CAMPO DE APLICAÇÃO

001 A presente patente de invenção se refere a um sistema híbrido e compacto de geração de energia sustentável por meio de matrizes energéticas renováveis, mais particularmente, estas matrizes energéticas são compostas pela energia fotovoltaica, energia eólica, energia termoelétrica por meio do efeito Seebeck e energia por meio turbina a vapor. Ainda, a presente patente se refere a um método inteligente de gerenciamento e operação do referido sistema híbrido de geração de energia.

002 Vantajosamente, o sistema híbrido de geração de energia é montado em um módulo compacto, tal como um container, o qual pode ser transportado e instalado em locais remotos ou em locais com pouca área livre disponível. Ainda de maneira vantajosa, o método inteligente de gerenciamento e operação, controla o armazenamento e a distribuição de energia do sistema, de modo a obter o maior aproveitamento da geração e utilização da energia.

003 Além disso, o sistema híbrido de geração de energia também funciona como uma bateria térmica, de modo a prolongar o tempo de geração de energia pelo efeito Seebeck.

ESTADO DA TÉCNICA

004 Atualmente, no mundo, as matrizes energéticas são, por meio do petróleo que representa 31 %, por meio do carvão mineral que representa 29%, por meio do gás natural representando 21 %, as biomassas que representam 10%, nuclear 5%, hidrelétrica 2% e 1 % que representa as demais matrizes energéticas. (RIBEIRO, Amarolina. "O que é matriz energética?"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o- que-e/geografia/o-que-e-matriz-energetica.htm)

005 O petróleo, o carvão mineral e o gás natural são combustíveis fósseis e fontes não renováveis, e futuramente não as teremos mais, acarretando em altos custos devido à sua escassez. Além disso, são fontes que ao serem queimadas e lançadas na atmosfera, contribuem no aumento dos gases que geram o efeito estufa.

006 Outras matrizes também apresentam desvantagens, como por exemplo as biomassas que necessitam de grandes áreas para que os produtos sejam plantados, além de necessitar um processo de extração dos óleos ou gases. Alguns desses óleos e ou gases, quando queimados e lançados na atmosfera, também contribuem para o efeito estufa. As usinas nucleares trazem grandes preocupações à sociedade, já que provocam enormes danos quando ocorrem acidentes, além de necessitar estruturas físicas para armazenamento do urânio que já não gera mais energia, porém ainda emite radiação no meio ambiente.

007 Já as usinas hidrelétricas, necessitam de grandes áreas alagadas para represar a água e gerar a energia elétrica quando esta água passa através das turbinas. Além de alagar regiões afetando a fauna, a flora e algumas comunidades, as hidrelétricas dependem das incidências de chuvas, o que historicamente vem mudando ano-a-ano tanto o volume quanto a localização das chuvas, causando os chamados apagões em países onde a matriz hidrelétrica é predominante.

008 Quanto as demais matrizes energéticas, temos as que se utilizam da energia solar, como por exemplo as placas fotovoltaicas que utilizam os raios solares para gerar energia elétrica, temos ainda as que utilizam a energia eólica, que aproveita a força dos ventos para girar pás que por sua vez giram turbinas para gerar energia elétrica. As desvantagens destas matrizes são os elevados custos dos materiais, além de necessitar de uma grande área para construir usinas com estas tecnologias.

009 Como estas matrizes energéticas são, fisicamente, enormes, tem-se desenvolvido meios de gerar energia em ambientes fisicamente menores, contudo para que se possa gerar uma quantidade razoável de energia, estes meios precisam combinar mais de uma matriz geradora no mesmo ambiente.

010 Desta forma, é conhecido no estado da técnica sistemas híbridos de geração de energia sustentável, que utilizam a energia solar e a energia eólica para gerar energia elétrica. Há sistemas híbridos que além da energia solar e a energia eólica, também se beneficiam da energia hidráulica das marés e das ondas dos oceanos, ou ainda das correntezas dos rios para gerar energia elétrica, ampliando, assim, as matrizes energéticas renováveis.

01 1 Estes sistemas híbridos de geração de energia, podem ser utilizados tanto como fontes primárias ou como fontes secundárias complementares à energia elétrica convencional fornecida. Para os casos em que tais sistemas são utilizados como fonte secundárias, usualmente são utilizados para reduzir os custos cobrados pelas empresas concessionárias que administram os sistemas energéticos dos países. Já para os casos onde os sistemas são utilizados como fontes primárias, são sistemas desenvolvidos para suprir a demanda de uma determinada comunidade que não recebe a energia distribuída pelas ditas concessionárias.

012 Um exemplo do estado da técnica é o documento brasileiro PI0903264-9, o qual revela um sistema híbrido e co-gerador de energia sustentável dotado de uma usina hidrelétrica marítima, uma usina eólica e painéis fotovoltaicos para geração a partir da energia solar. O documento brasileiro ainda revela que o dito sistema híbrido ou parte dele é construído em contêiner disposto na vertical, além de ser dotado de um módulo de dessalinização da água do mar. 013 Entretanto, o documento brasileiro PI0903264-9, desvantajosamente, não fornece uma quantidade considerável de energia, já que este sistema também tem como objetivo reduzir ou eliminar o sal da água do mar, o que por si só já consome grande parte da energia gerada pelo dito sistema. Além disso, outro inconveniente deste documento brasileiro é o fato de as usinas serem instaladas somente nas costas marítimas, uma vez que uma das matrizes geradoras de energia é por meio da utilização dos movimentos das marés e ou das ondas do mar. Ainda, este modelo de gerador híbrido de energia deve ser construído com componentes especiais, já que a água salinizada possui um grande índice de corrosão, o que desvantajosamente, eleva o custo de construção de cada usina híbrida.

014 Um outro exemplo do estado da técnica é o documento de patente americano US2016099570 intitulado de “Sistema compacto modular de captação de energia”, o qual trata de um conceito de geração híbrida de energia limpa portátil e compacto, por meio da captação da energia solar e eólica omnidirecional, ou seja, captura toda fonte de energia de qualquer direção, já que possui uma cúpula geodésica. Além disso, o sistema apresentado no documento americano permiti ser conectado com outras fontes de energia tal como termoelétrica pelo efeito Seebeck, antena piezoelétrica, entre outras. Ainda, o dito documento americano, revela uma unidade de gerenciamento de energia que regula as entradas de energia de várias fontes, gerenciando os ciclos recarregáveis de carga e uso da bateria.

015 O conceito revelado pelo documento US2016099570 depende diretamente das energias solar e eólica, o que desvantajosamente gera energia somente em dias ensolarados e durante o dia ou quando há incidência de ventos para girar as pás da usina eólica. Mesmo o efeito Seebeck aplicado neste sistema, se utiliza diretamente da energia solar, já que as pastilhas são aquecidas pelos raios solares, gerando a diferença térmica e consequentemente gerando energia elétrica. 016 Desta forma, em dias nublados ou a noite sem a incidência de ventos, desvantajosamente, o sistema não gera energia. Além disso, o sistema utiliza baterias químicas para armazenamento de energia, o que de maneira desvantajosa afeta o meio ambiente, uma vez que essas baterias tem um ciclo de vida relativamente baixo, além de necessitar de um espaço físico para armazenamento das ditas baterias.

017 De modo a solucionar os inconvenientes do estado da técnica, é um objetivo da presente invenção prover um sistema híbrido e compacto de geração de energia sustentável por meio de matrizes energéticas renováveis como, a energia fotovoltaica, a energia por micro turbinas eólicas, a energia por meio do efeito Seebeck e a energia por meio turbina a vapor, de modo a operar de forma primária, independente da rede elétrica, ou, operar de forma secundária, complementando a energia distribuída pelas empresas concessionárias.

018 Um outro objetivo da presente invenção é prover um sistema de geração de energia que funcione como uma bateria térmica, de modo que o dito sistema capte e absorva a energia do sol durante o dia e continue a geração de energia mesmo a noite, o que vantajosamente, prolonga o tempo de geração de energia e reduz a quantidade de baterias químicas, que são usualmente utilizadas para armazenar a energia elétrica nos sistemas convencionais do estado da técnica.

019 Desta forma, a bateria térmica pode compreender pelo menos dois tanques de armazenamento de fluido, sendo um aquecido pela energia solar e o outro permanece na temperatura ambiente, gerando o diferencial térmico, o qual é utilizado para gerar energia pelo efeito Seeback, inclusive em períodos sem incidência de luz solar.

020 Um outro objetivo da presente invenção é prover um método inteligente de gerenciamento e operação do referido sistema híbrido de geração de energia, de modo a controlar o armazenamento e a distribuição de energia do sistema, que de maneira vantajosa garante o maior aproveitamento e utilização da energia gerada, já que o referido método inteligente coleta informações como previsão do tempo, geração e consumo de energia, e previsão de durabilidade da bateria térmica, o que garante uma entrega de energia de acordo com o perfil do usuário.

021 Desta forma, o método inteligente de gerenciamento e operação avalia as condições favoráveis e tempo de duração, permitindo que o sistema gere e distribua energia em horários específicos ou prioriza a manutenção da bateria térmica, prolongando o período de geração de energia.

022 Outro objetivo da presente invenção é prover um sistema híbrido de geração de energia, o qual permite ser montando em um módulo compacto, tal como um container, que vantajosamente, pode ser transportado e instalado em locais remotos ou em locais com pouca área livre disponível.

023 Ainda, um outro objetivo da presente invenção, é prover meios que ampliam a captação da energia solar, tal como uma lente de Fresnel, a qual funciona como uma lupa, convergindo os raios solares para um determinado ponto de modo a aquecer o fluido com maior velocidade. No mesmo sentido, um outro objetivo da presente invenção é prover placas condutoras que auxiliam na absorção da energia térmica, dissipando gradualmente o calor, de modo a prolongar o uso da energia térmica.

024 Um outro objetivo da presente invenção, é prover um sistema de geração de energia dotado de um banco de capacitores controlados que permitem que o start de um motor seja estabilizado e suavizado, o que vantajosamente consome menos corrente elétrica e ao mesmo tempo evita desarmes de energia do dito sistema.

025 São apresentadas a seguir figuras esquemáticas, de variadas formas de concretização da invenção, cujas dimensões e proporções não são necessariamente as reais, pois as figuras têm apenas a finalidade de apresentar didaticamente seus diversos aspectos, cuja abrangência de proteção está determinada apenas pelo escopo das reivindicações anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

26 A Figura 1 ilustra uma vista isométrica de um sistema híbrido (SH) configurado em um módulo compacto (MC), evidenciando módulo de geração de energia fotovoltaica (1 ), um módulo de geração de energia eólica (2) e um módulo primário de geração de energia termoelétrica (3).

27 A Figura 2 ilustra uma vista frontal de um sistema híbrido (SH) configurado em um módulo compacto (MC), evidenciando um reservatório de fluido quente (30), um circuito hidráulico quente (300), um reservatório de fluido frio (31 ), um circuito hidráulico frio (310) e um módulo dissipador de calor (32).

28A Figura 3 ilustra um diagrama de blocos, representando um método de controle de aquecimento (MA).

29A Figura 4 ilustra um diagrama de blocos, representando um método de controle de geração de energia (MGE1).

30 A Figura 5 ilustra um diagrama de blocos, representando um método de controle de geração de energia (MGE2).

DESCRIÇÃO DETALHADA

31 A presente patente de invenção revela um sistema híbrido e compacto de geração de energia sustentável por meio de matrizes energéticas renováveis, tais como a energia fotovoltaica, a energia eólica, a energia termoelétrica por meio do efeito Seebeck e a energia termoelétrica por meio turbina a vapor.

FOLHA RETIFICADA (REGRA 91) 032 Conforme ilustrado pela figura 1 , um sistema híbrido de geração de energia (SH) é configurado em um módulo compacto (MC) e compreende um módulo de geração de energia fotovoltaica (1 ) e um módulo de geração de energia eólica (2), os quais são integrados à um módulo primário e, alternativamente a um módulo secundário de geração de energia termoelétrica (3 e 4), respectivamente.

033 O módulo primário de geração de energia termoelétrica (3) capta e absorve a energia solar, por meio de pelo menos um reservatório de fluido quente (30) dotado de um circuito hidráulico quente (300) isolados termicamente. O módulo primário de geração de energia termoelétrica (3) também compreende pelo menos um reservatório de fluido frio (31 ) dotado de um circuito hidráulico frio (310) e pelo menos um módulo dissipador de calor (32) dotado de um conjunto de células térmicas (320) que captura o gradiente de temperatura gerado pelos respectivos reservatórios de fluido quente (30) e frio (31 ) para geração de energia elétrica por meio do efeito Seebeck.

034 Dessa forma, os reservatórios de fluido quente (30) e frio (31 ) formam uma bateria térmica, já que o reservatório de fluido quente (30) armazena energia térmica, a qual vai sendo utilizada gradativamente para a geração de energia elétrica, uma vez que o conjunto de células térmicas (320) gera energia elétrica a partir de qualquer diferença térmica, por este motivo, vantajosamente, o sistema híbrido de geração de energia (SH) é capaz de gerar energia elétrica mesmo sem a presença da luz solar.

035 De modo a ampliar a captura da energia solar, cada reservatório de fluido quente (30) compreende uma abertura superior a qual permite uma maior entrada dos raios solares que promovem o aquecimento do fluido armazenado no interior de cada reservatório de fluido quente (30). Do mesmo modo, a abertura superior de cada reservatório de fluido quente (30), alternativamente, compreende uma lente convexa (301 ), tal como uma lente de Fresnel, a qual converge os raios solares, focando a luz em um determinado ponto aumentando a temperatura nesta região.

036 No sentido de aumentar a eficiência térmica, cada reservatório de fluido quente (30) recebe, em seu interior, uma placa condutora (302) de absorção e dissipação da energia solar captada pela abertura superior do reservatório de fluido quente (30). Assim, a placa condutora (302) absorve o máximo de energia solar, principalmente, nos casos onde esta placa condutora (302) recebe a energia solar focalizada por meio da lente convexa (301 ), transformando esta energia solar em energia potencial, a qual vai sendo consumida conforme a temperatura do fluido do reservatório de fluido quente vai caindo, uma vez que as placas condutoras (302) têm baixas condutividades térmicas.

037 Já o módulo secundário de geração de energia termoelétrica (4), compreende um circuito de vapor (40) dotado de pelo menos uma serpentina (41 ) de condução de um fluido vaporizado até uma turbina a vapor (42), sendo que a dita serpentina (41 ) é disposta no interior do reservatório de fluido quente (30). Desta forma, o módulo secundário de geração de energia termoelétrica (4) gera energia por meio do reaproveitamento da energia térmica do módulo primário de geração de energia termoelétrica (3), já que, por condução térmica, o fluido armazenado no reservatório de fluido quente (30) aquece o fluido que flui no circuito de vapor (40), que chega pressurizado até uma turbina de vapor (42), que gera energia elétrica por meio de um gerador de energia (não ilustrado). Alternativamente, o circuito de vapor (40) atravessa as placas condutoras (302) de modo a aumentar a captação de energia térmica acumulada nas ditas placas condutoras (302).

038 Ainda, o sistema híbrido (SH) compreende um sistema de controle de temperatura (5) do fluido armazenado no interior de cada reservatório de fluido quente (30), assim, o sistema de controle de temperatura (5) é dotado de uma tubulação de circulação (50), pelo menos uma bomba (51 ) e pelo menos um sensor de temperatura (52). 039 Desta forma, o controle de temperatura (5) garante a segurança do sistema híbrido (SH), além de reduzir os índices de manutenção, já que evita superaquecimentos. De maneira alternativa, a tubulação de circulação (50) do sistema de controle de temperatura (5) atravessa a placa condutora (302).

040 O sistema híbrido (SH) também compreende um banco de baterias (6) e um sistema de gerenciamento e operação (7), sendo que dito banco de baterias (6) é responsável pelo armazenamento e alimentação do sistema de gerenciamento e operação (7), o qual compreende um computador (71 ) de auto gestão do funcionamento do dito sistema híbrido (SH). De maneira preferencial, o banco de baterias (6) é alimentado pela energia elétrica gerada pelo módulo de geração de energia fotovoltaica (1 ) e pelo módulo de geração de energia eólica (2).

041 De acordo com as figuras de 3 a 5, é ilustrado um método de gerenciamento e operação (M) do sistema híbrido (SH) o qual é integrado a um sistema de monitoramento de previsão do tempo e compreende um método de controle de aquecimento (MA) do fluido de pelo menos um reservatório de fluido quente (30), compreende um método de controle de geração de energia (MGE1 ) de um módulo primário de geração de energia termoelétrica (3) e compreende um método de controle de geração de energia (MGE2) de um módulo secundário de geração de energia termoelétrica (4).

042 Desta forma, o método de controle de aquecimento (MA) do fluido de pelo menos um reservatório de fluido quente (30) compreender as seguintes etapas: a) Monitorar a temperatura do fluido de cada reservatório de fluido quente (30); b) Monitorar a temperatura de uma placa condutora (302) disposta sobre cada reservatório de fluido quente (30); c) Comparar as temperaturas das etapas (a) e (b) por meio de um controlador lógico programável embarcado no sistema híbrido (SH); d) Ligar pelo menos uma bomba (51 ) de circulação de um sistema de controle de temperatura (5) quando a temperatura da etapa (b) for maior que a temperatura da etapa (a); e) Desligar cada bomba (51 ) de circulação quando a temperatura da etapa (a) for maior 350 graus Celsius; f) Repetir as etapas de (a) a (e) durante toda operação do sistema híbrido (SH) de geração de energia.

043 Da mesma forma, o método de controle de geração de energia (MGE1 ) do módulo primário de geração de energia termoelétrica (3), compreende as seguintes etapas:

I) Monitorar a temperatura do fluido de cada reservatório de fluido quente (30);

II) Monitorar a temperatura do fluido de cada reservatório de fluido frio (31 );

III) Comparar as temperaturas das etapas (I) e (II) por meio de um controlador lógico programável embarcado no sistema híbrido (SH);

IV) Acionar o circuito hidráulico frio (310), quando a diferença térmica da etapa (III) for maior que 10 graus Celsius;

V) Liberar a passagem do fluido frio por pelo menos um módulo dissipador de calor (32) dotado de um conjunto de células térmicas (320) de captura do gradiente de temperatura para geração de energia elétrica;

VI) Acionar o circuito hidráulico quente (300), quando a diferença térmica da etapa (III) for maior que 80 graus Celsius;

VII) Liberar a passagem do fluido quente por pelo menos um módulo dissipador de calor (32) dotado de um conjunto de células térmicas (320) de captura do gradiente de temperatura para geração de energia elétrica; VIII) Executar o método de controle de aquecimento (MA) do fluido de pelo menos um reservatório de fluido quente (30), quando a temperatura da etapa (I) for maior 350 graus Celsius;

IX) Repetir as etapas de (I) a (VIII) durante toda operação do sistema híbrido (SH) de geração de energia.

044 Ainda, o método de controle de geração de energia (MGE2) do módulo secundário de geração de energia termoelétrica (4), compreende as seguintes etapas: i) Monitorar a temperatura do fluido de cada reservatório de fluido quente (30); ii) Acionar o circuito de vapor (40) disposto no interior do reservatório de fluido quente (30), quando a temperatura da etapa (i) for maior ou igual a 250 graus Celsius; iii) Monitorar a pressão no circuito de vapor (40); iiii) Liberar o fluxo de vapor para uma turbina a vapor (42), quando a pressão for superior a 4 bar, para geração de energia elétrica; iiiii) Repetir as etapas de (i) a (iiii) durante toda operação do sistema híbrido (SH) de geração de energia.

045 Desta forma, o método de gerenciamento e operação (M) é capaz e responsável por todo o sistema híbrido (SH), gerenciando cada fonte de geração de energia, além de manter a segurança, uma vez que também é responsável pelo controle da temperatura dos primeiro e segundo módulos de geração de energia termoelétrica (3 e 4) respectivamente.

046 Preferencialmente, o método de gerenciamento e operação (M) é acionado por temporizadores (não ilustrados), de modo a operar o sistema híbrido (SH) em determinados horários pré-programados de acordo com o perfil do usuário e/ou operar de acordo com as condições meteorológicas futuras, monitoradas pelo sistema de monitoramento de previsão do tempo que é integrado ao método de gerenciamento e operação (M).

047 Assim, a produção de energia elétrica, por meio dos primeiro e segundo módulos de geração de energia termoelétrica (3 e 4), pode controlada, permitindo um maior prolongamento da utilização das baterias térmicas, configuradas pelos tanques de fluido de água quente (30) e fluido de água fria (31 ). Da mesma forma, o método de gerenciamento e operação (M) também possibilita a priorização de geração máxima de energia em casos, onde o usuário tenha como objetivo injetar a energia gerada na rede de distribuição da concessionária, em determinados períodos onde o consumo é maior.

048 Além disso, as baterias térmicas, praticamente, eliminam o uso de baterias químicas, que são nocivas aos seres humanos e ao meio ambiente, contribuindo assim, com consumo consciente e principalmente com a redução de descarte de resíduos sólidos, altamente contaminante no meio ambiente.

049 Desta forma, o sistema híbrido de geração de energia (SH) dotado do módulo de geração de energia fotovoltaica (1 ) e um módulo de geração de energia eólica (2), integrados ao módulo primário e, alternativamente ao módulo secundário de geração de energia termoelétrica (3 e 4), respectivamente, juntamente com o método de gerenciamento e operação (M) do referido sistema híbrido (SH), é capaz de gerar energia por até 24 horas, 365 dias do ano, uma vez que depende de apenas das fontes renováveis da natureza para funcionar.

050 Além disso, o fato do sistema híbrido (SH) de geração de energia ser configurado em um módulo compacto (MC), permite que seja levado e instalado em qualquer lugar, possibilitando a geração de energia seja uma fonte primária, para consumo próprio, ou, como uma fonte secundária, onde o usuário utiliza a energia gerada pelo sistema híbrido (SH) em determinados períodos do dia e no restante do período o usuário utiliza a energia da rede da distribuidora.

051 O homem da técnica prontamente perceberá, a partir da descrição e dos desenhos representados, várias maneiras de realizar a invenção sem fugir do escopo das reivindicações em anexo.