"TURBINA HIDROCINÉTICA DO TIPO BULBO PORTÁTIL"
A presente invenção trata-se de uma turbina hidrocinética geradora deenergia elétrica, movida pelo fluxo de um fluido, o qual pode ser a águaproveniente da correnteza de rios, mares ou outras correntezas que geraenergia de forma sustentável e sem agressões ao meio ambiente. A turbina éde fácil colocação, não necessita da construção de barragens e pode sermergulhada em locais de diferentes profundidades e portes, podendo gerarenergia mesmo com variações na velocidade do escoamento e em baixas vazões.
O uso da energia cinética gerada por corpos d'água pode serconsiderado uma das primeiras formas de utilização de energia renovável pelohomem, através do emprego de rodas d'água ou outros dispositivos maisrudimentares. Entretanto, devido à evolução tecnológica, tais máquinas foramsendo gradativamente substituídas e grandes projetos foram desenvolvidosutilizando a hidroeletricidade, através do desenvolvimento de turbinashidráulicas mais eficientes. Tais dispositivos permitiram o desenvolvimento desistemas hidrelétricos de grande e médio porte, com alta taxa de eficiência deconversão de energia. No entanto, impactos ambientais e sociais consideráveisocorrem nas bacias hidrológicas exploradas, além do que, limitam-se ematender comunidades com grandes demandas energéticas.
A dificuldade de acesso às comunidades afastadas, o alto nível dedispersão das populações rurais, o tamanho das propriedades e a baixa rendafamiliar contribuem para que seja técnica e economicamente inadequadodisponibilizar eletricidade por meio da extensão da rede elétrica convencional(Costa e col., Análise econômica comparativa da eletrificação rural comercial efotovoltaica. Revista Eletricidade Moderna, 315, 2002). Diante deste fato,outras opções devem ser consideradas para atender as necessidadesenergéticas destes grupos. Comumente, em países em desenvolvimento,comunidades pequenas e remotas são localizadas ao longo de rios com águacorrente. Por isso, sistemas hidrocinéticos, com baixo impacto ambiental naconversão de energia e com baixo custo operacional podem representar umaexcelente alternativa de geração de energia sustentável, que utilizaria acorrenteza dos rios ou correntes de água em geral, sem a necessidade deconstrução de barragens e formação de reservatórios.
A exploração de pequenas máquinas hidrocinéticas não édefinitivamente um novo conceito, entretanto, a literatura técnica sobre aconcepção, projeto e uso de turbinas hidrocinéticas é limitada. Basicamente,estes equipamentos podem ser classificados em dois tipos: turbinas de eixovertical, com eixo perpendicular ao fluxo das águas; e turbinas de eixo axial,com eixo na direção do fluxo de água, a última também conhecida por turbinado tipo bulbo.
As classificações internacionais de patentes que relatam este tipo deinvenção são F03B3/00; F03B3/04; F03B1/00; F03B11/00; F03B13/10;F03B13/00. Algumas patentes e notificações internacionais apresentamequipamentos com o propósito de geração de energia através da utilização decorrentes de água.
No documento PI0507012-0 foi proposta uma turbina hidrocinética deeixo vertical, na qual as pás giram em um plano paralelo ao solo.
Preferencialmente utilizada quando se necessita aproveitar a energia cinéticade um fluxo cuja direção pode mudar com o tempo como, por exemplo, nossistemas de aproveitamento de fluxos das marés.
Os documentos de patente PI0604476-0 e PI0605885-0 apresentamduas estruturas de turbina hidráulica compostas por eixos transversais no qualse apoiam várias rodas, semelhantes às rodas d'água, as quais sãomovimentadas pelo curso natural dos rios e transformam essa energia emenergia elétrica. As mesmas permitem a geração durante 24 horas e aindapermitem vários arranjos por serem constituídas por módulos, a primeira delaspodendo ter até 36 variações.
No documento de patente PI8801483-0 tem-se uma pequena usinahidrelétrica que aproveita o fluxo natural de rios perenes ou regularestransformando também a energia cinética das águas em energia elétricaatravés de vários aparatos.
A patente PI0603901-4 trata de um grupo gerador hidrocinético acionadopor uma turbina axial, com rotores múltiplos, instalados em um eixo flexívelpara o fim de aproveitamento hidrocinético de corredeiras. O sistema estáapoiado a flutuadores visando sua sustentação e como o eixo é flexível, essesistema permite a adequação do mesmo ao curso d'água.
O documento PI0601595-6 também se refere a uma turbina hidráulicatipo hidrocinética, que utiliza a energia cinética do fluxo hídrico de cursosd'água e a transforma em energia elétrica, composta por um rotor axial de duaspás com grade cônica de proteção frontal, estator com pás diretrizes e difusorcônico.
As patentes PI0604476-0 e PI0605885-0 apesar de utilizarem o fluxonatural das águas para geração de energia elétrica possuem o inconvenientede serem constituídas por um aparato de grande monta, onde mesmo comapenas um módulo, seu transporte é demasiadamente difícil. Além disso, asmesmas necessitam de dois apoios para suas estruturas, utilizando as duasmargens de um rio, por exemplo, restringem o uso das mesmas a rios comleitos estreitos, além de causar impactos consideráveis nas margens ondeforem instaladas.
A exemplo da patente supracitada, a patente PI8801483-0, também setrata de um grande aparato contendo em seu sistema transformadores ecabines de proteção, aumentando consideravelmente seu impacto ambiental eseu custo operacional, além de impossibilitar sua portabilidade. Esse problematambém ocorre com a patente PI0603901-4 que apesar de se moldar ao cursodo rio não é portátil e causa um grande impacto ambiental, uma vez que ocupatodo o fluxo do rio em um trecho com o seu aparato.
Por sua vez, as patentes PI0601595-6 e PI0507012-0 apresentamsistemas hidrocinéticos que possuem a restrição de somente poderem serutilizados em locais que apresentem fluidos com grandes profundidades devidoao seu tamanho.A presente invenção tem como objetivo notadamente evitar osinconvenientes das estruturas supracitadas apresentando uma turbina simples,com novos conceitos estruturais e hidrodinâmicos. O atual pedido de patentepossui alta eficiência, pois mesmo pequeno, em comparação aos aparatos jáexistentes, o mesmo gera, quando utilizado em um rio, por exemplo, energiasuficiente para aproximadamente dez casas de ribeirinhos.
Foi possível explorar uma alta eficiência na relação tamanho/geração daturbina hidrocinética, objeto da presente patente, podendo-se utilizar a mesmaem rios, mares e outras porções de líquidos de baixa profundidade e ainda sertransportada com facilidade.
Além disso, a mesma não necessita de grandes aparatos para inseri-la,como, por exemplo em um leito de um rio, pois por possuir pequenasdimensões e pouca massa, basta um pequeno espaço em apenas umamargem do rio para fazer e manter essa inserção, diminuindo em grande parteo impacto ambiental gerado pelos aparatos descritos nas patentes anteriores.
A descrição que se segue e as figuras associadas, tudo dado a título deexemplo não limitativo, farão compreender bem a invenção.
A figura 01 apresenta uma vista isométrica da turbina com seus sistemasacoplados;
A figura 02 apresenta uma vista lateral em corte da turbina visandomelhor identificação do rotor (8) da dita turbina;
A figura 03 apresenta a turbina em vista isométrica explodida,identificando alguns de seus componentes individualmente;
A figura 04 mostra um componente da turbina, chamado difusor (2), emvista lateral;
A figura 05 mostra o difusor (2) em vista isométrica;
A figura 06 apresenta o difusor (2) em vista frontal;
A figura 07 mostra o difusor (2) em vista lateral;
A figura 08 apresenta a carcaça (4), o núcleo conversor integrado (6) eparte do rotor (8), numa vista isométrica;
A figura 09 apresenta a carcaça (4) da turbina em vista lateral;A figura 10 mostra uma vista lateral do núcleo conversor integrado (6)com o rotor (8) acoplado no mesmo;
A figura 11 apresenta apenas o núcleo conversor integrado (6);
A figura 12 apresenta o núcleo conversor integrado (6) acoplado ao rotor(8) em corte no intuito de visualizar os componentes internos do núcleoconversor integrado (6) e do dito rotor (8);
A figura 13 mostra uma vista isométrica do rotor (8) da turbina comdetalhe às pás compreendidas pelo mesmo;
A figura 14 mostra uma vista frontal do rotor (8) da turbina;
A figura 15 mostra uma vista lateral do rotor (8) da turbina;
A figura 16 apresenta o anel de fixação (10) da turbina e o rotor (8),ambos em perspectiva isométrica;
A figura 17 mostra o anel de fixação (10) em vista frontal, com detalhe àshastes compreendidas pelo mesmo;
Em conformidade ao apresentado nas figuras 01 e 02 observa-se aturbina com seus componentes acoplados, dando uma visão geral da invenção.
Já na figura 03 temos as partes da turbina de forma explodidaevidenciando como é feita a montagem da mesma. São facilmente identificadosna supracitada figura: o difusor (2), a carcaça (4), o núcleo conversor integrado(6), o rotor da turbina (8), o anel de fixação (10) e as braçadeiras de fixação (12).
As ditas braçadeiras de fixação (12) podem ser produzidas em qualquermaterial que confira resistência mecânica suficiente para comprimir a carcaça(4) e seja resistente à oxidação, visto que a turbina e sua carcaça (4) podementrar em contato com a água. As braçadeiras servem para auxiliar noposicionamento da turbina no escoamento do fluido em questão, e na fixação eunião das duas partes da carcaça, no caso da mesma ser bipartida.
A partir das figuras 1, 2 e 3, torna-se possível compreender melhor ofuncionamento da presente invenção, uma vez que o fluxo do fluido adentra aturbina pelo núcleo conversor (6) alcançando as pás do rotor (8) e fazendo asadquirirem um movimento rotatório, transformando assim a energia cinética dofluido em potência de eixo, a qual é transmitida pelo eixo (14) ao núcleoconversor, o qual converte a energia em forma de potência de eixo em energiaelétrica por meio de seu gerador elétrico (6).
Na figura 04, visualiza-se o difusor assimétrico (2) acoplado à carcaça(4). Esse acoplamento é feito por qualquer recurso que permita tal fixação.
As figuras de 05 a 07 apresentam o difusor assimétrico (2) em váriasvistas. O mesmo foi projetado assimetricamente no intuito de favorecer autilização da turbina em correntes de água com menores profundidades. Paraisso o mesmo é levemente achatado na parte superior e inferior, o que podeser visto de maneira mais clara na figura 05. Para profundidades maiores pode-se utilizar ainda uma carcaça de maiores dimensões e simétrica visando ummaior aproveitamento do fluxo de água vertical.
O ângulo de abertura do difusor (02) pode variar numa faixa de 4 a 15°,sendo preferencialmente utilizado um ângulo com abertura próximo de 15°.
Esse difusor (2) deve ser fabricado de material resistente a impactosprovenientes de detritos do rio, no caso da mesma ser adotada para este fim,bem como resistente à oxidação provocada pelos componentes da água oufluido onde a mesma está parcialmente inserida. A título de exemplo não-limitativo, citamos a fabricação com fibra de carbono ou fibra de vidro eacabamento com pintura automotiva, a qual confere a resistência mecânica e aproteção contra oxidação adequada.
A figura 08 mostra a carcaça (4) em conjunto com a núcleo conversorintegrado (6) e o rotor (8) visando apresentar uma idéia de dimensões eformatos dos mesmos. A carcaça (4) deve possui uma dimensão tal quecomporte o giro do rotor (8) sem que aja atrito entre o rotor (8) e a carcaça (4).Já as dimensões do núcleo conversor integrado (6) devem variar de 10 a 30%do diâmetro do rotor (8) e as dimensões do rotor (8) devem variar conforme aprofundidade do leito. Para vazões de até 2 m/s o diâmetro do rotor (8) nãodeve ser maior que 800 mm, no entanto para vazões superiores a 2 m/s nãoexistem limitações quanto ao tamanho do rotor, desde que o mesmo estejaadequado a boa técnica, conferindo boa relação de potência útil / peso.Já a figura 09 apresenta a carcaça (4) em vista lateral com rasgos (42)que servem para acoplamento dos seus dois lados, completando uma rotaçãointeira envolvendo todo o sistema do rotor, conferindo proteção e estabilidade.Esses rasgos foram inseridos a título de exemplo não-limitativo, podendo-seutilizar, em substituição, qualquer outro meio de acoplamento e/ou fixação, eainda podendo-se construir a dita carcaça em peça única ou divida, e casodividida, também pode ser fixada com qualquer elemento que forneça a junçãoadequada às partes, conferindo resistência mecânica e resistência à oxidação,conforme já citado.
Com vistas à melhora do projeto hidrodinâmico, a supracitada carcaça(4) pode ser obtida num movimento de rotação em torno do seu eixo, podendoser, portanto, perfilada, o que ocasiona uma redução de perda de carga a partirdessa geometria apropriada para indução do escoamento.
Na figura 10 observa-se a conexão do núcleo conversor integrado (6)com o rotor da turbina (8). Essa conexão pode ser feita utilizando-se qualquerrecurso de fixação. Uma maneira que pode ser citada é o encaixe ou atémesmo o chavetamento de uma estrutura na outra.
A figura 11 apresenta o núcleo conversor integrado (6) separadamentede todo o conjunto da turbina. Esse núcleo (6) possui a função de proteçãopara o gerador e para o conjunto de transmissão, evitando vibrações desses eo contato direto dos mesmos com a água ou fluido em questão. A título deexemplo não-limitativo a mesma foi dividida em quatro partes unidas porqualquer recurso de fixação e vedadas por qualquer recurso de vedação.
Na figura 12 é apresentado o núcleo conversor integrado (6) em corte,evidenciando seus componentes internos. É ilustrado o gerador elétrico (62)comumente encontrado no mercado, dois mancais de rolamentos (64 e 68), osquais podem ser substituídos por qualquer elemento que permita a rotação doeixo (14) eliminando o atrito com partes fixas. A título de exemplo não-limitativo, preferencialmente pode-se usar mancais de rolamento cônicos, osquais ainda auxiliam a estrutura no caso de haver tensões axiais.Ainda na figura 12 temos um conjunto de transmissão ou multiplicação(66), necessário para elevar a rotação do eixo (14) ligado ao rotor (8), para queo gerador (62), já conhecido, possa operar fornecendo energia. A multiplicaçãopode ocorrer nas razões de 1:8 a 1:20, dependendo da velocidade doescoamento em questão, pois a razão não pode ser muito alta a ponto depermitir o vencimento da inércia da engrenagem ou conjunto de engrenagemem qualquer conjunto mecânico de multiplicação, sendo que a título deexemplo não-limitativo, preferencialmente na proporção de 1:16 utilizandosistema de engrenagem por planetária.
O item identificado na figura 12 com o número (61), aqui denominado decone, constitui-se apenas de um prolongamento do núcleo conversor integrado(6), podendo possuir qualquer forma geométrica.
As figuras de 13 a 15 apresentam várias vistas do rotor da turbina (8), oqual nas figuras, a título de exemplo não-limitativo, apresentam 4 pás, noentanto podem apresentar de 2 a 6 pás, sendo que preferencialmente sãousadas 4 ou 6 pás. As pás podem ser fabricadas de qualquer materialresistente a impactos, bem como resistente à oxidação provocada pela água nocaso de ser utilizada para este fim. A título de exemplo não-limitativo, a mesmapode ser confeccionada de material plástico, ou polimérico, bem como demadeira ou fibra de carbono que contenha ou não epóxi.
Além disso, a título de exemplo não-limitativo, as pás supracitadaspodem ter seu rendimento melhorado a partir de otimizações computacionaiscomo as realizadas por algoritmos genéticos.
Na figura 16 estão representados o anel de fixação (10) e o rotor daturbina (8) para facilitar a localização exata de onde se insere o dito anel defixação (10). Já na figura 17 tem-se uma visão frontal do anel de fixação (10),onde se podem ver claramente os tirantes de sustentação, as quais podem sersimétricos ou não, e o apoio em formato circular, dentro do qual passará o eixo(14) de conversão de energia mecânica em elétrica.
O anel de fixação (10) é uma peça fixa e deve ser confeccionado de ummaterial tal que confira rigidez e massa suficiente para que a turbina afunde epossa resistir a algum detrito ou trombas cTáguas, o que pode ocorrerprincipalmente nos rios. O anel de fixação (10) também pode ser constituído, atítulo de exemplo não limitativo, de metal fundido ou de plástico injetado (emuma só parte) ou pode ser dividido em quantas partes forem necessárias,usando-se quaisquer recursos de fixação entre os mesmos e quaisquerangulação entre um tirante e outro.
Entre o eixo (14) e o anel de fixação (10) se encontra também umelemento que permita a rotação do eixo com reduzido atrito, que a título deexemplo não-limitativo citamos um mancai de rolamento do tipo cônico (64).