energia cinética e
converte em electricidade e ainda utiliza a energia potencial
para produzir electricidade após a passagem das ondas.
A técnica anterior:
Não se conhecem máquinas de produção de electricidade a
partir da energia das ondas com constituição e princípio de
funcionamento semelhante ao Conversor de Energia Cinética das
Ondas que aqui se descreve.
A motivação portuguesa no sector da energia das ondas está
patente nos protótipos testados no mar, nomeadamente a
central de Coluna de Água Oscilante, CAO, da Ilha do Pico nos
Açores; o equipamento submerso activado pela translação da
água em profundidade, Wave Roler, ao largo de Peniche; o
equipamento submerso ativado pela diferença de pressão da
água do mar, AWS, ao largo da Póvoa do Varzim e o equipamento
articulado pela altura das ondas, Pelamis, instalado também
ao largo da Póvoa do Varzim.
Como
eventual
solução
com
alguma
presumível
maior
proximidade do Conversor de Energia Cinética das Ondas em
1/6
causa, identificou-se a publicação JP2004176621. Trata-se
contudo de um caso com concepção, estrutura e princípio de
funcionamento distinto do Conversor de Energia Cinética das
Ondas. Descreve um processo que apenas utiliza a variação da
altura das marés ou a energia potencial da altura das ondas
para efetuar o deslizamento de uma massa sobre uma laje
oblíqua. Só pode ser instalado em locais com topografia
compatível com a construção de uma infra-estrutura de laje
oblíqua e despreza a energia cinética das ondas ao não
contemplar uma superfície frontal de impacto na parte móvel
nem perfil lateral com hidrodinâmismo para esse efeito.
A grande maioria dos projetos e protótipos documentados a
nível mundial, sobre a utilização da energia das ondas, faz
uso da energia potencial da altura da onda. O Conversor da
Energia Cinética das Ondas, agora apresentado, deita a mão à
componente energética mais importante das ondas que é a sua
energia cinética e converte-a em energia elétrica.
Descrição das figuras:
Apresentam-se três projecções sequenciais da estrutura do
Conversor de Energia Cinética das Ondas, seguindo-se a
projecção
lateral
numa
posição
de
funcionamento.
Posteriormente, representam-se três desenhos do Conversor de
Energia Cinética das Ondas em perspectiva, em que o primeiro
deles salienta a respectiva fixação horizontal, o seguinte a
aplicação com sustentação vertical e o último a versão para
unidades de grandes dimensões com sustentação vertical.
Fig.1 - Vista de frente.
Fig.2 - Vista de cima.
Fig.3 - Vista lateral.
Fig.4 - Vista lateral numa posição de funcionamento.
Fig.5 – Perspectiva para fixação horizontal.
Fig.6 - Perspectiva para sustentação vertical.
Fig.7 – Perspectiva para unidades de grandes dimensões.
Identificação das peças desenhadas:
(1) - Módulo lateral móvel.
(1a) – Superfície frontal vertical de impacto.
(2) - Mecanismo cremalheira-engrenagem.
(3) - Gerador.
(4) - Elemento anelar estrutural.
(5) - Tirante central (transmissor de movimento).
(6) – Tirante superior.
(7) - Ligador superior.
(8) - Corpo central fixo.
(8a) - Câmara de lastro (no corpo central fixo).
(9) - Tirante lateral.
(10) - Conjunto mecânico elevador da velocidade de rotação.
(11) – Engrenagem (do mecanismo cremalheira-engrenagem que
poderá ter sistema roda-livre por catracas).
(12) – Cremalheira (do mecanismo cremalheira-engrenagem).
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(13)
(14)
(15)
(16)
–
–
–
Fixador horizontal.
Bóia (de sustentação vertical).
Suporte lateral.
Tirante suplementar oblíquo fixo lateral.
Descrição pormenorizada da invenção:
O Conversor de Energia Cinética das Ondas é composto por
dois módulos laterais móveis e um corpo central fixo de
estabilidade e reconversão da energia.
Cada módulo lateral móvel (1) é uma espécie de bóia metálica
com lastro e superfície frontal vertical de impacto (1a), que
mesmo concava se posiciona para obter a máxima energia da
onda e assim se movimentar com esta obliquamente e na mesma
direcção. Os dois módulos laterais móveis (mlm’s) estão
unidos entre si por elementos anelares estruturais (4)
paralelos semelhantes e em cima com um ligador superior (7).
O mediano elemento anelar estrutural (4) liga centralmente a
sua parte frontal com a sua retaguarda por um tirante central
(5) e tirantes laterais (9), através do corpo central fixo
(8) do conversor. O tirante central (5), em posição oblíqua,
destina-se a movimentar um mecanismo cremalheira-engrenagem
(2) sendo a cremalheira (12) parte dos mlm’s e a engrenagem
(11) parte do corpo central fixo (8).
A engrenagem (11) do mecanismo cremalheira-engrenagem (2) é
engrenada num conjunto mecânico de elevação de velocidade de
rotação (10) que transmite a rotação elevada ao gerador (3)
preso ao corpo central fixo (8).
Os
tirantes
laterais
(9),
em
posição
oblíqua,
são
orientadores móveis e estabilizadores de movimento, através
de calhas ou rolamentos do corpo central fixo (8), actuando
em conjunto com um tirante superior (6), os quais se dispõem
geometricamente como arestas de prisma triangular.
Nalguns casos, o tirante superior (6) poderá substituir o
tirante central (5), desempenhando a dupla função de
estabilização e transmissão de movimento.
O corpo central fixo (8) também poderá ter câmara de lastro
(8a) e essa câmara poderá ser opção para colocação do
gerador.
Para o eficaz funcionamento, os mlm’s são auto-sustentáveis
e o seu lastro destina-se a que no estado de repouso os mlm’s
estejam semi-submersos para obterem toda a energia de impacto
e deslocação da onda. O movimento oblíquo ascendente dos
mlm’s pela acção da energia cinética das ondas e segundo o
princípio de conservação da quantidade de movimento é
transformado a partir do tirante central (5), no corpo
central fixo (8), em movimento rotativo pelo associado
mecanismo de cremalheira (12) que pode ser de dentes
inclinados com engrenagem (11) constituída por roda dentada
helicoidal. Esta pode incluir um sistema roda-livre por
catracas, amplificando-se o
movimento rotativo por um.
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conjunto mecânico elevador da velocidade de rotação (10)
formado por uma ou mais rodas dentadas helicoidais de redução
do diâmetro de rotação original e através de um pinhão
helicoidal chega a rotação elevada ao gerador (3) produzindose electricidade, pela variação da posição relativa dos mlm’s
durante o seu movimento transversal oblíquo através do corpo
central fixo (8). A recuperação da posição primitiva é
garantida pelo princípio da conservação da energia a partir
da energia potencial (altura relativa) dos mlm’s em relação
ao corpo central fixo (8), depois de empurrados até à posição
extrema e após a atenuação da força da onda.
Neutraliza-se o efeito da variação das marés com um
posicionador
automático
constituído
por
mecanismo
cremalheira-engrenagem (2) acoplado a tirante central (5) que
efectua um movimento oblíquo, implicando que os mlm’s subam
ou desçam automaticamente com o nível do mar, ficando o
movimento oblíquo apenas dependente do curso disponível dos
tirantes.
O sistema de roda-livre por catracas, na engrenagem (11) do
mecanismo cremalheira-engrenagem (2) é, de forma opcional,
destinado a minimizar a resistência ao movimento descendente
de recuperação da posição primitiva, só se produzindo
electricidade durante o tempo de movimento da onda em
direcção à praia. Um fixador de catracas, anulará o
funcionamento da engrenagem (11) em roda-livre.
Como veículo de reequilíbrio, podemos incluir um contrapeso
numa segunda cremalheira, na parte superior da engrenagem
(11) do mecanismo cremalheira-engrenagem (2), na posição
diametralmente oposta à cremalheira (12) do tirante central
(5) e que ao efectuar um movimento oposto ao dos mlm’s
manterá o centro de massa do Conversor de Energia Cinética
das Ondas num ponto conveniente.
O corpo central fixo (8) é estanque, sendo vedadas todas as
aberturas
para
movimentação
de
tirantes.
Pontas
de
cremalheiras poderão ser movimentadas no interior de tubos
estanques como prolongamento do corpo central fixo (8).
Os tirantes podem ser rectilíneos produzindo um movimento
oblíquo linear, ou curvilíneos resultantes de um arco de
círculo de grande raio, provocando um movimento oblíquo semicircular.
A posição dos tirantes no corpo central fixo (8) confere
efeito de alavanca aos mlm’s.
Para maximizar a hidrodinâmica, os mlm’s deverão ter um
perfil tipo cunha e a parte inferior incluir uma terminação
em gume de faca com inclinação na direcção do movimento
descendente ou de recuperação da posição primitiva.
Por questões de segurança, de instalação e manutenção, o
conversor deverá ser equipado com freio.
Numa situação teórica ideal para zona de rebentação, em que
a força do movimento frontal da onda fosse igual à força do
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movimento inverso de deslocação da água após rebentação, os
mlm’s
deslocar-se-iam
horizontalmente
entre
a
posição
inicial, final e novamente inicial sem perdas. Mas como o mar
não se comporta assim, o Conversor de Energia Cinética das
Ondas tem de ser instalado com os tirantes numa posição
oblíqua.
O Conversor de Energia Cinética das Ondas pode ser instalado
junto à costa, molhes ou outros pontos rígidos e em locais de
mar profundo.
Para instalações junto à costa, molhes ou outros pontos
rígidos podemos usar fixadores horizontais (13) entre o corpo
central fixo (8) e esses pontos rígidos com o auxílio da
propriedade de flutuação da câmara de lastro (8a) do corpo
central fixo (8). Estes fixadores deverão ainda permitir
pequenos movimentos circulares horizontais para se efectuar o
auto-reajuste a pequenas variações da direcção de incidência
das ondas aproveitando todo o seu impacto.
Se optarmos por efectuar instalações em locais com mar
profundo, devemos executar a sustentação vertical através de
uma grande bóia (14) no corpo central fixo (8). Para
maximizar a sua estabilidade, a configuração exterior da bóia
(14) deverá assemelhar-se a um prisma triangular em posição
vertical com a aresta frontal orientada para a incidência das
ondas, criando na retaguarda uma área de reacção de força
sobre a massa de água. Tal bóia (14) poderá ser equipada com
um grupo de bombagem de água, cujo enchimento levará o
Conversor de Energia Cinética das Ondas a submergir. A bóia
(14) terá cinco pontos de ancoragem no fundo do mar e alguns
destes deverão também ser pontos de ancoragem de mais
sistemas idênticos.
A eventual construção de unidades de grandes dimensões para
reconversão de potências superiores, contempla apêndices
adicionais de equilíbrio constituídos por suportes laterais
(15) cravados no corpo central fixo (8) ou na bóia (14) de
sustentação vertical e a parte superior é um tirante
suplementar oblíquo fixo lateral (16) que atravessa a zona
central de cada módulo lateral móvel (1). Esses tirantes
suplementares
oblíquos
fixos
laterais
(16),
podem
complementar ou substituir os tirantes laterais (9) do modelo
original.
Dever-se-á construir malhas ou parques de conversores, para
resolver inconvenientes no ritmo descontínuo de produção de
electricidade, instalando-se uns Conversores de Energia
Cinética das Ondas em posições avançadas em relação a outros,
utilizando o impacto das ondas em instantes distintos.
Admite-se a viabilidade de se instalarem conversores deste
tipo em alguns locais específicos do fundo do mar, com menor
rendimento
e
aí
poderíamos
substituir
o
mecanismo
cremalheira-engrenagem (2) pelo par mecânico biela-manivela.
Para casos particulares, podem-se
construir
extensões
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alternativas de Conversores de Energia Cinética das Ondas,
nomeadamente uma versão dupla, correspondente à junção
mecânica de dois Conversores de Energia Cinética das Ondas
simples, criando um módulo central móvel estanque com lastro
e dois corpos laterais fixos de estabilização e reconversão
da energia, ou uma versão tripla com um corpo central fixo
para produção de electricidade e dois corpos laterais fixos
para suporte e estabilidade, podendo-se também produzir
electricidade nessas extremidades dos dois módulos laterais
móveis, estanques com lastro.
De acordo com o Centre of Renewable Energy Sources, a
potência de uma onda é proporcional ao quadrado da amplitude
e ao seu período, implicando que ondas de amplitudes e
períodos elevados (2m de altura e períodos de cerca de 9s)
excedem por norma os 50 kW por metro de frente de onda
podendo atingir valores muito superiores em situações de
tempestade.
Um Conversor de Energia Cinética das Ondas, com módulos
laterais móveis (1) de 4,5 m de largura e 2,5 m de altura
poderá debitar uma potência de 500 kW.
Este Conversor de Energia Cinética das Ondas, em relação a
todos os que produzam electricidade de fontes renováveis,
terá maior rendimento com máquinas menores e com menos custos
de produção, promovendo uma electricidade mais barata.
Porto, 14 de Maio de 2012
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REIVINDICAÇÕES
1ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas que transforma o
movimento longitudinal das ondas marítimas num movimento
mecânico oblíquo e o converte em eletricidade, sendo
caracterizado por ter dois módulos laterais móveis (1) com
superfícies frontais verticais de impacto (1a), medianamente
unidos entre si por um elemento anelar estrutural (4) que
liga centralmente a sua parte fontal com a retaguarda pelo
oblíquo tirante central (5) que atravessa o corpo central
fixo (8).
2ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com a
reivindicação nº1, caracterizado por ter módulos laterais
móveis (1) com terminação inferior em gume de faca com
inclinação na direção do movimento descendente ou de
recuperação da posição primitiva.
3ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com as
reivindicações
precedentes,
caracterizado
por
ser
estruturalmente
constituído
por
elementos
anelares
estruturais (4) semelhantes que suportam módulos laterais
móveis (1) estanques com lastro que se deslocam obliquamente
e de forma transversal através do corpo central fixo (8).
4ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com as
reivindicações precedentes, caracterizado por ter a parte
frontal de elementos anelares estruturais (4) ligada com a
sua retaguarda por tirante superior (6) e tirantes laterais
(9) dispostos
geometricamente como arestas
de prisma
triangular.
5ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com as
reivindicações precedentes, caracterizado por dispor de
apêndices adicionais de equilíbrio constituídos por suportes
laterais (15) contendo tirantes suplementares oblíquos fixos
laterais (16).
6ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com as
reivindicações
precedentes,
caracterizado
por
ter
posicionador automático de módulos laterais móveis (1)
estanques com lastro ao nível da maré, constituído por
mecanismo cremalheira-engrenagem (2) acoplado a tirante
central (5).
7ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo as
reivindicações precedentes, caracterizado por ter, no corpo
central fixo (8), o posicionador automático de módulos
laterais móveis (1) estanques com lastro ao nível da maré,
engrenado no conjunto mecânico elevador da velocidade de
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rotação (10) que terminalmente engrena no pinhão do gerador
(3).
8ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com as
reivindicações precedentes, caracterizado por conter fixador
de catracas na engrenagem (11) que anula o funcionamento do
mecanismo cremalheira-engrenagem (2) em sistema roda-livre.
9ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com as
reivindicações precedentes, caracterizado por incluir um
contrapeso numa cremalheira na parte superior da engrenagem
(11) do mecanismo cremalheira-engrenagem (2).
10ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com
as reivindicações precedentes, caracterizado por ter fixador
horizontal (13) junto à costa, molhes ou outros pontos
rígidos, dispondo de câmara de lastro (8a) no corpo central
fixo (8) como coadjuvante do respectivo fixador.
11ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com
as
reivindicações
precedentes,
caracterizado
por
ter
sustentação vertical através de bóia (14) com ancoragem no
fundo do mar.
12ª. Conversor de Energia Cinética das Ondas, de acordo com
as reivindicações precedentes, caracterizado por ter como
extensão o resultado da junção mecânica de Conversores de
Energia Cinética das Ondas simples, nomeadamente uma versão
dupla criando um módulo central móvel estanque com lastro e
dois corpos laterais fixos de estabilização e reconversão da
energia, ou uma versão tripla com um corpo central fixo para
produção de electricidade e dois corpos laterais fixos para
suporte e estabilidade, podendo também produzir electricidade
nessas extremidades dos dois módulos laterais móveis,
estanques com lastro.
Porto, 7 de Maio de 2012
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