ARTIFICIAIS

Setor tecnológico da invenção

[1 ] De uma maneira geral a solução presente pertence ao setor de piscinas de onda dotadas de ondas artificiais e se refere, mais especificamente, a uma máquina geradora de ondas de baixo consumo e reaproveitamento energético e processo sustentável de geração de ondas artificiais.

Estado da técnica

[2] Ondas são pulsos energéticos que se propagam através do espaço ou de um meio, podendo este- ser líquido, sólido ou gasoso. A onda é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo. Existem dois tipos de ondas conhecidas: ondas mecânicas e ondas eletromagnéticas. Aquelas utilizadas para práticas de surfe são ondas do tipo mecânicas e podem ser caracterizadas pelo o comprimento de onda, amplitude, frequência, velocidade de propagação no meio líquido e período, e conforme estas características elas podem ser mais ou menos propícias para a prática do esporte.

[3] A velocidade de propagação de uma onda é a rapidez com que a onda se propaga em certo meio, o que depende da distância percorrida e também pelo tempo que a onda leva para percorrer esta distância. A velocidade da onda pode ser calculada através da expressão 1 , a seguir:

C = X. v (1 ) [4] Onde "C" representa a velocidade de propagação em m/s, "λ" o comprimento da onda em metros e V a frequência em Hertz.

[5] As ondas também são fenómenos que ocorrem na natureza. As ondas marítimas são formadas em alto mar e geradas a partir de abalos sísmicos, tempestades e, frequentemente, por ventos que atuam sobre o oceano e provocam o movimento das águas. Elas se propagam em grandes profundidades e à medida que se aproximam da costa, transformam-se em ondas surfáveis quando atingem águas mais rasas. Ao encontrarem um ressalto hidráulico (que pode ser a costa) com profundidades menores ou ainda obstáculos (como pedras ou um banco de areia), o volume de água é deslocado para cima. Esse deslocamento faz com que as ondas quebrem e se tornarem propícias à pratica do surfe. As ondas também podem ser estáticas e se formarem em rios. Estas ondas são provocadas quando um grande volume de água passa sobre uma rocha ou elevação do solo. Nesse caso, a rocha funciona como um ressalto hidráulico.

[6] O surfe tem atraído cada vez mais praticantes e, no Brasil, se estima em torno de 8 milhões atualmente. Contudo, o crescimento do esporte se tornou um fato alarmante devido a questão segurança dos praticantes. No Rio Grande do Sul, desde 1984, a média de mortes causadas por redes de pesca é de aproximadamente 2,5 surfistas/ano. Ao todo já são 45 mortes causadas por redes de pesca no Rio Grande do Sul, a maioria no inverno, onde o litoral é carente de infraestrutura para receber centenas de surfistas.

[7] A prática do surfe é incentivada e cultivada há diversas gerações. Contudo, para que a prática do esporte seja realizada, é visível a dificuldades enfrentadas pelos praticantes. Dentre esses inconvenientes podemos citar pelos menos três principais motivos: o deslocamento do surfista até a cidade de praia, a existência de áreas próprias para a prática do surfe nas praias e as condições do mar.

[8] O fato do surfista residir em cidades sem praia e, portanto, sem ondas, impede que este realize com a frequência desejada a prática do esporte. Quanto à questão da existência de áreas próprias destinadas ao surfe, muitas praias apesar de possuírem ondas apresentam extensa área para banho. Esse fato deve ser atentado a fim de evitar potenciais acidentes envolvendo surfistas e banhistas. Por fim, as condições do mar devem ser estudadas, pois as mudanças climáticas interferem diretamente nas ondas (nesse caso ondas naturais). Ou seja, o processo natural das formações das ondas nos mares depende, dentre outros fatores, da ondulação, tamanho das ondas, quantidade do deslocamento de água e ventos das regiões tanto litorâneas como marítimas. Tais fatores podem tornar, muitas vezes, praias impróprias para a prática do surfe trazendo riscos fatais aos surfistas.

[9] Com o objetivo de levar a prática do surf para regiões distantes do mar, ou sem condições da prática no mar, é visível o crescente desenvolvimento de sistemas com lagos e/ou reservatórios artificiais capazes de reproduzir ondas artificiais. Estes sistemas utilizam, em geral, máquinas capazes de gerar ondas através dos mesmos princípios observados na natureza.

[10] Para a geração destas ondas, estes sistemas contam com tanques ou reservatórios de água em diversos formatos onde são instalados as maquinas geradores. Estes reservatórios devem contar com um obstáculo para a água, que se equivale a diminuição de profundidade no mar, bancadas de areia ou pedras em rios. Estes obstáculos, chamados de ressaltos hidráulicos {point break, beach break, reef braké), ficam localizados no fundo do tanque e criam uma barreira para a passagem da água, forçando-a passar por cima do obstáculo. Forma-se assim uma onda artificial na qual, através de movimentos rápidos, o surfista pode equilibrar a prancha. A onda gerada é totalmente propícia para a prática do surfe, atendendo à padrões de segurança aos surfistas.

[1 1 ] As máquinas geradoras são implementadas nos reservatórios e/ou lagos artificiais com o intuito de deslocar determinado volume de água em direção ao ressalto hidráulico, como seria a ação do vento no mar ou a corrente em um rio. A partir de todo o processo realizado pela máquina e da circulação da água no sistema, ao sair das máquinas com alta velocidade, o volume de água choca-se com o ressalto hidráulico, elevando substancialmente o volume de água e ocorre a formação da onda artificial.

[12] Com o intuito de fornecer alternativas para tanques com ondas artificiais, foram desenvolvidos diversos sistemas a fim de atender de forma eficaz as demandas. A patente PI 0003244-1 revela um gerador de ondas artificiais que utiliza bombas de alta vazão para impulsionar a água sobre um obstáculo e gerar uma onda ininterrupta para a prática do esporte. Porém, o sistema gera apenas ondas estacionárias e o processo em questão consome uma grande quantidade de energia considerável para isso.

[13] A patente PI 0403731 -6 propõe um sistema de geração de onda no qual uma estrutura móvel acoplada a uma pá se desloca no interior de uma piscina, lago ou rio da parte mais profunda até um obstáculo moldado, o que forma as ondas. Porém, além de ocupar uma grande área para geração da onda, o sistema consome uma grande quantidade de energia para seu funcionamento.

[14] A patente WO2014043372 revela uma piscina e gerador de ondas de gravidade com formato circular no qual placas dispostas na lateral da piscina se movimentam e impulsionam a água contra um ressalto hidráulico, formando as ondas. O sistema além de ter um alto consumo de energia ocupa uma grande área para a geração de ondas e é aplicado apenas em tanques circulares.

[15] A patente AU 2009200241 divulga uma piscina de ondas que utiliza a força da gravidade para a geração de ondas. Tanques são preenchidos com água acima do nível da piscina, então são abertas comportas que liberam a água para a piscina e ao passar por obstáculos predispostos a onda é formada. Contudo, o sistema não utiliza a energia da gravidade de forma eficaz uma vez que a mesma atua diretamente sobre a água e existe uma perda de energia quando o nível do tanque atinge o nível da piscina.

[16] A patente US 5171 101 propõe um gerador de ondas no qual a água é propelida sobre uma superfície com força suficiente para formar a onda. Porém esse tipo de solução gera uma onda estática, diferente das ondas do mar.

[17] A patente americana US 20141 15769 revela uma piscina de ondas em que o gerador fica localizado no centro da piscina, com princípio rotacional de uma pá que desloca a água e provoca as ondas ao redor do reservatório. Contudo, o sistema consome grande quantidade de energia e ainda ocupa grande área da piscina, gerando claros inconvenientes económicos.

[18] A patente WO2006060866 divulga uma piscina de ondas de formato circular e um gerador de ondas para esta piscina, em que um corpo com formato específico para impulsionar a água que gira ao redor da piscina e forma ondas em uma base no centro da piscina. Porém, o sistema em questão é limitado ao formato de piscinas circulares apenas.

[19] Pode-se citar ainda que existem também piscinas de ondas artificiais, nas quais a água é pressionada por pistões hidráulicos e expulsa de um reservatório através de um bocal no interior da piscina. O reservatório em questão é então dotado de um ressalto hidráulico e quando a água que saiu com pressão do gerador encontra o obstáculo, a onda é formada. Esta tecnologia é utilizada na piscina de ondas do parque aquático Typhoon Lagon da Disney, em Orlando na Flórida. Contudo, o sistema por eles utilizado consome grande quantidade de energia, já que o sistema prevê a utilização da água que é deslocada por pistões hidráulicos.

[20] Com base no exposto acima, percebe-se uma lacuna nos sistemas geradores de ondas artificiais existentes atualmente, bem como nos processos de geração de ondas artificiais. Percebe-se ainda que nenhum dos sistemas conhecidos atualmente no mercado apresentam a possibilidade de reaproveitamento de energia e utilização de fontes renováveis. Ou seja, é visível o inconveniente do alto consumo de energia dos sistemas hoje conhecidos, bem como a falta de incentivo de práticas sustentáveis para a geração de ondas artificiais.

Novidades e objetivos da invenção

[21 ] Visando preencher as lacunas apresentadas no estado da técnica atual, a presente invenção define um sistema gerador de ondas artificiais, que pode utilizar fontes de energia renováveis. Além disso, a solução proposta visa utilizar a força da gravidade e armazenar parte da energia despendida na geração das ondas.

[22] O objeto deste relatório consiste em um sistema de geração de ondas composto por uma torre dotada de uma caixa em seu interior que é solta sobre a água e a impulsiona para fora da caixa através de um bocal. Além disso, o sistema conta com unidades de energia e força, unidade de controle, unidade de armazenamento de energia, reservatório de água e ressalto hidráulico.

[23] A invenção proposta se diferencia das demais máquinas geradoras de onda por utilizar fontes de energia renováveis, utilizar a força da gravidade para impulsionar a água e reaproveitar parte da energia despendida na queda da caixa para a elevação da caixa no próximo ciclo.

[24] Assim, a solução presente é capaz de armazenar parte da energia potencial da queda da caixa deslizante em acumuladores e/ou cilindros. Os acumuladores e/ou cilindros são controlados de modo a realizarem o amortecimento da queda e frenagem da caixa deslizante, armazenamento de energia de frenagem e ainda o içamento da caixa deslizante.

[25] Por fim, a solução em questão propõe a recuperação de energia que deverá ser armazenada nesses acumuladores e/ou cilindros e redirecionada ao içamento da caixa deslizante.

Descrição dos desenhos anexos

[26] A fim de que a presente invenção seja plenamente compreendida e levada à prática por qualquer técnico desse setor tecnológico, segue uma descrição clara, concisa e suficiente, ilustrada e subsidiada pelas figuras apresentadas abaixo e em anexo.

[27] Figura 1 representa a máquina geradora de ondas em perspectiva.

[28] Figura 2 representa a máquina geradora de ondas a partir de um ponto de vista lateral. [29] Figura 3 representa a máquina geradora de ondas a partir de um ponto de vista frontal.

[30] Figura 4 representa a máquina geradora de ondas a partir de um ponto de vista superior.

[31 ] Figura 5 representa o detalhe A, em escala ampliada, evidenciando a chapa de fixação dos trilhos e dos cilindros.

[32] Figura 6 representa o detalhe A internamente, em escala ampliada, evidenciando as formas de fixação dos trilhos e dos cilindros do sistema proposto.

[33] Figura 7 representa a máquina geradora de ondas, em perspectiva, com torre em transparência evidenciando os principais elementos de evacuação da água.

[34] Figura 8 representa a máquina geradora de ondas, em perspectiva, com estrutura em transparência evidenciando a disposição da caixa deslizante.

[35] Figura 9 representa a máquina geradora de ondas, em perspectiva, com estrutura em transparência evidenciando a disposição dos trilhos e cilindros acumuladores.

[36] Figura 10 representa o representa a máquina geradora de ondas, em perspectiva, com estrutura em transparência evidenciando a do guincho.

[37] Figura 11 representa o sistema montado, dotado de dois geradores de ondas, em reservatório com ressalto hidráulico.

Descrição detalhada da invenção

[38] A presente invenção define um sistema de geração de ondas sustentável que pode ser aplicada em reservatórios e tanques de diversos formatos desde que estes sejam dotados de ressalto hidráulico ou ainda bancada de areia, ambos com devido isolamento do solo. Os ressaltos hidráulicos também podem apresentar formatos variados. O sistema proposto é constituído de uma torre (1 ) e caixa deslizante (2) fabricados em material metálico, podendo ser aço carbono de alta resistência e aço inoxidável, unidos por solda ou ainda parafusos e porcas. A caixa deslizante (2) está disposta no interior da torre e o conjunto recebe pintura, concedendo resistência à água. Também fazem parte do sistema a unidade de energia e força, unidade de controle, unidade de armazenamento de energia e reservatório de água. [39] A torre (1 ) é fabricada a partir de barras metálicas unidas entre si por solda ou quaisquer elementos de fixação (como parafusos, rebites, solda, etc.) formando uma caixa que possui sua parte superior aberta e sua parte inferior fechada por chapas metálicas. Uma de suas faces é dotada de um bocal (2) para a saída da água.

[40] A caixa deslizante (2) é disposta no interior da torre (1 ) e seu movimento, por toda a extensão da torre (1 ), será responsável pela formação da onda artificial. Também podem ser utilizadas barras como guias lineares, sendo a caixa dotada de mancais, para a estrutura deslizante do sistema ou ainda roletes. A caixa deslizante (2) é composta de chapas e perfis metálicos unidos entre si, que se encaixam em trilhos e/ou guias lineares (4) existentes na torre (1 ). Na porção superior em uma estrutura de elevação (6) da torre (1 ) é disposto pelo menos um guincho de elevação (5), através de uma ligação com um cabo.

[41 ] O guincho (5) fica localizado na parte superior da torre e pode ser de natureza elétrica ou hidráulica. Sendo elétrico é composto por inversor de frequência, motor elétrico, redutor, trava de giro livre, freio, carretel e cabo. Já no caso de um guincho de natureza hidráulica, este é composto por bomba, reservatório de óleo, sistema de proteção contra vazamento, filtro de óleo, comando direcional proporcional com válvulas solenóides PWM ou analógica, motor hidráulico, redutor, trava de giro livre, freio, carretel e cabo.

[42] Com exceção do guincho (5), o sistema pode ou não estar submerso e a fixação dentro do reservatório é feito através de chapas de fixação fabricadas em material metálico e é fixada no interior na fundação do reservatório. O sistema ainda pode estar suspenso através de cabos ou barras metálicas e sapatas de fixação. O próprio peso da máquina poderá ainda servir como sapata.

[43] A unidade de controle é responsável pelos comandos de elevação, queda e frenagem da caixa deslizante (2). A unidade em questão é composta por inversor de frequência ou comando hidráulico e, dependendo da natureza do guincho, por um controlador lógico programável, sensores e atuadores. O sistema ainda utiliza sistema de controle com malha fechada.

[44] Já a unidade de energia e força é responsável pela geração da energia e torque necessário para elevar a caixa deslizante (2). A unidade pode ser composta por motor elétrico ou a combustão e pode ser alimentado por fontes de energia renováveis, tais como biomassa, energia solar, eólica, hídrica ou ainda hidrogénio.

[45] Já a unidade de armazenamento de energia é responsável por reaproveitar a energia despendida no momento da frenagem da caixa deslizante (2). Esta unidade utiliza a técnica da retroalimentação. No caso do guincho (5) ser de natureza hidráulica, a armazenagem é realizada por meio de acumuladores hidráulicos de pressão. Esse sistema libera a pressão e vazão acumulados durante a frenagem para o motor hidráulico. Já no caso da utilização de um guincho (5) de natureza elétrica, o sistema coloca o motor elétrico em modo gerador e este gera a energia. A energia gerada é armazenada em baterias na unidade de armazenamento ou ainda jogada na rede através do inversor de frequência.

[46] O funcionamento do sistema se dá através da liberação da caixa deslizante (2) do topo da torre (1 ). A caixa deslizante (2) possui um peso "P" calculado através da amplitude máxima de onda a ser gerada. A caixa deslizante (2) pode ser elevada por um cabo conectado entre a extremidade superior desta e o carretel localizado no guincho (5). A altura de elevação da caixa deslizante (2) varia conforme a amplitude desejada na onda. Existe ainda a possibilidade de produzir ondas em sequência a partir da unidade de controle, ou seja, pelo fato da vazão de saída ser variável. Sendo assim, a caixa deslizante (2) é submetida a frenagens sequenciais, estabelecidas pela unidade de controle, durante o percurso percorrido do topo à base da torre (1 ) e, com isso, a vazão de saída da água pelo bocal (3) é variável.

[47] Quando o carretel é desacoplado do redutor através da trava de giro livre, a caixa deslizante (2) desce sem qualquer interferência do redutor, apenas do atrito gerado pelos trilhos ou barras guia e com a força da gravidade agindo sobre o seu próprio peso "P". Ela então expulsa a água que sai através do bocal (3), com pressão e velocidade, deslocando um grande volume de água em direção ao ressalto hidráulico (1 1 ). A partir deste deslocamento, é realizada a formação da onda.

[48] Antes de chegar ao fundo da torre (1 ), a caixa deslizante (2) é frenada de forma que se tenha um movimento e parada suave. Durante a frenagem também é acionado o sistema de recuperação de energia que dependerá da natureza do guincho, hidráulico ou elétrico. A armazenagem da energia envolvida no processo de formação das ondas artificiais é realizada através de acumuladores e/ou cilindros hidráulicos de pressão presentes nos trilhos (4). Esse sistema libera a pressão e vazão acumulados durante a frenagem para o motor hidráulico.

[49] Todo o controle de subida, descida e frenagem é feito por controle proporcional integral e derivativo, proporcionando total controle sobre a altura, velocidade e aceleração da caída deslizante (2). O sistema também conta com sensores capazes de monitorar o deslocamento da caixa deslizante (2) e o nível de água no reservatório, sendo possível ter controle total sobre o sistema. Por utilizar a força da gravidade e armazenar parte desta energia durante a frenagem para reutilização no movimento da caixa deslizante (2) ao longo da torre (1 ), o sistema possui baixo consumo de energia. Isso pode ser afirmado, uma vez que a energia armazenada poderá ser utilizada para elevar a caixa deslizante (2) novamente.

[50] A torre (1 ) possui uma de suas faces um bocal (3) em posição horizontal para a saída da água. Ou seja, o bocal (3) não possui desnível de angulação em relação ao solo. Além disso, os acumuladores e/ou cilindros hidráulicos são responsáveis basicamente por três funções na máquina geradora de ondas: amortecimento da queda e frenagem da caixa deslizante (2) durante a descida, armazenamento de energia de frenagem e ainda o içamento da caixa deslizante (2).

[51 ] Sendo assim, de acordo com a disposição dos elementos do presente certificado de adição, no momento da queda livre da caixa deslizante (2), os cilindros abrem automaticamente sem restrição (apenas existindo atrito entre êmbolo e camisa), evitando assim que a caixa (2) perca a velocidade. Isto é possível, pois o sistema possui um circuito eletro hidráulico independente com válvulas direcionais que liberam o fluxo de óleo na descida. No momento em que se inicia a frenagem da caixa deslizante (2), que se tenha um movimento e parada suave, as válvulas restringem a passagem de óleo proporcionalmente, fazendo com que a caixa (2) inicie um processo de perda de velocidade e consequentemente um pico de pressão. Dessa forma, também é acionado o sistema de recuperação de energia, pois essa sobrepressão gerada é direcionada e armazenada através dos acumuladores hidráulicos do sistema.

[52] Os acumuladores e/ou cilindros dispostos ao longo dos trilhos (4) são devidamente fixados à chapas (7) finas, porém de alta resistência. A fixação nas chapas inferiores (10) se dá, preferencialmente, por meio de mancais (9) e pinos de fixação (8). Nas chapas superiores (7) a fixação dos trilhos (4)/acumuladores é realizada, preferencialmente, através de porcas superiores e inferiores.

[53] Por fim, a caixa deslizante (2) descrita na presente adição poderá ainda ser içada através dos cilindros e/ou acumuladores, independente da atuação do guincho (5) de cabo. Outro fato relevante desta implementação consiste no número de guinchos (5) e cilindros, que podem variar de acordo com o projeto da máquina geradora de ondas. Ou seja, a máquina pode apresentar mais de um guincho de elevação (5), bem como cilindros dispostos nos quatro trilhos (4), por exemplo. Além disso, a posição de fixação dos elementos em questão na máquina, poderão mudar de acordo com as necessidades e característica do projeto. Por exemplo, podem ser dispostos cilindros apenas nos quatro vértices da torre (1 ) ou ainda adicionalmente em porções intermediárias das estruturas da torre (1 ) e da caixa deslizante (2).

[54] O sistema (13) permite gerar diferentes configurações de reservatórios (12) uma vez que não precisa ser disposto de uma forma específica, desde que o reservatório possua um ressalto hidráulico (1 1 ). Dito ressalto hidráulico (1 1 ) também pode apresentar formatos variados. Os reservatórios (12) podem ser construídos em areia ou concreto e o local onde ficará o gerador de ondas deve ser construído em concreto e possuir fundações para a fixação da torre (1 ). É necessário também a utilização de material impermeável para isolar a água do reservatório do solo.

[55] As configurações do sistema, bem como dimensões e potência do gerador de ondas são proporcionais à amplitude de onda desejada. Quanto maior a onda, maiores serão as dimensões do projeto e maior a potência será requerida para a máquina geradora de ondas projetada.

[56] É importante salientar que as figuras e descrição realizadas não possuem o condão de limitar as formas de execução do conceito inventivo ora proposto, mas sim de ilustrar e tornar compreensíveis as inovações conceituais reveladas nesta solução. Desse modo, as descrições e imagens devem ser interpretadas de forma ilustrativa e não limitativa, podendo existir outras formas equivalentes ou análogas de implementação do conceito inventivo ora revelado e que não fujam do espectro de proteção delineado na solução proposta. [57] Tratou-se no presente relatório descritivo de um sistema e processo sustentáveis de geração de ondas artificiais, dotados de novidade, atividade inventiva, suficiência descritiva e aplicação industrial e, consequentemente, revestido de todos os requisitos essenciais para a concessão do privilégio pleiteado.