A presente invenção trata-se de uma turbina hidrocinetica geradora de energia elétrica, movida pelo fluxo de um fluido, o qual pode ser a água proveniente da correnteza de rios, mares ou outras correntezas que geram energia de forma sustentável e sem agressões ao meio ambiente. A turbina de fácil colocação, não necessita da construção de barragens e pode ser mergulhada em locais de diferentes profundidades e portes, podendo gerar energia mesmo com variações na velocidade do escoamento e em baixas vazões.
O uso da energia cinética gerada por corpos d’agua pode ser considerado uma das primeiras formas de utilização de energia renovável pelo homem, através do emprego de rodas d'agua ou outros dispositivos mais rudimentares. Entretanto, devido a evolução tecnológica, tais máquinas foram sendo gradativamente substituídas e grandes projetos foram desenvolvidos utilizando a hidroeletricidade, através do desenvolvimento de turbinas hidráulicas mais eficientes. Tais dispositivos permitiram o desenvolvimento de sistemas hidrelétricos de grande e médio porte, com alta taxa de eficiência de conversão de energia. No entanto, impactos ambientais e sociais consideráveis ocorrem nas bacias hidrológicas exploradas, além do que, limitam-se em atender comunidades com grandes demandas energéticas.
A dificuldade de acesso as comunidades afastadas, o alto nível de dispersão das populações rurais, o tamanho das propriedades e a baixa renda familiar contribuem para que seja técnica e economicamente inadequado disponibilizar eletricidade por meio da extensão da rede elétrica convencional (Costa e col., Análise econômica comparativa da eletrificação rural comercial e fotovoltaica. Revista Eletricidade Moderna, 315, 2002). Diante deste fato, outras opções devem ser consideradas para atender as necessidades energéticas destes grupos. Comumente, em países em desenvolvimento, comunidades pequenas e remotas são localizadas ao longo de rios com água corrente. Por isso, sistemas hidrocineticos, com baixo impacto ambiental na conversão de energia e com baixo custo operacional, podem representar uma excelente alterativa de geração de energia sustentável, que utilizaria a correnteza dos rios ou correntes de água em geral, sem a necessidade de construção de barragens e formação de reservatórios. A exploração de pequenas máquinas hidrocineticas são definitivamente um novo conceito, entretanto, a literatura técnica sobre a concepção, projeto e uso de turbinas hidrocineticas é limitada. Basicamente, estes equipamentos podem ser classificados em dois tipos: turbinas de eixo vertical, 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 turbina do tipo bulbo.
As classificações internacionais de patentes que relatam este tipo de invenção são F03B3/00; F03B3/04; FO3B1/00; FO3B11/00; F03B13/10; F03B13/00. Algumas patentes e notificações internacionais apresentam equipamentos com o propósito de geração de energia através da utilização de correntes de água.
No documento P10507012-0 foi proposta uma turbina hidrocinetica de eixo vertical, na qual as pás giram em um piano paralelo ao solo. Preferencialmente utilizada quando se necessita aproveitar a energia cinética de um fluxo cuja direção pode mudar com o tempo como, por exemplo, nos sistemas de aproveitamento de fluxos das mares.
Os documentos de patente PI0604476-0 e PI0605885-0 apresentam duas estruturas de turbina hidráulica compostas por eixos transversais no qual se apoiam várias rodas, semelhantes as rodas d’agua, as quais são movimentadas pelo curso natural dos rios e transformam essa energia em energia elétrica. As mesmas, permitem a geração durante 24 horas e ainda permitem vários arranjos por serem constituídas por módulos, a primeira delas podendo ter até 36 variações.
No documento de patente PI8801483-0 tem-se uma pequena usina hidrelétrica que aproveita o fluxo natural de rios perenes ou regulares transformando também a energia cinética das águas em energia elétrica através de vários aparatos.
A patente PI0603901-4 trata de um grupo gerador hidrocinetico acionado por uma turbina axial, com rotores múltiplos, instalados em um eixo flexível para o fim de aproveitamento hidrocinetico de corredeiras. O sistema está apoiado a flutuadores visando sua sustentação e como o eixo é flexível, esse sistema permite a adequação ao curso d'agua.
O documento PI0601595-6 também se refere a uma turbina hidráulica tipo hidrocinetica, que utiliza a energia cinética do fluxo hídrico de cursos d'agua e a transforma em energia elétrica, composta por um rotor axial de duas pás com grade cônica de proteção frontal, estator com pás diretrizes e difusor cônico.
As patentes PI0604476-0 e PI0605885-0 apesar de utilizarem o fluxo natural das águas para geração de energia elétrica possuem o inconveniente de serem constituídas por um aparato de grande monta, onde mesmo com apenas um modulo, seu transporte é demasiadamente difícil. Além disso, as mesmas, necessitam de dois apoios para suas estruturas, utilizando as duas margens de um rio, por exemplo, restringem o uso das mesmas a rios com leitos estreitos, além de causar impactos consideráveis nas margens onde forem instaladas.
A exemplo da patente supracitada, a patente P18801483-0, também se trata de um grande aparato contendo em seu sistema transformadores e cabines de proteção, aumentando consideravelmente seu impacto ambiental e seu custo operacional, além de impossibilitar sua portabilidade. Esse problema também ocorre com a patente PI0603901-4 que apesar de se moldar ao curso do rio não é portátil e causa um grande impacto ambiental, uma vez que ocupa todo o fluxo do rio em um trecho com o seu aparato.
Por sua vez, as patentes PI0601595-6 e PI0507012-0 apresentam sistemas hidrocineticos que possuem a restrição de somente poderem ser utilizados em locais que apresentem fluidos com grandes profundidades devido ao seu tamanho.
O documento de patente DE10036307 apresenta um dispositivo conversor de energia cinética de escoamentos fluidos em energia elétrica, através da utilização de uma turbina envolta em uma carcaça e ligada a uma caixa de redução e com um difusor de saída de fluxo. O fluxo axial passa pela turbina e transfere torque para um eixo ligado a caixa de redução, que gira um gerador para produzir energia elétrica. O dispositivo é particularmente usado em correntes marítimas, com altas correntes de maré, diferente do proposto nessa invenção, que é de uso preferencialmente em rios, com utilização de baixas velocidades de fluxo (<2,0 m/s), sem a necessidade de construção de barragens e de grande portabilidade, além de possuir diferenciações na geometria da carcaça e dodifusor.
A presente invenção tem como objetivo notadamente evitar os inconvenientes das estruturas supracitadas apresentando uma turbina simples, com novos conceitos estruturais e hidrodinâmicos. O atual pedido de patente possui alta eficiência, pois mesmo pequeno, em comparação aos aparatos já existentes, o mesmo, gera, quando utilizado em um rio, por exemplo, energia suficiente para aproximadamente dez casas de ribeirinhos.
Foi possível explorar uma alta eficiência na relação tamanho/geração da turbina hidrocinetica, objeto da presente patente, podendo-se utilizar a mesma em rios, mares e outras porções de líquidos de baixa profundidade e ainda ser transportada 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 pequenas dimensões e pouca massa, basta um pequeno espaço em apenas uma margem do rio para fazer e manter essa inserção, diminuindo em grande parte o impacto ambiental gerado pelos aparatos descritos nas patentes anteriores.
A descrição que se segue e as figuras associadas, tudo dado a título de exemplo não-limitativo, farão compreender bem a invenção. A figura 01 apresenta uma vista isométrica da turbina com seus sistemas acoplados; A figura 02 apresenta uma vista lateral em corte da turbina visando melhor identificação do rotor (8) da 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), em vista 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) e parte 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 núcleo conversor integrado (6) e do dito rotor (8);
A figura 13 mostra uma vista isométrica do rotor (8) da turbina com detalhe das 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 das hastes compreendidas, pelo mesmo;
Em conformidade ao apresentado nas figuras 01 e 02 observa-se a turbina com seus componentes acoplados, dando uma visão geral da invenção. Já na figura 03 temos as partes da turbina de forma explodida evidenciando como é feita a sua montagem. São facilmente identificados na 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 abraçadeiras de fixação (12).
As ditas abraçadeiras de fixação (12) podem ser produzidas em qualquer material que confira resistência mecânica suficiente para comprimir a carcaça (4) e seja resistente a oxidação, visto que a turbina e sua carcaça (4) podem entrar em contato com a água. As abraçadeiras servem para auxiliar no posicionamento da turbina no escoamento do fluido em questão, e na fixação e união das duas partes da carcaça, no caso da mesma ser bipartida.
A partir das figuras 1, 2 e 3, torna-se possível compreender melhor o funcionamento da presente invenção, uma vez que o fluxo do fluido adentra a turbina pelo núcleo conversor (6) alcançando as pás do rotor (8) e fazendo-as adquirirem um movimento rotatório, transformando assim a energia cinética do fluido em potência de eixo, a qual a transmitida pelo eixo (14) ao núcleo conversor, o qual converte a energia em forma de potência de eixo em energia elétrica por meio de seu gerador elétrico (6).
Na figura 04, visualiza-se o difusor assimétrico (2) acoplado a carcaça (4). Esse acoplamento é feito por qualquer recurso que permita tal fixação.
As figures de 05 a 07 apresentam o difusor assimétrico (2) em várias vistas O mesmo foi projetado assimetricamente no intuito de favorecer a utilização da turbina em correntes de ague com menores profundidades. Para isso, o mesmo, é levemente achatado na parte superior e inferior, o que pode ser visto de maneira mais clara na figura 05. Para profundidades maiores pode-se utilizar ainda uma carcaça de maiores dimensões e simétrica visando um maior aproveitamento do fluxo de ague 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 impactos provenientes de detritos do rio, no caso da mesma ser adotada para este fim, bem como resistente a oxidação provocada pelos componentes da água ou fluido onde a mesma este parcialmente inserida. A título de exemplo não-limitativo, citamos a fabricação com fibra de carbono ou fibra de vidro e acabamento com pintura automotiva, a qual confere a resistência mecânica e a proteção contra oxidação adequada.
A figura 08 mostra a carcaça (4) em conjunto com o núcleo conversor integrado (6) e o rotor (8) visando apresentar uma ideia de dimensões e formatos dos mesmos. A carcaça (4) deve possuir uma dimensão tal que comporte o giro do rotor (8) sem que haja 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 a profundidade do leito. Para vazões de até 2 m/s o diâmetro do rotor (8) não deve ser maior que 800 mm, no entanto para vazões superiores a 2 m/s não existem limitações quanto ao tamanho do rotor, desde que, o rotor, esteja adequado 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 rotação inteira envolvendo todo o sistema do rotor, conferindo proteção e estabilidade.
Esses rasgos foram inseridos a título de exemplo não-limitativo, podendo-se utilizar, em substituição, qualquer outro meio de acoplamento e/ou fixação, e ainda podendo-se construir a dita carcaça em pega única ou dividida, e caso dividida, também pode ser fixada com qualquer elemento que forneça a junção adequada as partes, conferindo resistência mecânica e resistência a oxidação, conforme já citado.
Com vistas a melhora do projeto hidrodinâmico, a supracitada carcaça (4) pode ser obtida num movimento de rotação em torno do seu eixo, podendo ser, portanto, perfilada, o que ocasiona uma redução de perda de carga a partir dessa 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 qualquer recurso de fixação. Uma maneira que pode ser citada e o encaixe ou até mesmo o chavetamento de uma estrutura na outra.
A figura 11 apresenta o núcleo conversor integrado (6) separadamente de todo o conjunto da turbina. Esse núcleo (6) possui a função de proteção para o gerador e para o conjunto de transmissão, evitando vibrações desses e o contato direto dos mesmos com a água ou fluido em questão. A título de exemplo não- limitativo a mesma foi dividida em quatro partes unidas por qualquer recurso de fixação e vedadas por qualquer recurso de vedação.
Na figura 12 é apresentado o núcleo conversor integrado (6) em cone, evidenciando seus componentes internos. É ilustrado o gerador elétrico (62) comumente encontrado no mercado, dois mancais de rolamentos (64 e 68), os quais podem ser substituídos por qualquer elemento que permita a rotação do eixo (14) eliminando o atrito com partes fixas. A título de exemplo não-limitativo, preferencialmente pode-se usar mancais de rolamento cônicos, os quais, 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 que o gerador (62), já conhecido, possa operar fornecendo energia. A multiplicação pode ocorrer nas razoes de 1:8 a 1:20, dependendo da velocidade do escoamento em questão, pois a razão não pode ser muito alta a ponto de permitir o vencimento da inercia da engrenagem ou conjunto de engrenagem em qualquer conjunto mecânico de multiplicação, sendo que a título de exemplo não- limitativo, preferencialmente na proporção de 1:16 utilizando sistema de engrenagem por planetária.
O item identificado na figura 12 com o número (61), aqui denominado de cone, 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), o qual nas figuras, a título de exemplo não-limitativo, apresentam 4 pás, no entanto, podem apresentar de 2 a 6 pás, sendo que preferencialmente são usadas 4 ou 6 pás. As pás podem ser fabricadas de qualquer material resistente a impactos, bem como resistente a oxidação provocada pela água no caso de ser utilizada para este fim. A título de exemplo não-limitativo, a mesma pode ser confeccionada de material plástico, ou polimérico, bem como de madeira ou fibra de carbono que contenha ou não epóxi.
Além disso, a título de exemplo não-limitativo, as pás supracitadas podem ter seu rendimento melhorado a partir de otimizações computacionais como as realizadas por algoritmos genéticos.
Na figura 16 estão representados o anel de fixação (10) e o rotor da turbina (8) para facilitar a localização exata de onde se insere o dito anel de fixação (10). Já na figura 17 tem-se uma vista frontal do anel de fixação (10), onde se podem ver claramente os tirantes de sustentação, as quais podem ser simétricos ou não, e
O apoio em formato circular, dentro do qual passara o eixo (14) de conversão de energia mecânica em elétrica.O anel de fixação (10) é uma pega fixa e deve ser confeccionado por um material tal que confira rigidez e massa suficiente para que a turbina afunde e possa resistir a algum detrito ou trombas d’aguas, o que pode ocorrer principalmente nos rios. O anel de fixação (10) também pode ser constituído, a título de exemplo não-limitativo, de metal fundido ou de plástico injetado (em uma só parte) ou pode ser dividido em quantas partes forem necessárias, usando-se quaisquer recursos de fixação entre os mesmos e quaisquer angulação entre um tirante e 10 outro.
Entre o eixo (14) e o anel de fixação (10) se encontra também um elemento que permite a rotação do eixo com reduzido atrito, que a título de exemplo não- limitativo citamos um mancal de rolamento do tipo cônico (64).