Campo da invenção

[001 ] O presente relatório refere-se a uma modalidade da invenção gerador de energia potencial gravitacional que produz torque, energia mecânica para ser convertida em energia elétrica, pertencendo dessa forma ao setor técnico de geração de energia elétrica.

Estado da Técnica

[002] Ao falar de energia é preciso considerar que ela existe em diferentes formas: Energia potencial, mecânica, cinética, elétrica, térmica, química etc. E que possui duas características importantes: Não se perde e a sua utilização é realizada mediante a conversão de uma forma de energia em outra. Então pode-se afirmar que toda forma de geração de energia é na verdade a conversão de uma determinada forma de energia em outra.

[003] A geração de energia elétrica possui muitas formas de conversão, algumas são similares e outras são extremamente distintas, no entanto as que têm maior utilidade para descrever o estado da técnica, são as que convertem energia mecânica em energia elétrica. Por exemplo, as gerações hidrelétricas, as termelétricas, as eólicas, as heliotérmicas etc. E para ser mais exato a que mais se aproxima, seja por um fator ou outro, é a geração hidrelétrica. Portanto um aprofundamento no conhecimento da forma da sua geração trará um entendimento melhor da invenção.

[004] Resumidamente pode-se verificar que a energia potencial gravitacional é utilizada de forma eficiente nas usinas hidrelétricas através da diferença de elevação no nível das águas. [005] As usinas hidrelétricas produzem eletricidade com base na energia hidráulica, ou seja, pelo aproveitamento da energia potencial gravitacional da água. Esta energia está presente na natureza e pode ser aproveitada em desníveis acentuados ou quedas d’água. Isto é realizado com a água canalizada em condutos forçados que movem as pás de turbinas hidráulicas, estas por sua vez transformam a energia potencial em energia mecânica (torque), a energia mecânica é transmitida para o eixo de um gerador elétrico o qual transforma a energia mecânica em energia elétrica.

[006] A usina hidrelétrica não pode ser instalada em qualquer região do planeta, deve haver um desnível na região associado a um grande volume d’água, por isso as usinas geralmente não ficam próximas aos grandes centros de consumo fazendo com que sua produção seja dependente de extensas linhas de transmissão aumentando ainda mais os gastos com manutenção.

[007] Um outro fator problemático dessa forma de geração de energia, além do grande impacto socioambiental, é que ela depende dos rios ou dos reservatórios de água cheios, ou seja, em épocas de estiagem a produção diminui e em alguns casos até para. Sendo assim essa forma de geração é totalmente dependente do ciclo climático da natureza para conseguir sua fonte primária, que é a energia potencial gravitacional. E o próprio represamento dos rios causa interferências nesse ciclo climático.

Objetivos

[008] O objetivo do gerador de energia potencial gravitacional é potencializar a geração de energia elétrica, com um rendimento maior que os demais sistemas de geração de energia elétrica e eliminar os principais problemas que todo o setor enfrenta atualmente.

[009] Dentre as soluções estão, poder ser utilizado para gerar energia em qualquer região do planeta, gerar energia sem poluição, de forma renovável, sustentável, estável e com baixos custos. Pode ser dimensionado para atender qualquer demanda necessária com espaço de instalação bem menor, quando comparado aos demais sistemas de geração de energia elétrica. Conjunto de vantagens, que não é possível com nenhum outro sistema de geração de energia elétrica.

[010] Analisando as soluções atuais para uma geração de energia elétrica sustentável, estas vão nas mesmas direções das diversas gerações de energias alternativas já conhecidas, ou seja, carregam consigo as mesmas limitações que as tornam alternativas e não fontes de base que possam vir a substituir as fontes mais usuais. Ou são intermitentes, não podendo garantir estabilidade no fornecimento, ou possui qualquer outro fator que as inviabilizam como, baixos rendimentos, custos elevados, ocupação de grande espaço para produção de distribuição, extensas linhas de transmissões etc. O gerador de energia potencial gravitacional supera todos esses obstáculos através de seus dispositivos funcionais combinados de forma inovadora, num contexto jamais visto, propiciando uma alta rentabilidade no campo de geração de energia elétrica.

[01 1 ] Como em todo sistema de geração de energia elétrica, o gerador de energia potencial gravitacional também consome parte da energia produzida, porém seu rendimento é superior ao dos outros sistemas de geração. Sua energia primária, que é a energia potencial gravitacional, é obtida de maneira mais simples e barata que a energia primária dos outros sistemas de geração.

[012] O invento consiste num mecanismo de simples funcionamento, podendo ser realizado de várias formas e para a presente modalidade aqui referenciada foram utilizadas duas formas principais de obter-se vantagens mecânicas. Sendo uma delas no deslocamento de um corpo qualquer com certa quantidade de massa, através de um sistema de polias que reduziu a força resistente para ¼ de sua totalidade e a outra na liberação desse corpo que multiplicou a força resistente para 2 vezes a de sua totalidade. Para esses cálculos foram utilizadas as fórmulas a seguir, já consagradas pelas leis da física:

(Fórmula 1 )

Onde, F é a força resultante do cálculo, Pé a força resistente original, 2 ê uma constante e Né o número de polias móveis. Nessa fórmula a força resultante depende do número de polias móveis, para cada polia móvel divide-se a força resistente por 2 elevado ao número de polias móveis e obtêm-se o total da força resultante; E

FA CIA = FR . dR (Fórmula 2)

Onde, F _A é a força aplicada, d _A é a distância da força aplicada em relação ao ponto de apoio, F _R é a força resistente e d _R é a distância da força resistente em relação ao ponto de apoio. Nessa fórmula a força aplicada em um ponto de uma barra tem seu efeito ampliado em outro através da relação da distância entre o ponto de aplicação e seu apoio. [013] Tendo em vista esses dois sistemas de obtenção de vantagens mecânicas, um protótipo foi montado, como um laboratório de testes, para embasamento e aprimoramento da invenção. Com as experiências realizadas no mesmo, observando as demandas de torque para geradores de energia elétrica comerciais, foi possível projetar um modelo básico para atender as exigências mais comuns existentes atualmente.

[014] Para os cálculos dos rendimentos dos testes, foram considerados para o consumo total de cada módulo do invento:

No primeiro teste 1 KW; No segundo teste 3 KW; E no terceiro teste 5KW. Em todos os testes, para um dos sistemas de vantagens mecânicas acima mencionados, utilizou-se polias móveis com a redução da força resistente para ¼ da total. Para as demais especificações foram utilizadas:

Primeiro teste

Bateria de 12 V de 45 A, motor elétrico (10) de 170 W e 12 V, corpo de massa (30) de 40 kg, braço de alavanca (31 ) de 1 metro de comprimento, resultando na produção de um torque de 400 N.m. Foi acoplado, para ser acionado pelo protótipo, um modelo comercial de gerador de energia elétrica (75) de 3 KW, que necessitava de um torque inicial de acionamento de 21 N.m, resultando num rendimento aproximado de 66,67%. Neste exemplo poderia ter sido utilizado um gerador de energia elétrica (75) de 32 KW que necessita de um torque inicial de acionamento de 195 N.m, aumentando aproximadamente o rendimento para 96,88% usando apenas 1 módulo. Para o caso de usar-se 3 módulos o rendimento seria de 90,63%; Segundo teste

Foram utilizadas as mesmas especificações anteriores, exceto o braço de alavanca (31 ) que passou a ter 2 metros de comprimento, resultando na produção de um torque de 800 N.m. Neste exemplo foi utilizado um gerador de energia elétrica (75) de 48 KW, que exige um torque de acionamento de aproximadamente 384 N.m. O rendimento chegaria aproximadamente a 81 ,25%, com a utilização de 3 módulos do invento;

Terceiro teste

Foram utilizados, uma bateria de 24 V de 100 A motor elétrico (10) de 340 W e 24 V, corpo de massa (30) de 100 Kg com braço de alavanca (31 ) de 2 metros de comprimento, resultando na produção de um torque de 2 KN.m. Para esta configuração poderia ter sido usado um gerador de energia elétrica (75), modelo comercial, de 120 KW que exige um torque de partida aproximado de 852 N.m, resultando num rendimento aproximado de 87,5%, com 3 módulos do invento.

[015] Os geradores de energia elétrica (75), que foram utilizados nos testes e nos cálculos, são hidrogeradores, ou seja, geradores que exigem um alto torque de acionamento, levando-se em consideração que a utilização de outros tipos de geradores que exigem torques de acionamentos bem menores, como exemplo os geradores eólicos, podemos constatar que o rendimento do gerador de energia potencial gravitacional tenderia a subir, mas como o propósito da invenção é comparar-se com a forma de geração mais eficiente que existe, preferiu-se manter os testes no padrão apresentado e fez-se então uma média dos rendimentos acima, para a tabela a seguir.

[016] A tabela 1 , logo abaixo, demonstra o rendimento médio aproximado dentre o gerador de energia potencial gravitacional e as maiores fontes de geração de energia elétrica utilizadas mundialmente. Excluindo-se a invenção, os rendimentos apresentados foram baseados em uma pesquisa dos últimos anos da produção mundial, limitada às maiores usinas de geração de energia elétrica.

Tipo de Usina Rendimento médio (%)

Hidrelétrica 65.20

Geotérmica 48,62

Termelétrica 44,00

2

Nuclear 34.20

Helioté

Maremotriz 19,00

Sol

(Tabela 1 )

Descrição das Figuras

[017] Para um melhor entendimento serão apresentadas figuras com uma breve explicação e posteriormente uma descrição mais detalhada.

[018] A FIGURA 1 é um desenho simplificado em perspectiva do gerador de energia potencial gravitacional equivalente ao que seria um módulo do invento, instalado em uma estrutura de sustentação (60).

[019] A FIGURA 2 é um desenho simplificado em perspectiva que ilustra um dos lados do gerador de energia potencial gravitacional, sem a estrutura de sustentação, representando as suas principais peças básicas para o funcionamento do modelo aqui referenciado.

[020] A FIGURA 3 é um desenho simplificado em perspectiva mostrando a duplicação das peças no lado oposto. Essa representação, também sem a estrutura de sustentação (60), equivale a um módulo do gerador de energia potencial gravitacional.

[021 ] A FIGURA 4 é um desenho esquemático simplificado em vistas frontais, demonstrando como se dá a principal movimentação de alguns dispositivos do gerador de energia potencial gravitacional, para o modelo aqui referenciado, durante seu funcionamento. Referente à movimentação de apenas um dos lados.

[022] A FIGURA 5 é um desenho simplificado em perspectiva que demonstra como ocorre a alternância dos movimentos, citados anteriormente, de ambos os lados.

[023] A FIGURA 6 é composta por várias vistas em perspectivas que demonstram de forma sequencial a movimentação anteriormente mencionada.

[024] A FIGURA 7 é um desenho simplificado em vistas frontais das diferentes configurações de movimentações que os modelos do gerador de energia potencial gravitacional pode assumir, demonstrando sua natureza de poder ser executado de várias formas distintas, mas com o mesmo princípio inventivo. [025] A FIGURA 8 é um desenho um pouco mais detalhado, em perspectiva, que ilustra as principais peças básicas, de funcionamento, do dispositivo de engrenar e desengrenar (1 1 ).

[026] A FIGURA 9 é um desenho um pouco mais detalhado, em perspectiva, que ilustra como são conectados o carretel (12) e o motor (10) pelo dispositivo de engrenar e desengrenar (1 1 ).

[027] A FIGURA 10 é um desenho esquemático, vista superior, que ilustra a movimentação de engrenar e desengrenar durante os acionamentos do dispositivo de engrenar e desengrenar (1 1 ).

[028] A FIGURA 1 1 é um desenho simplificado de exemplos de utilização do gerador de energia potencial gravitacional.

Descrição Detalhada da Invenção

[029] Com referência a figura 3, pode-se observar que o gerador de energia potencial gravitacional possui dois lados simétricos com a repetição da maioria das peças em cada lado. Com exceção do eixo de tração (50) e da engrenagem de transmissão (51 ), que são peças únicas, todas as demais peças são duplicadas, sendo então unidas pelas duas peças centrais, eixo de tração (50) e engrenagem de transmissão (51 ).

[030] Na figura 2, um dos lados, isolado, pode ser melhor visualizado, representado na posição P0 figura 4 (4a), que é também a posição de descanso (gerador de energia potencial gravitacional desligado).

[031 ] Referindo-se à figura 4, ambos os lados iniciam-se, cada um em seu devido tempo, a partir da posição P0 (4a). O acionamento inicial, do gerador de energia potencial gravitacional, para o movimento de elevação do corpo de massa (30), se dá sempre a partir da posição PO (4a), sendo que os acionamentos seguintes, automatizados, podem ser tanto em PO quanto em PN (4d), dependendo da configuração desejada. Quando se aciona o gerador de energia potencial gravitacional, um dos lados inicia o movimento de elevação do corpo de massa (30), indo da posição PO até a posição PP (4b), as setas indicam o sentido do movimento. Após o acionamento, quando um dos lados alcançar a posição PP (4c) o outro lado ainda estará na posição PO (4a), então quando o lado que estiver na posição PP (4c) for desengrenado e o corpo de massa (30) começar seu retorno em direção a posição P0 ou PN (4d), movimento de liberação do corpo de massa (30), o lado oposto iniciará a mesma sequência inicial de movimentos, e assim sucessivamente.

[032] Na figura 5 pode ser observado que os lados vão se alternando de forma sincronizada, executando os movimentos de elevação e liberação do corpo de massa (30). Observando sempre que a amplitude de movimentação depende sempre da configuração desejada e que a aqui demonstrada é para o modelo da invenção apresentado.

[033] Ainda com referência à figura 4, a posição PN (4d), corresponde a uma movimentação ainda de retorno (por força da inércia), que pode ser suprimida ou, ainda, ter uma amplitude maior ou menor em relação a posição P0, dependendo também da configuração desejada.

[034] Na figura 6 podemos ver melhor uma sequência de como se dá a alternância, no funcionamento correspondente aos dois lados para a elevação do corpo de massa (30) e para a sua liberação. Em 6a os corpos de massa (30) de ambos os lados se encontram na posição de descanso, quando o gerador de energia potencial gravitacional está desligado. A partir de seu acionamento, apenas um dos lados iniciará o movimento, para a configuração da modalidade do invento aqui referenciada, como pode ser visto em (6b), passando por (6c) e indo até (6d), quando a partir daí o lado que iniciou a movimentação de elevação começa a executar o movimento de retorno a posição inicial e o lado que estava inerte começa seu movimento de elevação (setas indicando a direção dos movimentos), sequencia vista em (6e). Ainda em (6d) observa-se que o lado que iniciou o movimento de elevação chegou ao seu limite superior de acionamento para elevação, sendo a partir daí desligado e desengrenado automaticamente, para iniciar seu movimento de retorno em direção a posição original. Continuando então a observação, passando por (6f) e chegando em (6g) onde o primeiro lado que iniciou toda a movimentação, de elevação e liberação, chegou ao ponto de origem e o outro lado atingiu a posição máxima de acionamento para elevação. Em 6h o primeiro lado é acionado novamente enquanto o segundo lado é desativado, fazendo a sequência 6i e retornando então a sequência 6d. A partir disso a sequência continua sucessivamente entre 6d até 6i, de forma automatizada, enquanto o gerador de energia potencial gravitacional permanecer ligado.

[035] Com referência a figura 7, pode-se observar que o movimento de elevar e liberar o corpo de massa (30) pode ser diferente do aqui apresentado. Esses são alguns exemplos de configurações, dessas movimentações, para outros modelos com variações construtivas, mas que possuem o mesmo conceito inventivo aqui exposto. Em 7a vemos um movimento de balanço pendular, em 7b vemos um movimento com amplitude de elevação e retorno maior, em 7c vemos um movimento completo, onde o pêndulo tem seu movimento de retorno liberado no sentido positivo, em relação ao movimento de elevação, formando um círculo em cada ciclo de acionamento. E finalmente em 7d temos um exemplo de elevação e liberação minimizados e com o retorno a posição PN suprimido.

[036] Na figura 8 temos uma vista em perspectiva que demonstra com um pouco mais de detalhes as principais peças que compreendem o sistema de engrenar e desengrenar, para o modelo aqui referenciado. Esse sistema pode ser construído de inúmeras formas tendo em vista a sua função simplória de engrenar e desengrenar. Ele é composto por dois solenoides (1 10), dois cabos de aço flexíveis (1 1 1 ), um garfo (1 12), eixo do garfo (1 13), arruela da engrenagem do motor (1 14), engrenagem do motor (1 15) e engrenagem do carretel (1 16), podendo ainda na figura 8 visualizarmos peças de uso compartilhado como o eixo do carretel (1 17) e seus consecutivos mancais (1 18). Seu funcionamento pode ser observado, em vista superior, na figura 10, onde em 10a temos o posicionamento de engrenado e em 10b o posicionamento de desengrenado. As referências numéricas das peças que estão com setas, setas estas que indicam os sentidos das movimentações para obter-se a posição referida, caracterizam as peças que são móveis, sendo as demais, peças imóveis para a concretização da referida posição. Em 10a, ao acionar o mecanismo, o solenoide que está posicionado no sentido para onde a seta do garfo (1 12) aponta, retrai sua haste puxando o cabo de aço flexível (1 1 1 ) que por sua vez puxa o garfo (1 12), dessa forma, como uma alavanca com seu ponto de apoio no eixo do garfo (1 13), o garfo (1 12) move a arruela da engrenagem do motor (1 14), que corre livre pelo eixo do motor (10), posicionando a engrenagem do motor (1 15) para engrenar na engrenagem do carretel (1 16). Após o movimento de retração da haste do solenoide, por alguns segundos, o solenoide é desativado e sua haste fica liberada para retornar à posição anterior, pelo acionamento do outro solenoide na movimentação para desengrenar. Para desengrenar segue-se o mesmo anteriormente descrito observando-se, porém em 10b e no final será para desengrenar a engrenagem do carretel (1 16). Os solenoides são adaptados para permitir o funcionamento descrito acima.

[037] Com referência a todas as figuras o funcionamento da modalidade aqui referenciada, do gerador de energia potencial gravitacional, funciona da seguinte forma: O sistema de engrenar e desengrenar (1 1 ) engrena o motor (10), através da engrenagem do motor (1 15) e da engrenagem do carretel (1 16), ao carretel (12), após isso o motor (10) é acionado tracionando o carretel (12), o carretel então enrola o cabo de aço flexível 1 (23), este cabo eleva a polia móvel 1 (20). Ao ser elevada a polia móvel 1 (20) puxa o cabo de aço flexível 2 (24), através do suporte de polia (22), o cabo flexível 2 (24) eleva então a polia móvel 2 (21 ) que tem seu eixo fixado no corpo de massa (30), sendo o mesmo elevado junto com a polia móvel 2 (21 ). O corpo de massa (30) é um corpo qualquer que exerça força resistente (peso) pela ação gravitacional. Quando o corpo de massa (30) atinge a altura desejada, o motor (10) é desligado e o sistema de engrenar e desengrenar (1 1 ), desengrena o mesmo, simultaneamente, do carretel (12), com isso, apenas com a atração gravitacional, o corpo de massa (30) retorna em direção a posição inicial. Como o corpo de massa (30) está presa ao braço de alavanca (31 ) e o braço de alavanca (31 ) está preso ao eixo de torque (40), então ao retornar em direção à posição inicial, o corpo de massa (30) juntamente com o braço de alavanca (31 ), produzem torque no eixo de torque (40). O eixo de torque (40) está ligado a uma catraca (41 ), essa por sua vez está conectada ao eixo de tração (50). No eixo de tração está fixada a engrenagem de transmissão (51 ) que recebe o torque produzido para ser transmitido para movimentar o eixo de um gerador de energia elétrica (75) qualquer.

[038] Na figura 1 1 , é exemplificado como o gerador de energia potencial gravitacional pode ser utilizado. Em 1 1 a vemos a utilização de um módulo do gerador de energia potencial gravitacional, o torque gerado é transmitido pela engrenagem de tração (51 ), através de uma corrente de engrenagem (70), para a engrenagem (71 ), esta está fixada a um eixo (72), que transmite o torque para uma caixa de velocidades (74), para a multiplicação das rotações por minuto até a velocidade desejada. Finalmente a caixa de velocidades (74) movimenta o eixo de um gerador de energia elétrica (75) qualquer. Para suavizar a cadência e frequência do movimento de rotação uma roda de inércia (73) pode ser instalada ao sistema. Em 1 1 b vemos um exemplo de utilização, para mais de um módulo do gerador de energia potencial gravitacional, no caso, dois módulos.

[039] Como foi demonstrado, o gerador de energia potencial gravitacional pode ser dimensionado de acordo com a demanda necessária e também utilizado em módulos. As configurações aqui relatadas demonstram diversificação no modo de sua execução, mas com o mesmo princípio de funcionamento para a solução proposta, dando a invenção uma natureza tal que pode ser executada de várias formas diferentes. Tendo em vista essa natureza do gerador de energia potencial gravitacional, de englobar várias formas de execução e o protótipo ser ainda sua essência a ser desenvolvida, o modelo aqui referenciado não é uma limitação da invenção.