BRMU8803034U2 - solar generator with winston collector and tesla-pelton turbine - Google Patents

Abstract

GERADOR SOLAR COM COLETOR WINSTON E TURBINA TESLA-PELTON. M.U. para um sistema que associa um Coletor Concentrador Solar Winston com a Turbina Híbrida Tesla-Roda Pelton ou com a Turbina Tesla. Dentro do Coletor Winston há tubos com água que aquecidos produzem vapor, acionando a turbina. A turbina aciona um gerador de corrente continua (Alternador) que produz eletricidade. Associado ao Alternador há um Inversor dc-ac que transforma a corrente contínua em alternada pronta para o consumo, mantendo a frequência e a voltagem estabilizadas. O coletor Winston é fixo, dispensando o acompanhamento continuo do sol; requer apenas poucas correções em sua posição ao longo do ano para aumentar sua eficiência, além de ser de fácil construção e manutenção e coletar tanto a luz direta como a difusa. A Turbina Híbrida Tesla-Roda Pelton e a Turbina Tesla são compactas, de simples e barata construção e manutenção, podem operar com vapor saturado e são economicamente viáveis para gerar energia elétrica em pequena escala. O sistema também produz água quente para chuveiros e torneiras, pode purificar água por meio da condensação do vapor que sai da turbina e produzir ar comprimido para uso em veículos automotivos a ar comprimido.SOLAR GENERATOR WITH WINSTON COLLECTOR AND TESLA-PELTON TURBINE. M.U. for a system that combines a Winston Solar Concentrator Collector with the Pelton Tesla-Wheel Hybrid Turbine or Tesla Turbine. Inside the Winston Collector there are heated water pipes that produce steam, driving the turbine. The turbine drives a direct current generator (alternator) that produces electricity. Associated with the Alternator is a dc-ac Inverter that transforms direct current into AC ready for consumption, keeping the frequency and voltage stabilized. The Winston collector is fixed, dispensing with continuous sun tracking; It requires only a few corrections to its position throughout the year to increase its efficiency and is easy to build and maintain and collect both direct and diffused light. The Pelton Tesla-Wheel Hybrid Turbine and Tesla Turbine are compact, simple to build and maintain, can operate on saturated steam, and are economically viable to generate small-scale power. The system also produces hot water for showers and taps, can purify water by condensing steam from the turbine and produce compressed air for use in automotive compressed air vehicles.

Description

"GERADOR SOLAR COM COLETOR WINSTON E TURBINA TESLA-PELTON"."SOLAR GENERATOR WITH WINSTON COLLECTOR AND TESLA-PELTON TURBINE".

A presente patente de Modelo de Utilidade tem por objetivo dar umnovo uso para a Turbina Híbrida Tesla-Roda Pelton, pedido de patente depositadono Brasil sob número MU8601863-9, ou para a Turbina Tesla, patente inglesa24001 de 1.910, e para o Coletor Concentrador Solar Winston, patente US4.002.499. Consiste em utilizar uma turbina de um desses tipos associada a umColetor e concentrador de energia solar Winston para gerar eletricidade a partir daluz solar. O Coletor Winston aquece água para gerar vapor que aciona a TurbinaHíbrida Tesla-Roda Pelton ou na Turbina Tesla, que, então, gira o eixo de umgerador de corrente contínua, também conhecido como Alternador, produzindoeletricidade. O Alternador é associado a um Inversor dc-ac e constitui-se numaforma simples e barata de gerar energia com demanda variável, mantendo afreqüência e a voltagem estabilizadas. Este sistema foi concebido para gerarenergia elétrica a partir da luz do sol com baixo custo, de forma a ser uma melhoralternativa aos painéis solares fotovoltaicos. Também é alternativa aos geradoressolares termoelétricos que utilizam concentradores com apontamento eacompanhamento contínuo do sol, associados a outros tipos de turbinas maiscomplexas e caras. Como subproduto é gerada também água quente ao sercondensado o vapor que sair da turbina.The present Utility Model patent is intended to give a new use to the Tesla-Roda Pelton Hybrid Turbine, filed in Brazil under number MU8601863-9, or to Tesla Turbine, English patent 24001 of 1.910, and to the Solar Concentrator Collector. Winston, US Patent 4,002,499. It consists of using a turbine of one of these types associated with a Winston solar collector and concentrator to generate electricity from solar light. The Winston Collector heats water to generate steam that drives the Tesla-Wheel Pelton Hybrid Turbine or Tesla Turbine, which then rotates the shaft of a direct current generator, also known as Alternator, producing electricity. The Alternator is associated with a dc-ac Inverter and is a simple and inexpensive way to generate energy with variable demand, maintaining the frequency and voltage stabilized. This system is designed to generate low-cost electricity from sunlight to make it a better alternative to photovoltaic solar panels. It is also an alternative to thermoelectric solar generators that use pointing concentrators and continuous tracking of the sun, associated with other types of more complex and expensive turbines. As a byproduct, hot water is also generated by condensing the steam leaving the turbine.

A geração de energia elétrica com luz solar é feita, principalmente,com painéis fotovoltaicos ou com concentradores que acompanham o sol econcentram a luz em torres onde é gerado vapor para acionamento de grandesturbinas. Ambos os sistemas são caros e complexos e, por isso, de aplicaçãolimitada.Electricity generation with sunlight is mainly done with photovoltaic panels or concentrators that accompany the sun and concentrates the light in towers where steam is generated to drive large turbines. Both systems are expensive and complex and therefore of limited application.

Tendo em vista esse problema e com o objetivo de superá-lo,apresenta-se aqui uma nova forma de gerar energia elétrica com baixo custo esimplicidade, utilizando o Coletor Solar Winston é a Turbina Híbrida Tesla-RodaPelton ou a Turbina Tesla, de forma a ser uma alternativa melhor, se comparada aoutros meios utilizados para gerar energia elétrica a partir de luz solar.In view of this problem and with the aim of overcoming it, here is a new way to generate electricity with low cost and simplicity, using the Winston Solar Collector is the Tesla-RodaPelton Hybrid Turbine or the Tesla Turbine, in order to be a better alternative compared to other means used to generate electricity from sunlight.

O Coletor Winston consiste de superfícies refletoras montadasnuma geometria tal que toda a luz direta ou difusa incidente é concentrada emtubos que conduzem água a fim de aquecê-la e gerar vapor. Sua grandevantagem é não precisar acompanhar o sol durante o dia, como ocorre com outrostipos de concentradores solares. Ele fica fixo e necessita apenas de poucosajustes durante o ano para melhor apontá-lo para o sol de forma a aumentar seurendimento.The Winston Collector consists of reflective surfaces mounted in such a geometry that all direct or diffused incident light is concentrated in pipes that conduct water in order to heat it and generate steam. Its great advantage is not having to keep up with the sun during the day, as with other types of solar concentrators. It stays fixed and only needs a few adjustments during the year to better point it at the sun to increase its service.

A Turbina Tesla foi patenteada em 1910 na Inglaterra sob número24001 por Nikola Tesla e consiste de discos paralelos rotativos montadosmuito próximos um do outro em um eixo. Os discos se movem pela passagem defluído de trabalho entre eles, causando o fenômeno da aderência do fluído àparede do disco, conhecido por "condição de não-deslizamento" de forma a fazeros discos adquirirem a velocidade do fluído e girar o eixo. A função da turbinaTesla é girar o seu eixo, produzindo energia mecânica para qualquer finalidadecomo, por exemplo, acionar um gerador elétrico.Devido ao princípio defuncionamento da turbina Tesla, mencionado acima, o fluído de trabalhonecessita estar com sua pressão acima da pressão ambiente para flua daextremidade do disco para o seu centro, onde escoa por uma saída de exaustãopara o ambiente. O fluído é acelerado por um bocal antes de entrar naturbina.The Tesla Turbine was patented in 1910 in England under No. 24001 by Nikola Tesla and consists of rotating parallel disks mounted very close to one another on an axis. The discs move through the deflected working passage between them, causing the phenomenon of fluid adherence to the disc wall, known as the "non-slip condition" so that the discs acquire fluid velocity and rotate the shaft. The function of the Tesla turbine is to rotate its axis, producing mechanical energy for any purpose, such as driving an electric generator. Due to the Tesla turbine operating principle mentioned above, the working fluid needs to be above its ambient pressure to flow. from the end of the disc to its center, where it drains through an exhaust outlet to the environment. The fluid is accelerated through a mouthpiece before naturbine enters.

A Turbina Híbrida Tesla-Roda Pelton teve seu pedido de patentedepositado no Brasil sob número MU8601863-9 por Batista e Couto (mesmosinventores que ora requerem este M.U.) em 2.006. Consiste na substituição totalou parcial dos discos da Turbina Tesla original por discos com cavidadessemelhantes às pás da Roda Pelton (utilizada para gerar energia em quedasd'água). Ela consiste numa melhoria da Turbina Tesla original, pois fornece maiortorque, possibilitando muitas aplicações práticas e com melhor desempenho que aturbina Tesla original.The Tesla-Roda Pelton Hybrid Turbine had its patent application filed in Brazil under number MU8601863-9 by Batista and Couto (same inventors that now require this M.U.) in 2006. It consists of the total or partial replacement of the original Tesla Turbine discs with cavity discs similar to the Pelton Wheel blades (used to generate energy in waterfalls). It is an improvement on the original Tesla Turbine as it provides greater performance, enabling many practical and better performing applications than the original Tesla Turbine.

As qualidades da turbina Tesla e da Turbina Híbrida Tesla-RodaPelton, que as distinguem de outros tipos de turbinas e motores, são: a suasimplicidade de construção, baixo custo, alta eficiência e permitir operar comvapor saturado.The qualities of Tesla Turbine and Tesla-RodaPelton Hybrid Turbine, which distinguish them from other types of turbines and engines, are: their simplicity of construction, low cost, high efficiency and allow to operate with saturated steam.

Outra vantagem desses tipos de turbina é sua capacidade de gerarenergia elétrica, com vapor, em pequena escala, por exemplo, abaixo de 100kwatts, onde outros tipos de turbinas a vapor são economicamente inviáveis.Another advantage of these types of turbines is their ability to generate small-scale steam electric power, for example below 100kwatts, where other types of steam turbines are economically unviable.

A Fig. 1 mostra o esquema do sistema composto pelo ColetorSolar associado à Turbina.A Fig. 1 apresenta o esquema do GERADOR SOLAR WINSTON -TESLA PELTON, composto do Coletor Concentrador Solar Winston 1, de tubosque circulam água 2, do tanque de acumulação de vapor 3, da Válvula desegurança 4, o Sensor de nível 5, o Visor de nível 6, da Turbina Híbrida Tesla-Roda Pelton ou Turbina Tesla 7, do Alternador (gerador de corrente contínua) 8,de Baterias (opcionais) para armazenar energia 9, do Inversor dc-ac 10 queconverte a corrente elétrica contínua, produzida pelo Alternador ou fornecida pelasbaterias, para corrente alternada, da saída de energia elétrica 110 volts ou 220volts 11, de uma Caixa d'água 12, do conjunto condensador e serpentina da caixa d'água (opcionais) 13, da saída de água aquecida 14 e da bomba d'água 15 queinjeta a água condensada novamente no tanque de acumulação de vapor.Fig. 1 shows the schematic of the Turbine CollectorSolar System. Fig. 1 shows the schematic of the WINSTON-TESLA PELTON SOLAR GENERATOR, composed of the Winston Solar Concentrator Collector, of circulating water 2, of the accumulation tank of Steam 3, Safety Valve 4, Level 5 Sensor, Level 6 Display, Tesla-Wheel Hybrid Turbine Pelton or Tesla 7 Turbine, Alternator (direct current generator) 8, Batteries (optional) for storing power 9, from the dc-ac Inverter 10 which converts the direct current produced by the Alternator or supplied by the alternating current batteries from the 110 volt or 220 volt electrical outlet 11, from a Water Box 12, from the condenser and coil assembly of the water tank (optional) 13, the heated water outlet 14 and the water pump 15 discharging the condensed water back into the steam storage tank.

O coletor Winston fica fixo e apontado para o Sol do meio dia, nãosendo necessário que acompanhe o movimento do sol. Os ajustes na suaposição são feitos poucas vezes durante o ano para aumentar seu rendimento. Aluz do sol direta e difusa entra no coletor e é dirigida aos tubos que contêm água,aquecendo-a e gerando vapor que é acumulado no tanque, adquirindo pressão. Otanque é preenchido parcialmente com água. Esta desce para os tubos porgravidade à medida em que a água nos tubos vai se transformando em vapor. Notanque há uma válvula de segurança que impede que a pressão aumentedemasiadamente. No tanque também há um sensor de nível que aciona a bombad água mantendo o nível adequado de água no tanque. O vapor que sai do tanqueentra na turbina fazendo girar seu eixo, acionando o Alternador de forma a gerarenergia elétrica de corrente contínua na voltagem de 14 volts. Esta energia éconvertida pelo Inversor dc-ac em corrente alternada de 110 volts ou 220 volts,pronta para ser consumida.The Winston collector is fixed and pointed at the midday sun, so it is not necessary to follow the movement of the sun. Adjustments to your position are made a few times during the year to increase your income. Diffuse direct sunlight enters the collector and is directed to the tubes containing water, heating it and generating steam that accumulates in the tank, acquiring pressure. Otanque is partially filled with water. This goes down to the pipes by gravity as the water in the pipes turns to steam. Note that there is a safety valve that prevents the pressure from increasing too much. In the tank there is also a level sensor that drives the water pump while maintaining the proper level of water in the tank. Steam exiting the tank enters the turbine rotating its shaft, driving the Alternator to generate direct current electrical energy at a voltage of 14 volts. This power is converted by the 110 volt or 220 volt dc-ac AC inverter ready to be consumed.

O vapor que sai da turbina passa por uma caixa d'água e aquece aágua desta, que então pode ser consumida como subproduto. O vapor, então, écondensado e se liqüefaz, sendo bombeado novamente para o tanque.The steam that comes out of the turbine passes through a water tank and heats the water from it, which can then be consumed as a byproduct. The steam is then condensed and liquefied and pumped back into the tank.

As baterias são opcionais. Servem para armazenar energia paraconsumo quando o sistema estiver desativado. Serve também para fornecer aoInversor dc-ac uma quantidade de energia maior que a fornecida pelo Alternador,no caso de o consumo de energia consumida (requerida do inversor) ser maiorque a fornecida pelo alternador. Se as baterias não forem utilizadas, o Alternadoralimenta diretamente o Inversor.Batteries are optional. They serve to store power for consumption when the system is off. It also serves to provide the dc-ac Inverter with a higher amount of power than that provided by the Alternator, in case the consumed (required inverter) power consumption is greater than that provided by the alternator. If the batteries are not used, the Alternator directly powers the Inverter.

O Condensador e a Serpentina (localizada dentro da caixad água) são opcionais. O vapor que sai da turbina pode ser condensadodiretamente na caixa dágua por meio de seu contato direto com a água,dispensando, assim, o uso do condensador. A vantagem do condensador écondensar o vapor a uma temperatura e pressão mais baixas de forma aaumentar a eficiência termodinâmica do sistema. Neste caso o condensadordeve ser resfriado com ar ou água.Condenser and streamer (located inside the water box) are optional. The steam that comes out of the turbine can be condensed directly into the water box through its direct contact with water, thus eliminating the use of the condenser. The advantage of the condenser is that it condenses steam at a lower temperature and pressure to increase the thermodynamic efficiency of the system. In this case the condensate must be cooled with air or water.

O Alternador associado a um Inversor dc-ac para gerareletricidade constitui-se numa forma simples e barata de gerar a energia queserá consumida de forma variável, ou seja, ora pode estar sendo consumidosapenas 100 watts e ora pode estar sendo consumidos 1.000 watts, mantendo afreqüência e a voltagem estabilizadas.The Alternator associated with a dc-ac Inverter to generate electricity is a simple and inexpensive way to generate the energy that will be consumed in a variable way, that is, it can be consumed only 100 watts and sometimes it can be consumed 1000 watts, maintaining the frequency. and the voltage stabilized.

A geração simultânea de água quente (co-geração) aumenta orendimento do sistema como um todo. Ela é útil para reduzir o consumo deeletricidade em residências onde o consumo pelos chuveiros é bastantesignificativo.Simultaneous generation of hot water (cogeneration) increases the overall system throughput. It is useful for reducing electricity consumption in homes where shower consumption is quite significant.

A água quente gerada é proveniente da condensação do vapor,e, portanto, destilada e pura, podendo ser utilizada para consumo humano apósser mineralizada. Desta forma o sistema pode ser destinado também paraproduzir água potável, purificando águas impróprias ao consumo como as águassalobras.The hot water generated comes from the condensation of steam, and is therefore distilled and pure and can be used for human consumption after being mineralized. In this way the system can also be designed to produce drinking water, purifying unsafe water such as waterwave.

O sistema pode também ser utilizado para produzir arcomprimido, substituindo-se o Alternador por um Compressor de Ar Comprimido.A turbina, então, gira o eixo do Compressor de Ar Comprimido para acioná-lo. Talaplicação produz ar comprimido a partir de luz solar para uso, por exemplo, noenchimento de cilindros para alimentar motores a ar comprimido de veículosautomotivos movidos a ar comprimido.The system can also be used to produce compressed air by replacing the Alternator with a Compressed Air Compressor. The turbine then rotates the Compressed Air Compressor shaft to drive it. Talaplication produces compressed air from sunlight for use, for example, in filling cylinders to power compressed air engines from compressed-air vehicles.

Claims (3)

1.) GERADOR SOLAR COM COLETOR WINSTON E TURBINATESLA-PELTON: sistema para a produção de energia elétrica e água quentecaracterizado pela associação de um Coletor solar Winston com a Turbina HíbridaTesla-Roda Pelton ou com a Turbina Tesla, onde o Coletor Winston aquecea água para produzir vapor que aciona a turbina. A turbina aciona umAlternador que produz eletricidade em corrente continua. Associado ao Alternadorhá um Inversor dc-ac que transforma a corrente contínua em alternada para serconsumida de acordo com a demanda, mantendo a freqüência e a voltagemestabilizadas. O vapor que sai da turbina é condensado em uma caixa d'água,produzindo água líquida que é bombeada de volta para os tubos localizadosdentro do Coletor Winston, onde é novamente vaporizada. A água quente da caixad'água pode ser consumida em chuveiros e torneiras, desde que seja reposta deforma a manter a circulação de água pelo sistema.1.) WINSTON AND TURBINATESLA-PELTON COLLECTOR SOLAR GENERATOR: system for the production of electric power and hot water characterized by the combination of a Winston Solar Collector with the Pelton Tesla-Wheel Hybrid Turbine or with the Tesla Turbine, where the Winston Collector heats water for produce steam that drives the turbine. The turbine drives an alternator that produces direct current electricity. Alternator Associated There is a dc-ac Inverter that transforms direct current into alternating current to be consumed on demand, keeping the frequency and voltage stabilized. The steam that comes out of the turbine is condensed into a water tank, producing liquid water that is pumped back into the pipes located inside the Winston Collector, where it is vaporized again. Hot water from the water tank can be consumed in showers and taps, provided it is replenished to maintain water circulation through the system. 2.) Utilização do sistema de acordo com a reivindicação 1, tambémpara purificação de água, caracterizada pela condensação do vapor d 'água geradopelo sistema, após sair da turbina, para produção de água potável.Use of the system according to claim 1, also for water purification, characterized by condensation of water vapor generated by the system after leaving the turbine for the production of drinking water. 3.) Utilização do sistema de acordo com a reivindicação 1, tambémpara produzir ar comprimido, caracterizada pela substituição do Alternador e doInversor dc-ac por um Compressor de Ar Comprimido. A turbina, então, gira oeixo do Compressor de Ar Comprimido para acioná-lo. Tal aplicação produz arcomprimido a partir de luz solar para uso, por exemplo, no enchimento decilindros para alimentar motores a ar comprimido de veículos automotivosmovidos a ar comprimido.Use of the system according to claim 1, also for producing compressed air, characterized by the replacement of the Alternator and dc-ac Inverter with a Compressed Air Compressor. The turbine then rotates the shaft of the Compressed Air Compressor to drive it. Such an application produces compressed air from sunlight for use, for example, in filling cylinders to power compressed air engines of automotive vehicles powered by compressed air.