Turbina Unidirecional

Turbina Unidirecional para Conversão de Energia de Ondas do Mar / Marés

Turbinas unidirecionais não podem ser consideradas como novidades, pois o primeiro modelo surge no final do século 19 na patente de David Cook [1]. Neste caso se tratava de uma turbina de impulso acionada por vapor para acionar a hélice de uma embarcação. A aplicação deste tipo de turbina para geração de energia a partir de ondulações do mar é mais adequada para operação em elevados fluxo de ar, impulsionada pelo movimento oscilatório das ondas [2]. A figura 1 apresenta uma possível configuração deste tipo de turbina, para aplicação em geração de energia a partir de ondas do mar. Neste caso especifico o movimento oscilatório do ar é orientado pelas aletas externas, localizadas em ambos os lados, a fim de impulsionar o elemento rotor, localizado no centro, sempre no sentido horário. Este tipo de turbina não é aplicável em meios de alta viscosidade, como em aplicações subaquáticas em função das elevadas perdas produzidas por atrito com o meio.

Figura 1 – Turbina de Impulso

Um outro tipo de turbina unidirecional, foi desenvolvida por A.A. Wells da Queen’s University de Belfast [3] no final dos anos 70 e foi batizada Turbina de Wells. Este tipo de turbina, ilustrado na figura #a, também tem sentido único de rotação independentemente do sentido de vazão do ar impulsionado pelas ondulações do mar. O movimento relativo do ar em relação as pás do elemento rotor, ilustrada na figura #b, produz um empuxo que produz o deslocamento do elemento rotor. Fica evidente o fato de que apenas uma pequena fração da força produzida sobre as pás é efetivamente convertida em movimento, sendo assim este tipo de turbina apresenta maior eficiência em baixos fluxos de ar, pois quando os fluxos são elevados o rotor sofre estol [2].

Figura 2a – Turbina de Wells

Figura 2b – Esquema da interação do fluxo de ar com a pá do rotor.

Conforme K. Veerabhadrappa et al. [4] o litoral Brasileiro tem uma densidade linear de potência média de 20 kW/m na costa leste e de 10 kW/m na costa norte, para geração de energia a partir das ondas do mar. Com base nesta informação é possível estimar que a extensão da costa Brasileira tem um potencial teórico de 120 GW, o que seria suficiente para suprir duas vezes o consumo elétrico nacional do mês de janeiro de 2023 [5].

Na patente BR10 2023 010989-6 foram propostas duas configurações de turbinas unidirecionais que podem operar em regimes de alto e baixo fluxo, assim como operar em meios baixa viscosidade, como o ar, ou de alta viscosidade como a água. Na sua configuração mais simples o equipamento conta com um elemento rotor e um elemento estator, conforme ilustra a figura 3a, onde estão visíveis o elemento rotor (1), o elemento estator (2), as aletas (3) e a parede do corpo externo da turbina (8). Na visão em corte também estão visíveis, o elemento rotor do gerador (6), e o elemento estator do gerador (5), para o caso do gerador estar embutido no corpo da turbina.

Figura 3a – Esquema da turbina simples e sua secção transversal.

A figura 3b mostra uma projeção 3D aberta parcialmente para facilitar a visualização da configuração das pás (3) do elemento estator (2), que são solidarias ao corpo externo da turbina (8), e do elemento rotor (1), assim como representa o sentido de giro do elemento rotor (1) que independe do sentido de deslocamento do ar dentro da turbina.

Figura 3b – Visão 3D com abertura da turbina simples.

A segunda configuração conta com dois elementos rotores e um elemento estator, conforme mostra a figura 4a. Neste caso o elemento rotor (1) é apresentado com um fechamento da extremidade radial (7), que possibilita aumentar o momento de inercia dos elementos rotores (1) de forma a reduzir as flutuações de velocidade inerentes da característica oscilatória do fluido que impulsiona a turbina. Esta configuração permite empregar dois geradores, cada um ligado a um elemento rotor. É importante ressaltar que mesmo que o giro de cada elemento rotor seja unidirecional, os elementos rotores giram em sentidos opostos.

Figura 4a – Esquema da turbina dupla e sua secção transversal.

A figura 4b mostra uma projeção 3D aberta parcialmente para facilitar a visualização da configuração das pás (3) do elemento estator (2), que são solidarias ao corpo externo da turbina (8), assim como o fechamento externo (7) das pás (3) de ambos os elementos rotores (1). A figura também indica o sentido de rotação de ambos os elementos rotores (1), que independe do sentido do deslocamento do ar no interior da turbina. Nota-se que os elementos rotores (1) giram em sentidos opostos.

Figura 4b – Visão 3D com abertura da turbina dupla.

A simplicidade e reduzida dimensão das estruturas propostas permite seu emprego em localidades costeiras remotas com a finalidade de geração de energia elétrica para atender necessidades de consumo em pequenas comunidades ou para produção descentralizada de Hidrogênio Verde. Sua reduzida pegada (footprint) viabiliza escalonamento para aplicações em média e larga escala em quebra-mares na entrada de portos marítimos. As operações em ar ainda apresentam as vantagens de não necessitarem de materiais resistentes à corrosão, o que diminui consideravelmente a manutenção.

As figuras 5a e 5b apresentam exemplos de aplicações não-submersa e submersa respectivamente, ficando que em ambos os casos a área construída é proporcionalmente reduzida, o que reduz consideravelmente o impacto ambiental das instalações necessárias para operação.

Figura 5a – Aplicação não submersa para captação de energia das ondas.

Figura 5b – Aplicação submersa para captação de energia das ondas/ Marés.

Referências

[1] – D. Cook, GB189606073A de 13/03/1897
[2] – M. Takao, S. Fukuma, S. Okuhara, M.M.A. Alam, Y. Kinoue, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 240 (2019) 052002
[3] – A.A. Wells, G1595700A de 13/11/1976
[4] – K. Veerabhadrappa, B.G. Suhas, C.K. Mangrulkar, R.S. Kumar, V.S. Mudakappanavar, Narahari, K.N. Seetharamu, Global Transitions Proceedings 3 (2022) 359–370
[5] – Link da Empresa de Pesquisa Energética do Governo Federal (clique aqui), consultada em 21/3/24 as 15:30h