ITBZ20130030A1

ITBZ20130030A1 - WIND DEVICE FOR THE EXPLOITATION OF WIND ENERGY

Info

Publication number: ITBZ20130030A1
Application number: IT000030A
Authority: IT
Inventors: Stefano Armanini
Original assignee: Stefano Armanini
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2014-12-26

Description

DISPOSITIVO EOLICO PER LO SFRUTTAMENTO DI ENERGIA EOLICA WIND DEVICE FOR THE EXPLOITATION OF WIND ENERGY

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente divulgazione si riferisce in generale al settore della trasformazione di energia da fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica. In particolare, la presente divulgazione si riferisce ad un dispositivo eolico per lo sfruttamento di energia eolica. This disclosure refers in general to the sector of transformation of energy from renewable sources for the production of electricity. In particular, the present disclosure refers to a wind device for the exploitation of wind energy.

Lo sfruttamento di energia eolica per produrre energia elettrica è comunemente realizzato in dispositivi eolici che impiegano turbine eoliche aventi un rotore a pale che è imperniato ad una navicella posta alla sommità di una struttura rigida di supporto come una torre o un palo. The exploitation of wind energy to produce electrical energy is commonly accomplished in wind devices that employ wind turbines having a rotor with blades that is pivoted to a nacelle placed at the top of a rigid support structure such as a tower or pole.

Un inconveniente di questa tipologia nota di dispositivi eolici è legato alla sua incapacità di sfruttare venti ad alta quota, che sono più regolari e più veloci dei venti a bassa quota e quindi più vantaggiosi. Infatti la turbina eolica è posizionata ad una altezza dal suolo che è pari all’altezza della struttura rigida di supporto. Per motivi strutturali e di costo, tuttavia, anche nei dispositivi eolici di dimensioni maggiori la struttura di supporto a torre non supera i 150 – 180 metri e il rotore ha un diametro che non supera gli 80 – 100 metri, quindi tale tipologia di dispositivi eolici non è in grado di captare venti a quote più elevate di 200 – 250 metri dal suolo. A drawback of this known type of wind power devices is linked to its inability to exploit winds at high altitudes, which are more regular and faster than winds at low altitudes and therefore more advantageous. In fact, the wind turbine is positioned at a height from the ground which is equal to the height of the rigid support structure. For structural and cost reasons, however, even in larger wind devices the tower support structure does not exceed 150 - 180 meters and the rotor has a diameter that does not exceed 80 - 100 meters, therefore this type of wind devices it is unable to pick up winds at altitudes higher than 200 - 250 meters above the ground.

Un altro inconveniente di questa tipologia nota di dispositivi eolici è legato alla sua complessità di realizzazione ed al costo, che aumenta sensibilmente con le dimensioni del rotore e con l’altezza della struttura di supporto. Another drawback of this known type of wind power devices is related to its manufacturing complexity and cost, which significantly increases with the size of the rotor and the height of the support structure.

Un ulteriore inconveniente di questa tipologia nota di dispositivi eolici è legato all’impatto ambientale dei dispositivi eolici sia per l’impatto visivo sul paesaggio, sia per il rumore che producono. A further drawback of this known type of wind devices is related to the environmental impact of wind devices both for the visual impact on the landscape and for the noise they produce.

Nella tecnica sono stati proposti dispositivi di sfruttamento di energia eolica che sono più leggeri dell’aria e supportano una turbina. Un esempio è descritto nella domanda di brevetto statunitense n. US2012/0319407. Questo dispositivo ha una forma tubolare allungata e la parete tubolare ha uno spessore piccolo rispetto al diametro della parete stessa. L’inventore dell’oggetto della presente divulgazione ha verificato che tale dispositivo ha una bassa efficienza di sfruttamento del vento e quindi, in rapporto alla potenza ottenuta, esso richiede una turbina di diametro rilevante, con conseguente notevole peso da sostenere in aria. In the art devices have been proposed for the exploitation of wind energy that are lighter than air and support a turbine. An example is described in U.S. Patent Application No. US2012 / 0319407. This device has an elongated tubular shape and the tubular wall has a small thickness compared to the diameter of the wall itself. The inventor of the object of this disclosure has verified that this device has a low efficiency of exploitation of the wind and therefore, in relation to the power obtained, it requires a turbine with a significant diameter, with consequent considerable weight to be supported in the air.

Pertanto, la presente divulgazione parte dall’osservazione fatta dall’inventore che i dispositivi esistenti hanno margini di miglioramento per quanto riguarda lo sfruttamento dell’energia cinetica del vento. Therefore, this disclosure starts from the observation made by the inventor that existing devices have room for improvement with regard to the exploitation of the kinetic energy of the wind.

L’inventore si è quindi proposto di fornire un dispositivo eolico che consenta di superare gli inconvenienti dei dispositivi di tecnica nota e/o di conseguire ulteriori vantaggi. The inventor therefore proposed to provide a wind power device that allows to overcome the drawbacks of prior art devices and / or to achieve further advantages.

Ciò è ottenuto fornendo un dispositivo eolico per lo sfruttamento di energia eolica secondo la rivendicazione indipendente 1. Forme di realizzazione particolari dell'oggetto della presente divulgazione sono definite nelle corrispondenti rivendicazioni dipendenti. This is achieved by providing a wind device for the exploitation of wind energy according to independent claim 1. Particular embodiments of the object of the present disclosure are defined in the corresponding dependent claims.

Secondo un aspetto della presente divulgazione, il dispositivo eolico comprende un corpo avente una forma anulare che delimita una apertura centrale nella quale è posizionata una turbina eolica. Il corpo anulare è gonfiabile ed ha una camera interna che può essere riempita con un gas più leggero dell’aria per fare galleggiare il corpo anulare e la turbina nell’aria; il corpo anulare è vincolato ad una struttura di ancoraggio (ad esempio al suolo) tramite un sistema di trattenimento. According to an aspect of the present disclosure, the wind device comprises a body having an annular shape which defines a central opening in which a wind turbine is positioned. The annular body is inflatable and has an internal chamber that can be filled with a gas lighter than air to make the annular body and the turbine float in the air; the annular body is bound to an anchoring structure (for example to the ground) by means of a retaining system.

Il corpo anulare ha una forma sostanzialmente toroidale, avente un raggio esterno che corrisponde ad un raggio massimo del corpo anulare ed un raggio interno che è un raggio minimo corrispondente ad un raggio dell’apertura centrale. The annular body has a substantially toroidal shape, having an external radius which corresponds to a maximum radius of the annular body and an internal radius which is a minimum radius corresponding to a radius of the central opening.

Ciò è utile per fornire un dispositivo eolico per lo sfruttamento di energia eolica che sia in grado di captare venti ad alta quota. Infatti, poiché il corpo anulare gonfiato è più leggero dell’aria e non richiede una struttura rigida a torre che lo mantenga sollevato dal suolo, esso può captare vento a quote molto più elevate rispetto ai dispositivi eolici della prima tipologia sopra descritta. This is useful for providing a wind device for the exploitation of wind energy that is capable of picking up winds at high altitudes. In fact, since the inflated annular body is lighter than air and does not require a rigid tower structure that keeps it raised from the ground, it can pick up wind at much higher altitudes than the wind devices of the first type described above.

Ad esempio, un dispositivo eolico secondo la presente divulgazione può prendere venti ad una quota di 500 metri dal suolo, che è una quota irraggiungibile per un sistema tradizionale a torre. Ciò è vantaggioso perché a queste quote elevate ci sono correnti di vento più forti ed i venti stessi sono più costanti. Un sistema tradizionale a torre posizionato in una zona ventosa lavora al massimo rendimento in media per 110 giorni all’anno. Con il sistema della presente divulgazione si possono cambiare le quote di presa del vento abbassando o alzando di quota il corpo anulare, secondo necessità, e si può lavorare in condizioni di vento più favorevoli anche per 365 giorni all’anno. For example, a wind device according to the present disclosure can take winds at an altitude of 500 meters above the ground, which is an altitude unattainable for a traditional tower system. This is advantageous because at these high altitudes there are stronger wind currents and the winds themselves are more constant. A traditional tower system positioned in a windy area works at maximum performance on average for 110 days a year. With the system of this disclosure it is possible to change the altitude of the wind intake by lowering or raising the height of the annular body, as needed, and it is possible to work in more favorable wind conditions even for 365 days a year.

Inoltre i costi e l’impatto ambientale sono notevolmente inferiori rispetto ai sistemi noti a torre, perché la struttura rigida a torre è totalmente evitata. Furthermore, the costs and the environmental impact are significantly lower than the known tower systems, because the rigid tower structure is totally avoided.

Oltre a ciò, in un dispositivo eolico secondo la presente divulgazione la forma toroidale del corpo anulare permette di incrementare ulteriormente la velocità del vento che arriva alla turbina eolica. In altre parole, il corpo anulare funge anche da acceleratore di vento. Grazie all’aumento della velocità del vento nella zona della turbina, è possibile trasformare in energia elettrica una parte maggiore dell’energia cinetica del vento. In addition to this, in a wind device according to the present disclosure the toroidal shape of the annular body allows to further increase the speed of the wind arriving at the wind turbine. In other words, the annular body also acts as a wind accelerator. Thanks to the increase in wind speed in the turbine area, it is possible to transform a greater part of the kinetic energy of the wind into electricity.

Rispetto ai dispositivi noti più leggeri dell’aria, pertanto, il dispositivo eolico secondo la presente divulgazione richiede una turbina di diametro inferiore per produrre la stessa potenza. Di conseguenza, il peso da sollevare è inferiore e quindi è richiesto un corpo anulare gonfiabile più piccolo ed una minore quantità di gas più leggero dell’aria, con ovvi vantaggi anche dal punto di vista dei costi. Compared to known lighter-than-air devices, therefore, the wind device according to the present disclosure requires a smaller diameter turbine to produce the same power. Consequently, the weight to be lifted is lower and therefore a smaller inflatable annular body and a smaller amount of gas lighter than air is required, with obvious advantages also from a cost point of view.

Pertanto, il dispositivo eolico secondo la presente divulgazione è efficace sia perché sfrutta la maggiore velocità del vento che si trova alle maggiori quote che riesce a raggiungere, sia perché la velocità del vento convogliato alla turbina eolica viene incrementata ulteriormente dalla forma del corpo anulare. Therefore, the wind device according to the present disclosure is effective both because it exploits the higher wind speed found at the higher altitudes it can reach, and because the speed of the wind conveyed to the wind turbine is further increased by the shape of the annular body.

In particolare, l’inventore ha rilevato che l’incremento della velocità del vento è particolarmente significativo per un rapporto tra raggio massimo e raggio minimo della forma toroidale che è maggiore o uguale a 2,4. In particular, the inventor found that the increase in wind speed is particularly significant for a ratio between the maximum radius and minimum radius of the toroidal shape which is greater than or equal to 2.4.

Ancora più in particolare, l’inventore ha rilevato che l’incremento è assai vantaggioso per un rapporto tra raggio massimo e raggio minimo della forma toroidale che è maggiore o uguale al valore di 6,12. Per questo valore del rapporto, l’inventore ha calcolato (tramite un metodo agli elementi finiti) che la forma toroidale permette di incrementare la velocità del vento per un fattore pari a 1,7 – 1,8. Even more specifically, the inventor found that the increase is very advantageous for a ratio between the maximum radius and minimum radius of the toroidal shape which is greater than or equal to the value of 6.12. For this value of the ratio, the inventor calculated (using a finite element method) that the toroidal shape allows the wind speed to be increased by a factor of 1.7 - 1.8.

L’oggetto della presente divulgazione può trovare applicazione per la produzione di energia elettrica da energia eolica anche in luoghi dove c’è poco vento al suolo; esso permette quindi la produzione di energia eolica praticamente ovunque. The subject of this disclosure may find application for the production of electricity from wind energy even in places where there is little wind on the ground; it therefore allows the production of wind energy practically everywhere.

Sono pensabili anche applicazioni in scala ridotta da usare ad esempio su barche a vela per garantire sufficienti risorse elettriche anche in caso di mancanza di vento a bassa quota. Small-scale applications are also conceivable to be used for example on sailboats to ensure sufficient electrical resources even in the event of a lack of wind at low altitude.

Un ulteriore campo di applicazione del dispositivo eolico secondo la presente divulgazione potrebbe essere in ambito militare. Il dispositivo eolico potrebbe garantire il supporto elettrico di un campo militare e contemporaneamente potrebbe fungere da postazione di controllo in aria. Inoltre esso potrebbe essere usato come postazione di armi ad alto consumo elettrico come ad esempio armi laser, fornendo l’energia necessaria per l’attivazione del laser stesso. A further field of application of the wind device according to the present disclosure could be in the military field. The wind device could guarantee the electrical support of a military field and at the same time could act as a control post in the air. In addition, it could be used as a location for weapons with high electrical consumption such as laser weapons, providing the energy necessary for the activation of the laser itself.

Ulteriori vantaggi, caratteristiche e le modalità d'impiego dell'oggetto della presente divulgazione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione, presentata a scopo esemplificativo e non limitativo. Further advantages, characteristics and methods of use of the object of the present disclosure will become evident from the following detailed description of an embodiment thereof, presented by way of non-limiting example.

È comunque evidente come ciascuna forma di realizzazione dell'oggetto della presente divulgazione possa presentare uno o più dei vantaggi sopra elencati; in ogni caso non è richiesto che ciascuna forma di realizzazione presenti simultaneamente tutti i vantaggi elencati. It is however evident that each embodiment of the object of the present disclosure can present one or more of the advantages listed above; however, each embodiment is not required to simultaneously present all the listed advantages.

Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: Reference will be made to the figures of the attached drawings, in which:

- la Figura 1 rappresenta una vista in prospettiva e parzialmente interrotta di un dispositivo eolico per lo sfruttamento di energia eolica secondo la presente divulgazione; Figure 1 represents a partially interrupted perspective view of a wind device for the exploitation of wind energy according to the present disclosure;

- la Figura 2 rappresenta una vista laterale del dispositivo eolico di Figura 1 ed include una rappresentazione schematica di velocità di vento; Figure 2 represents a side view of the wind device of Figure 1 and includes a schematic representation of wind speed;

- la Figura 3 rappresenta una vista frontale del dispositivo eolico di Figura 1; Figure 3 represents a front view of the wind device of Figure 1;

- la Figura 4 rappresenta una vista dall’alto del dispositivo eolico di Figura 1; - Figure 4 represents a top view of the wind device of Figure 1;

- la Figura 5 rappresenta una vista in sezione, secondo la linea di sezione V-V di Figura 3, del dispositivo eolico di Figura 1; Figure 5 represents a sectional view, according to the section line V-V of Figure 3, of the wind device of Figure 1;

- la Figura 6 rappresenta schematicamente, in una vista in sezione secondo la linea di sezione V-V di Figura 3, le velocità del vento prima del dispositivo eolico, in corrispondenza del dispositivo eolico e dopo il dispositivo eolico; Figure 6 schematically represents, in a sectional view according to the section line V-V of Figure 3, the wind speeds before the wind device, in correspondence with the wind device and after the wind device;

- la Figura 7 rappresenta, in una vista in sezione secondo la linea di sezione V-V di Figura 3, l’andamento di iso-linee di velocità del vento mentre attraversa il dispositivo eolico in una simulazione di calcolo. - Figure 7 represents, in a sectional view according to the section line V-V of Figure 3, the trend of wind speed iso-lines as it passes through the wind device in a calculation simulation.

Con riferimento alle figure allegate, un dispositivo eolico per lo sfruttamento di energia eolica secondo la presente divulgazione è indicato con il numero di riferimento 1. In sostanza, il dispositivo eolico 1 è una centrale elettrica volante che è in grado di sfruttare l’energia cinetica del vento presente ad alte quote, per produrre energia elettrica. With reference to the attached figures, a wind device for the exploitation of wind energy according to the present disclosure is indicated with the reference number 1. Basically, the wind device 1 is a flying power plant which is able to exploit kinetic energy of the wind present at high altitudes, to produce electricity.

Il dispositivo eolico 1 comprende un corpo 2 che ha una forma anulare ed è provvisto di una camera interna 26. La camera interna 26 è atta ad essere riempita con un gas più leggero dell’aria (ad esempio, con elio), così da permettere al corpo anulare 2 di galleggiare nell’aria. Il corpo anulare 2 è quindi un corpo gonfiabile che, quando è gonfiato con un gas più leggero dell’aria, può volare e galleggiare nell’aria. Il corpo anulare gonfiabile 2 è un involucro flessibile realizzato con una pellicola non rigida, ad esempio in poliuretano, e a tenuta di gas, in modo tale da potere essere gonfiato con detto gas più leggero dell’aria e da rimanere gonfio a lungo durante l’utilizzo. The wind device 1 comprises a body 2 which has an annular shape and is provided with an internal chamber 26. The internal chamber 26 is adapted to be filled with a gas lighter than air (for example, with helium), so as to allow the annular body 2 to float in the air. The annular body 2 is therefore an inflatable body which, when inflated with a gas lighter than air, can fly and float in the air. The inflatable annular body 2 is a flexible casing made with a non-rigid film, for example in polyurethane, and gas-tight, in such a way as to be able to be inflated with said gas lighter than air and to remain inflated for a long time during the use.

La forma anulare del corpo 2 delimita una apertura centrale 25. In altre parole, il corpo anulare 2 ha una forma a ciambella, in cui l’apertura centrale 25 è il buco della ciambella. The annular shape of the body 2 defines a central opening 25. In other words, the annular body 2 has a donut shape, in which the central opening 25 is the hole of the donut.

Secondo un aspetto della presente divulgazione, il corpo anulare 2 ha una forma sostanzialmente toroidale, almeno quando è in condizione gonfiata. Tale forma toroidale presenta una prima faccia anulare 21 ed una seconda faccia anulare 22 che hanno una forma sostanzialmente a corona circolare, con un raggio esterno R2 che corrisponde ad un raggio massimo del corpo anulare 2 ed un raggio interno R25 che è un raggio minimo del corpo anulare 2 e corrisponde al raggio dell’apertura centrale 25. According to an aspect of the present disclosure, the annular body 2 has a substantially toroidal shape, at least when it is in an inflated condition. This toroidal shape has a first annular face 21 and a second annular face 22 which have a substantially circular crown shape, with an outer radius R2 which corresponds to a maximum radius of the annular body 2 and an inner radius R25 which is a minimum radius of the annular body 2 and corresponds to the radius of the central opening 25.

In particolare, il corpo anulare 2 ha una forma toroidale circolare, cioè la sua generatrice è una circonferenza: una sezione radiale 20 del corpo anulare 2 ha una forma circolare, con un diametro D20 che è uguale alla differenza tra il raggio esterno R2 e il raggio interno R25 del corpo anulare 2. Pertanto, la prima faccia anulare 21 e la seconda faccia anulare 22 in sezione radiale 20 hanno ciascuna un profilo sostanzialmente a semicirconferenza. In particular, the annular body 2 has a circular toroidal shape, i.e. its generatrix is a circumference: a radial section 20 of the annular body 2 has a circular shape, with a diameter D20 which is equal to the difference between the external radius R2 and the internal radius R25 of the annular body 2. Therefore, the first annular face 21 and the second annular face 22 in radial section 20 each have a substantially semicircumference profile.

Ad esempio, in una forma di realizzazione, il raggio R25 è di 1 metro ed il raggio R2 è di 6,12 metri. For example, in one embodiment, the radius R25 is 1 meter and the radius R2 is 6.12 meters.

Il corpo anulare 2 ha un asse longitudinale centrale 200 che è anche l’asse della apertura centrale 25. I raggi R2, R25 sono perpendicolari a tale asse longitudinale centrale 200. The annular body 2 has a central longitudinal axis 200 which is also the axis of the central opening 25. The rays R2, R25 are perpendicular to this central longitudinal axis 200.

In una forma di realizzazione, la camera interna 26 è un’unica camera continua a forma di ciambella, che occupa tutto il volume racchiuso dall’involucro del corpo anulare gonfiabile 2. In one embodiment, the internal chamber 26 is a single continuous donut-shaped chamber, which occupies the entire volume enclosed by the enclosure of the inflatable annular body 2.

In una forma alternativa di realizzazione, la camera interna 26 è suddivisa in una pluralità di segmenti o sotto-camere, che non sono comunicanti tra loro e che possono essere gonfiate o sgonfiate separatamente le une dalle altre. In altre parole, le sotto-camere complessivamente formano un volume a ciambella che è racchiuso dall’involucro del corpo anulare gonfiabile 2, ma esse sono pneumaticamente indipendenti le une dalle altre. Pertanto, nel caso in cui una sottocamera abbia una perdita di gas, le rimanenti sotto-camere restano gonfie e possono continuare a garantire la galleggiabilità in aria del corpo anulare gonfiato 2. Il dispositivo eolico 1 per lo sfruttamento di energia eolica comprende inoltre una turbina eolica 3 che è posizionata nella apertura centrale 25 del corpo anulare 2. La turbina eolica 3 è quindi al centro del corpo anulare 2. In an alternative embodiment, the inner chamber 26 is divided into a plurality of segments or sub-chambers, which are not communicating with each other and which can be inflated or deflated separately from each other. In other words, the sub-chambers as a whole form a donut-like volume that is enclosed by the envelope of the inflatable annular body 2, but they are pneumatically independent of each other. Therefore, in the event that a sub-chamber has a gas leak, the remaining sub-chambers remain inflated and can continue to guarantee the buoyancy in air of the inflated annular body 2. The wind device 1 for exploiting wind energy also comprises a turbine wind turbine 3 which is positioned in the central opening 25 of the annular body 2. The wind turbine 3 is therefore at the center of the annular body 2.

Nello specifico, la turbina eolica 3 ha un rotore 30 con due o più pale 31, ad esempio tre pale 31. La turbina eolica 3, cioè il suo rotore 30, ha un asse di rotazione che coincide con l’asse longitudinale centrale 200 del corpo anulare 2 e dell’apertura centrale 25. Specifically, the wind turbine 3 has a rotor 30 with two or more blades 31, for example three blades 31. The wind turbine 3, i.e. its rotor 30, has a rotation axis which coincides with the central longitudinal axis 200 of the annular body 2 and central opening 25.

In particolare, la turbina eolica 3 ha un raggio R3 che è uguale al raggio interno R25 del corpo anulare 2. Pertanto, la turbina eolica 3 si estende per l’intera sezione trasversale della apertura centrale 25 del corpo anulare 2. In particular, the wind turbine 3 has a radius R3 which is equal to the internal radius R25 of the annular body 2. Therefore, the wind turbine 3 extends over the entire cross section of the central opening 25 of the annular body 2.

La turbina eolica 3 comprende una struttura rigida perimetrale ad anello che ha raggio R3 e che è inserita nell’apertura centrale 25 ed è fissata al corpo anulare 2. La turbina eolica 3 è vincolata al corpo anulare 2 tramite tale struttura rigida, che inoltre mantiene la forma dell’apertura centrale 25 ed evita che quest’ultima possa collassare sul rotore 30. Il rotore 30 è imperniato ad un membro centrale che è rigidamente collegato alla struttura rigida perimetrale della turbina eolica 3. The wind turbine 3 comprises a rigid perimeter ring structure which has radius R3 and which is inserted in the central opening 25 and is fixed to the annular body 2. The wind turbine 3 is constrained to the annular body 2 by means of this rigid structure, which also maintains the shape of the central opening 25 and prevents the latter from collapsing on the rotor 30. The rotor 30 is hinged to a central member which is rigidly connected to the rigid perimeter structure of the wind turbine 3.

La turbina eolica 3 comprende anche un generatore elettrico (ad esempio un alternatore o una dinamo) che converte l’energia meccanica di rotazione del rotore 30 in energia elettrica. The wind turbine 3 also includes an electric generator (for example an alternator or a dynamo) which converts the mechanical energy of rotation of the rotor 30 into electrical energy.

Il dispositivo eolico 1 per lo sfruttamento di energia eolica comprende inoltre un sistema di trattenimento 4 che include almeno un elemento tirante flessibile 41 per vincolare il corpo anulare 2 ad una struttura di ancoraggio 90, che ad esempio è fissata al suolo 9. In sostanza, la struttura di ancoraggio 90 è un aggancio fisso al quale il corpo anulare gonfiato 2 viene vincolato o ancorato per impedire che il dispositivo eolico 1 voli via sotto la spinta del vento. A seconda della applicazione, la struttura di ancoraggio 90 è fissata a terra (ad esempio nel caso di una centrale eolica o di un impiego militare), oppure ad esempio ad una barca nel caso in cui il dispositivo eolico 1 serva per fornire energia elettrica alla barca stessa. The wind device 1 for the exploitation of wind energy also comprises a retaining system 4 which includes at least one flexible tie element 41 to constrain the annular body 2 to an anchoring structure 90, which for example is fixed to the ground 9. In substance, the anchoring structure 90 is a fixed coupling to which the inflated annular body 2 is constrained or anchored to prevent the wind device 1 from flying away under the thrust of the wind. Depending on the application, the anchoring structure 90 is fixed to the ground (for example in the case of a wind power plant or for military use), or for example to a boat if the wind device 1 is used to supply electricity to the boat itself.

L’elemento tirante flessibile 41, in sostanza, è un cavo o una fune avente sufficiente lunghezza per consentire al corpo anulare 2 di raggiungere una quota desiderata. Il sistema di trattenimento 4 è sufficientemente resistente per non rompersi nemmeno in caso di vento forte, assicurando così che il dispositivo eolico 1 rimanga vincolato alla struttura di ancoraggio 90 in tutte le condizioni operative. The flexible tie element 41, in essence, is a cable or a rope having sufficient length to allow the annular body 2 to reach a desired height. The restraint system 4 is strong enough not to break even in the event of strong wind, thus ensuring that the wind device 1 remains bound to the anchoring structure 90 in all operating conditions.

Il sistema di trattenimento 4 ha una prima estremità che è fissata al corpo anulare 2 ed una seconda estremità che è fissabile o fissata alla struttura di ancoraggio 90. Ad esempio, la prima estremità è collegata ad appositi elementi di aggancio (come ganci o anelli) che sono fissati solidamente al corpo anulare; la seconda estremità del sistema di trattenimento 4 è provvista di idonei mezzi di fissaggio alla struttura di ancoraggio 90. The retaining system 4 has a first end which is fixed to the annular body 2 and a second end which is fixable or fixed to the anchoring structure 90. For example, the first end is connected to suitable hooking elements (such as hooks or rings) which are solidly attached to the annular body; the second end of the retaining system 4 is provided with suitable fastening means to the anchoring structure 90.

Per portare il dispositivo eolico 1 in condizione operativa, la camera interna 26 del corpo anulare gonfiabile 2 viene riempita con un gas più leggero dell’aria, ad esempio con elio. La camera interna 26 è dimensionata in modo tale che, quando il corpo anulare 2 è gonfio e pieno di tale gas, la spinta di Archimede che il dispositivo eolico 1 riceve in aria è maggiore del peso del dispositivo eolico 1, comprensivo anche della turbina eolica 3. To bring the wind device 1 into operating condition, the internal chamber 26 of the inflatable annular body 2 is filled with a gas lighter than air, for example with helium. The internal chamber 26 is dimensioned in such a way that, when the annular body 2 is inflated and full of this gas, the Archimedes thrust that the wind device 1 receives in the air is greater than the weight of the wind device 1, also including the wind turbine. 3.

Pertanto, il corpo anulare 2 (con la turbina eolica 3 montata nella apertura centrale 25) galleggia in aria e rimane vincolato alla struttura di ancoraggio 90 tramite il sistema di trattenimento 4. In altre parole, il corpo anulare 2 si solleva nell’aria fino a raggiungere una quota H, che dipende anche dalla lunghezza dell’elemento tirante flessibile 41. Therefore, the annular body 2 (with the wind turbine 3 mounted in the central opening 25) floats in the air and remains constrained to the anchoring structure 90 by means of the retention system 4. In other words, the annular body 2 rises in the air until to reach a height H, which also depends on the length of the flexible tie element 41.

In condizione operativa, il dispositivo eolico 1 lavora come un aquilone, mettendosi sempre contro il vento (indicato schematicamente con il numero di riferimento 8 in Figura 1). La prima faccia anulare 21 del corpo anulare 2 è destinata ad essere rivolta verso il vento (cioè è investita dal vento in arrivo), mentre la seconda faccia anulare 22 è opposta alla prima faccia 21 e quindi vede il vento che si allontana dal corpo anulare 2. In operating condition, the wind device 1 works like a kite, always putting itself against the wind (schematically indicated with the reference number 8 in Figure 1). The first annular face 21 of the annular body 2 is intended to face the wind (i.e. it is hit by the incoming wind), while the second annular face 22 is opposite to the first face 21 and therefore sees the wind moving away from the annular body 2.

In condizione operativa, la prima faccia anulare 21 e la seconda faccia anulare 22 del corpo anulare 2 sono sostanzialmente verticali, cioè l’asse longitudinale centrale 200 è sostanzialmente orizzontale. La prima faccia anulare 21 è sostanzialmente perpendicolare al vento 8 in arrivo, cioè l’asse longitudinale centrale 200 è sostanzialmente parallelo alla direzione del vento 8. In operating condition, the first annular face 21 and the second annular face 22 of the annular body 2 are substantially vertical, i.e. the central longitudinal axis 200 is substantially horizontal. The first annular face 21 is substantially perpendicular to the incoming wind 8, that is, the central longitudinal axis 200 is substantially parallel to the direction of the wind 8.

Il dispositivo eolico 1 è configurato per convogliare una porzione di vento 8 verso l’apertura centrale 25, per fare ruotare il rotore 30 della turbina eolica 3. The wind device 1 is configured to convey a portion of wind 8 towards the central opening 25, to rotate the rotor 30 of the wind turbine 3.

Ciò è ottenuto grazie alla forma toroidale del corpo anulare 2. La superficie della prima faccia anulare 21 è maggiore della superficie della apertura centrale 25 e quindi riceve una portata di vento 8 che è ben maggiore della portata che investirebbe la sola apertura centrale 25 in assenza del corpo anulare 2. Una parte rilevante di tale portata di vento 8 viene deviata dalla forma toroidale verso l’apertura centrale 25; in particolare, la prima faccia 21 ha una superficie che, in sezione radiale, è curva e per una sua parte rilevante (compresa tra l’apertura centrale 25 e il culmine della prima faccia 21 alla metà del diametro D20) è configurata per deviare il vento 8 verso l’apertura centrale 25. This is achieved thanks to the toroidal shape of the annular body 2. The surface of the first annular face 21 is larger than the surface of the central opening 25 and therefore receives a wind flow 8 which is much greater than the flow rate that would affect only the central opening 25 in the absence of the annular body 2. A significant part of this wind flow 8 is deflected from the toroidal shape towards the central opening 25; in particular, the first face 21 has a surface which, in radial section, is curved and for a significant part of it (between the central opening 25 and the apex of the first face 21 at half the diameter D20) is configured to deflect the wind 8 towards the central opening 25.

In altre parole la turbina eolica 3, sulla sezione S2 dove si trova il corpo anulare 2, è investita da una portata di vento 8 che è captata dal corpo anulare 2 su una grande superficie, ben maggiore della sezione della sola turbina eolica 3. Tale portata di vento 8 che giunge alla turbina 3 ha una velocità che è aumentata rispetto alla velocità del vento in una sezione S1 prima del corpo anulare 2 (si veda la Figura 6). In una sezione S3 dopo il corpo anulare 2 la velocità del vento è ridotta perché ha ceduto energia cinetica alla turbina eolica 3. In other words, the wind turbine 3, on the section S2 where the annular body 2 is located, is hit by a wind flow 8 which is captured by the annular body 2 over a large surface, much greater than the section of the wind turbine 3 alone. wind flow 8 reaching the turbine 3 has a speed which is increased with respect to the wind speed in a section S1 before the annular body 2 (see Figure 6). In a section S3 after the annular body 2 the wind speed is reduced because it has transferred kinetic energy to the wind turbine 3.

In sostanza, grazie alla forma toroidale, il corpo anulare 2 si comporta da acceleratore di vento: la velocità del vento che arriva alla turbina eolica 3 è maggiore della velocità del vento che arriverebbe alla turbina eolica 3 in assenza di corpo anulare toroidale 2. A parità di dimensioni della turbina eolica 3, è quindi possibile trasformare una maggiore quantità di energia eolica in energia elettrica. La turbina eolica 3 trasforma l’energia cinetica del vento in energia meccanica di rotazione del rotore 30, che a sua volta è trasformata in energia elettrica dal generatore elettrico collegato al rotore 30. L’energia elettrica prodotta è trasmessa al suolo 9 tramite un cavo elettrico che è attaccato e supportato dal sistema di trattenimento 4; ad esempio il cavo elettrico corre lungo l’elemento tirante flessibile 41. Basically, thanks to the toroidal shape, the annular body 2 acts as a wind accelerator: the wind speed that reaches the wind turbine 3 is greater than the wind speed that would reach the wind turbine 3 in the absence of a toroidal annular body 2. A equal size of the wind turbine 3, it is therefore possible to transform a greater quantity of wind energy into electricity. The wind turbine 3 transforms the kinetic energy of the wind into mechanical rotation energy of the rotor 30, which in turn is transformed into electrical energy by the electrical generator connected to the rotor 30. The electrical energy produced is transmitted to the ground 9 via a cable electric which is attached and supported by the restraint system 4; for example the electric cable runs along the flexible tie element 41.

L’inventore dell’oggetto della presente divulgazione ha compreso che l’aumento di velocità del vento è correlato al rapporto tra il raggio massimo R2 e il raggio minimo R25 della forma toroidale del corpo anulare 2. Egli ha rilevato che l’aumento di velocità del vento è particolarmente significativo per un rapporto tra raggio massimo R2 e raggio minimo R25 che è maggiore o uguale a 2,4. The inventor of the subject of the present disclosure has understood that the increase in wind speed is related to the ratio of the maximum radius R2 to the minimum radius R25 of the toroidal shape of the annular body 2. He found that the increase in speed wind is particularly significant for a ratio between maximum radius R2 and minimum radius R25 which is greater than or equal to 2.4.

Ancora più in particolare, l’inventore ha rilevato che l’incremento è assai vantaggioso per un rapporto tra raggio massimo R2 e raggio minimo R25 che è maggiore o uguale al valore di 6,12. Per questo valore del rapporto, la velocità del vento può essere incrementata per un fattore pari a 1,7 – 1,8. Even more specifically, the inventor found that the increase is very advantageous for a ratio between the maximum radius R2 and the minimum radius R25 which is greater than or equal to the value of 6.12. For this ratio value, the wind speed can be increased by a factor of 1.7 - 1.8.

L’effetto di ciò è illustrato nel seguito. The effect of this is illustrated below.

La potenza elettrica ricavabile in una turbina eolica di una centrale elettrica a sistema aperto (come un parco eolico tradizionale) è calcolabile con la seguente formula: The electrical power that can be obtained in a wind turbine of an open system power plant (such as a traditional wind farm) can be calculated with the following formula:

dov e: where is it:

P è la potenza elettrica ricavabile [Watt]; P is the obtainable electrical power [Watt];

ρ è la densità dell’aria [kg/m<3>]; ρ is the air density [kg / m <3>];

η è un fattore di efficienza che tiene conto delle perdite di sistema della turbina; esso può essere tra 0 e 0,59; un valore tipico per una turbina eolica è η = 0,45; η is an efficiency factor that takes into account the turbine system losses; it can be between 0 and 0.59; a typical value for a wind turbine is η = 0.45;

A è la superficie coperta dalla turbina eolica in movimento [m<2>]; A is the surface covered by the moving wind turbine [m <2>];

v(H)è la velocità dell’aria [m/s] in quota all’altezza H [m]. v (H) is the air speed [m / s] at altitude at height H [m].

Una approssimazione per v(H)è ricavabile dalla seguente formula: An approximation for v (H) can be obtained from the following formula:

dove: where is it:

vtè la velocità all’altezza di un metro da terra [m/s]; vt is the speed at a height of one meter from the ground [m / s];

H è l’altezza alla quale si calcola la velocità [m]; H is the height at which the speed [m] is calculated;

h1 vale 1 metro [m]; h1 is 1 meter [m];

z è un valore empirico di frenatura derivato dalle caratteristiche della superficie del terreno [m]. z is an empirical braking value derived from the characteristics of the ground surface [m].

Si consideri una turbina eolica con un raggio R3 = 5 metri e posta ad una quota H di 100 m. Si consideri una densità dell’aria ρ=1,124 kg/m<3>, un fattore di efficienza η = 0,45, un valore empirico di frenatura terreno z=0,055 m, una velocità del vento a 1 metro pari a vt=5 m/s. Consider a wind turbine with a radius R3 = 5 meters and placed at an altitude H of 100 m. Consider an air density ρ = 1.124 kg / m <3>, an efficiency factor η = 0.45, an empirical ground braking value z = 0.055 m, a wind speed at 1 meter equal to vt = 5 m / s.

La superficie coperta dalla turbina è: The surface covered by the turbine is:

La velocità del vento alla quota H è di: The wind speed at altitude H is:

Un dispositivo eolico tradizionale avente un rotore con raggio di 5 metri e montato su una torre alta 100 metri produrrebbe una potenza elettrica di: A traditional wind device having a rotor with a radius of 5 meters and mounted on a tower 100 meters high would produce an electrical power of:

Si consideri un dispositivo eolico 1 secondo la presente divulgazione, con una turbina 3 con un raggio R3 di 5 metri e con un rapporto R2/R25 di 6,12, per il quale si ha un fattore f di incremento di velocità pari a 1,7. Il raggio R25 è uguale al raggio R3 della turbina 3, quindi R25 = 5 m; il raggio R2 è di 30,6 m. Consider a wind device 1 according to the present disclosure, with a turbine 3 with a radius R3 of 5 meters and with a ratio R2 / R25 of 6.12, for which there is a speed increase factor f equal to 1, 7. The radius R25 is equal to the radius R3 of the turbine 3, therefore R25 = 5 m; the radius R2 is 30.6 m.

Se il corpo anulare 2 è tenuto galleggiante nell’aria ad una quota H di 100 m, la velocità v3del vento che arriva alla turbina 3 è: If the annular body 2 is kept floating in the air at an altitude H of 100 m, the speed v3 of the wind arriving at turbine 3 is:

La potenza elettrica che può essere prodotta dal dispositivo eolico 1 è quindi di: The electrical power that can be produced by the wind device 1 is therefore:

Pertanto, a parità di dimensione di turbina, la potenza elettrica prodotta dal dispositivo eolico 1 è moltiplicata quasi di cinque volte rispetto ad un dispositivo eolico tradizionale. Ciò è ottenuto grazie al fatto che il dispositivo eolico 1 secondo la presente divulgazione sfrutta la potenza del vento su una area maggiore, incanalando e accelerando il vento verso la turbina 3. Therefore, with the same turbine size, the electric power produced by the wind device 1 is multiplied by almost five times with respect to a traditional wind device. This is achieved thanks to the fact that the wind device 1 according to the present disclosure exploits the power of the wind over a larger area, channeling and accelerating the wind towards the turbine 3.

Poiché nella formula per il calcolo della potenza la velocità dell’aria nella zona della turbina è elevata al cubo, un aumento della velocità porta ad un grande aumento della potenza ricavabile. Since in the formula for calculating the power, the speed of the air in the turbine area is elevated to the cube, an increase in speed leads to a large increase in the obtainable power.

Per produrre la stessa potenza di un dispositivo eolico 1 secondo la presente divulgazione, un dispositivo tradizionale dovrebbe impiegare una turbina con un raggio di circa 11 metri invece che di 5 metri, con un grande aumento dei costi di costruzione e di installazione. To produce the same power as a wind device 1 according to the present disclosure, a traditional device would have to employ a turbine with a radius of about 11 meters instead of 5 meters, with a large increase in construction and installation costs.

La Figura 7 mostra l’andamento delle velocità del vento nella zona del corpo anulare toroidale 2, in una simulazione di calcolo che prevede una rotazione del rotore 30 a 400 giri al minuto ed una velocità di vento nella sezione S1 di 20 m/s. Il vento 8 in arrivo ha la direzione indicata dalla freccia, cioè arriva dalla parte superiore della Figura 7. La velocità massima del vento nella zona della turbina è di 54,71 m/s. Nella forma di realizzazione illustrata, il dispositivo eolico 1 comprende un contrappeso 5 fissato ad una regione di fondo del corpo anulare 2. Figure 7 shows the trend of wind speeds in the area of the toroidal annular body 2, in a calculation simulation that involves a rotation of the rotor 30 at 400 rpm and a wind speed in section S1 of 20 m / s. The incoming wind 8 has the direction indicated by the arrow, ie it comes from the top of Figure 7. The maximum wind speed in the turbine area is 54.71 m / s. In the illustrated embodiment, the wind device 1 comprises a counterweight 5 fixed to a bottom region of the annular body 2.

In particolare, il contrappeso 5 è posizionato sotto al corpo anulare 2, nella regione che è rivolta verso il suolo 9 quando il dispositivo eolico 1 è in condizione operativa. Il contrappeso 5 giace sostanzialmente sullo stesso piano sul quale ruota il rotore 30. Il contrappeso 5 è utile per mantenere il corpo anulare 2 in posizione sostanzialmente verticale (cioè, con le facce anulari 21, 22 sostanzialmente verticali), contribuendo anche ad evitare che il corpo anulare 2 ruoti attorno all’asse longitudinale centrale 200. In particular, the counterweight 5 is positioned under the annular body 2, in the region which faces the ground 9 when the wind device 1 is in operating condition. The counterweight 5 lies substantially on the same plane on which the rotor 30 rotates. The counterweight 5 is useful for keeping the annular body 2 in a substantially vertical position (ie, with the annular faces 21, 22 substantially vertical), also helping to prevent the annular body 2 rotates around the central longitudinal axis 200.

Il peso del contrappeso 5 è stabilito sulla base di un calcolo di equilibrio dinamico dell’insieme del dispositivo eolico 1, per ottenere il comportamento dinamico descritto nel seguito. Il peso del contrappeso 5 dipende quindi anche dalla grandezza del corpo anulare toroidale 2. The weight of the counterweight 5 is established on the basis of a calculation of the dynamic equilibrium of the whole of the wind device 1, to obtain the dynamic behavior described below. The weight of the counterweight 5 therefore also depends on the size of the toroidal annular body 2.

Nella forma di realizzazione illustrata, il sistema di trattenimento 4 comprende due porzioni tiranti flessibili 45, 46 che sono fissate al corpo anulare 2 in regioni opposte della stessa faccia. In particolare, le due porzioni tiranti flessibili 45, 46 sono fissate a regioni opposte della prima faccia anulare 21 che è destinata ad essere rivolta verso il vento 8. In the illustrated embodiment, the retaining system 4 comprises two flexible tie portions 45, 46 which are fixed to the annular body 2 in opposite regions of the same face. In particular, the two flexible tie portions 45, 46 are fixed to opposite regions of the first annular face 21 which is intended to be turned towards the wind 8.

Le due porzioni tiranti flessibili 45, 46 si estendono da tali regioni opposte verso la struttura di ancoraggio 90 e, in particolare, sono collegate ad un elemento tirante flessibile 41 che viene agganciato alla struttura di ancoraggio 90. The two flexible tie rod portions 45, 46 extend from these opposite regions towards the anchoring structure 90 and, in particular, are connected to a flexible tie element 41 which is hooked to the anchoring structure 90.

In altre parole, il sistema di trattenimento 4 comprende una fune flessibile 40 che ha una prima estremità con una biforcazione formata dalle due porzioni tiranti flessibili 45, 46 ed una seconda estremità che è atta ad essere fissata alla struttura di ancoraggio 90. La fune flessibile 40 è quindi una fune biforcata. In other words, the restraint system 4 comprises a flexible cable 40 which has a first end with a bifurcation formed by the two flexible tie portions 45, 46 and a second end which is adapted to be fixed to the anchoring structure 90. The flexible cable 40 is therefore a bifurcated rope.

In particolare, le due porzioni tiranti flessibili 45, 46 sono fissate al corpo anulare 2 in regioni che sono al di sotto di un piano di simmetria 250 del corpo anulare 2. Il piano di simmetria 250 è un piano che contiene l’asse longitudinale centrale 200 e che, quando il dispositivo eolico 1 è in condizione operativa, è sostanzialmente orizzontale. In particular, the two flexible tie-rod portions 45, 46 are fixed to the annular body 2 in regions which are below a plane of symmetry 250 of the annular body 2. The plane of symmetry 250 is a plane that contains the central longitudinal axis 200 and that, when the wind device 1 is in operating condition, it is substantially horizontal.

Le due porzioni tiranti flessibili 45, 46 sono fissate al corpo anulare 2 in punti di attacco 450, 460 che sono sotto al piano di simmetria 250, dal quale si distanziano per una distanza D4. The two flexible tie-rod portions 45, 46 are fixed to the annular body 2 at attachment points 450, 460 which are below the plane of symmetry 250, from which they are spaced by a distance D4.

Ciò significa che, quando il dispositivo eolico 1 è in condizione operativa e il corpo anulare 2 è soggetto all’azione del vento, la porzione di prima faccia 21 che è ad una quota più alta dei punti di attacco 450, 460 ha una estensione maggiore della porzione di prima faccia 21 che è ad una quota più bassa dei punti di attacco 450, 460. Di conseguenza, l’azione del vento 8 non è perfettamente bilanciata rispetto al piano orizzontale che contiene i punti di attacco 450, 460 e c’è un momento di forza residuo che tende a fare ruotare il corpo anulare 2 in senso antiorario in Figura 2, cioè riducendo l’angolo α tra il corpo anulare 2 e il sistema di trattenimento 4. In altre parole, il momento di forza residuo tende ad inclinare il corpo anulare 2 in modo che il corpo anulare 2 riceva meno vento (riducendo la sezione verticale esposta al vento) e sia spinto verso il basso. L’azione del momento di forza residuo è contrastata dal contrappeso 5. This means that, when the wind device 1 is in operating condition and the annular body 2 is subject to the action of the wind, the portion of the first face 21 which is at a higher altitude than the attachment points 450, 460 has a greater extension of the portion of the first face 21 which is at a lower altitude than the attachment points 450, 460. Consequently, the action of the wind 8 is not perfectly balanced with respect to the horizontal plane which contains the attachment points 450, 460 and c ' is a residual force moment that tends to make the annular body 2 rotate counterclockwise in Figure 2, i.e. reducing the angle α between the annular body 2 and the holding system 4. In other words, the residual force moment tends to incline the annular body 2 so that the annular body 2 receives less wind (reducing the vertical section exposed to the wind) and is pushed downwards. The action of the residual moment of force is opposed by the counterweight 5.

In pratica, il corpo anulare 2 è vincolato al suolo 9 tramite una fune biforcata 40 che è fissata al corpo anulare 2 leggermente al di sotto del baricentro della forma toroidale. In practice, the annular body 2 is constrained to the ground 9 by means of a bifurcated cable 40 which is fixed to the annular body 2 slightly below the center of gravity of the toroidal shape.

Anche la posizione di fissaggio della fune biforcata 40 al corpo anulare 2 è stabilita sulla base di un calcolo di equilibrio dinamico dell’insieme del dispositivo eolico 1. Le regioni di fissaggio (cioè i punti di attacco 450, 460) delle due porzioni tiranti flessibili 45, 46 ed il peso del contrappeso 5 sono scelti in modo tale che, in condizione operativa, il corpo anulare 2 sia disposto con dette prima faccia anulare 21 e seconda faccia anulare 22 che sono sostanzialmente verticali quando il vento 8 ha una velocità inferiore ad una massima velocità di progetto. In questa condizione, detto momento di forza residuo non riesce a vincere il contrasto esercitato dal contrappeso 5. Il contrappeso 5 tiene il sistema in asse verticale. The fixing position of the bifurcated rope 40 to the annular body 2 is also established on the basis of a calculation of the dynamic equilibrium of the whole of the wind device 1. The fixing regions (i.e. the attachment points 450, 460) of the two flexible tie rod portions 45, 46 and the weight of the counterweight 5 are chosen in such a way that, in the operating condition, the annular body 2 is arranged with said first annular face 21 and second annular face 22 which are substantially vertical when the wind 8 has a speed lower than a maximum design speed. In this condition, said residual force moment cannot overcome the contrast exerted by the counterweight 5. The counterweight 5 keeps the system in a vertical axis.

Quando il vento 8 ha una velocità superiore ad una massima velocità di progetto, il momento di forza residuo riesce a vincere il contrappeso 5 e il corpo anulare 2 si inclina, cioè si dispone con la prima faccia anulare 21 e la seconda faccia anulare 22 che sono inclinate rispetto alla verticale. In altre parole, se il vento 8 in arrivo supera la velocità di progetto, il momento causato dalla pressione di tale vento sulla struttura toroidale 2 implica la rotazione dell’intera struttura toroidale 2 attorno all’asse 400 formato dai punti di attacco 450, 460 (Figura 3), mettendo cosi il centro fuori vento e riducendo automaticamente il vento sulla turbina 3. When the wind 8 has a speed higher than a maximum design speed, the residual moment of force manages to overcome the counterweight 5 and the annular body 2 tilts, i.e. it arranges itself with the first annular face 21 and the second annular face 22 which they are inclined with respect to the vertical. In other words, if the incoming wind 8 exceeds the design speed, the moment caused by the pressure of that wind on the toroidal structure 2 implies the rotation of the entire toroidal structure 2 around the axis 400 formed by the attachment points 450, 460 (Figure 3), thus putting the center out of the wind and automatically reducing the wind on the turbine 3.

Ciò permette di eliminare la necessità di prevedere freni per il rotore 30 della turbina 3 o pale girevoli su se stesse per ridurre l’azione del vento. Infatti, quando il vento è eccessivo il sistema di autoregola: l’inclinazione del corpo anulare 2 riduce il vento che arriva alla turbina 3 ed inoltre si determina una spinta verso il basso che agisce sul corpo anulare 2, portandolo ad una quota più bassa dove il vento è meno forte. Raggiunta nuovamente la velocita di vento ideale per la turbina 3, il contrappeso 5 riporta il corpo anulare 2 in asse verticale, producendo così di nuovo l’energia massima realizzabile. This eliminates the need to provide brakes for the rotor 30 of the turbine 3 or blades rotating on themselves to reduce the action of the wind. In fact, when the wind is excessive, the self-regulating system: the inclination of the annular body 2 reduces the wind that reaches the turbine 3 and also causes a downward thrust which acts on the annular body 2, bringing it to a lower altitude where the wind is less strong. Once the ideal wind speed for the turbine 3 has been reached, the counterweight 5 brings the annular body 2 back to the vertical axis, thus again producing the maximum achievable energy.

Il dispositivo eolico 1 comprende anche un sistema di sicurezza 58, montato ad esempio alla sommità del corpo anulare 2, che include un sensore di accelerazione ed un paracadute. Il sistema di sicurezza 58 è configurato per azionare il paracadute quando un valore di accelerazione del corpo anulare 2 verso il basso è superiore ad un valore di soglia. Ciò permette di rallentare la velocità di caduta del dispositivo eolico 1 nel caso in cui si verifichi una rottura del corpo anulare 2 e/o una eccessiva perdita di gas. The wind device 1 also comprises a safety system 58, mounted for example at the top of the annular body 2, which includes an acceleration sensor and a parachute. The safety system 58 is configured to operate the parachute when an acceleration value of the annular body 2 downwards is higher than a threshold value. This makes it possible to slow down the falling speed of the wind device 1 in the event of a rupture of the annular body 2 and / or an excessive loss of gas.

Il rischio che si verifichi una eccessiva perdita di gas è ridotto nel caso in cui la camera interna 26 del corpo anulare 2 sia suddivisa in una pluralità di segmenti o sotto-camere tra loro non comunicanti e che possono essere gonfiate o sgonfiate separatamente le une dalle altre, come precedentemente descritto. In questo caso, infatti, la sicurezza di volo è aumentata: se un segmento ha una perdita di gas, i restanti segmenti garantiscono che il corpo anulare 2 rimanga in volo. The risk of excessive gas loss occurring is reduced if the internal chamber 26 of the annular body 2 is divided into a plurality of segments or sub-chambers which are not communicating with each other and which can be inflated or deflated separately from each other. others, as previously described. In this case, in fact, flight safety is increased: if a segment has a gas leak, the remaining segments ensure that the annular body 2 remains in flight.

Si riportano schematicamente di seguito alcuni vantaggi dell’oggetto della presente divulgazione: Some advantages of the object of this disclosure are schematically shown below:

- Dimensioni della turbina: a pari diametro delle pale eoliche e a pari altezza operativa, si riesce a produrre maggiore energia rispetto ai sistemi noti, grazie al fatto che la forma toroidale del corpo anulare 2 permette di incrementare la velocità dell’aria nella zona della turbina. Scegliendo un rapporto tra raggio esterno R2 e raggio interno R25 che è maggiore o uguale a 6,12, si ha il massimo aumento di velocità, che è pari a 1,7 – 1,8 volte la velocita preesistente. Il corpo anulare 2, quindi, non solo permette di portare la turbina alla quota scelta, ma incrementa anche la velocita del vento che arriva alla turbina. - Dimensions of the turbine: at the same diameter of the wind blades and at the same operating height, it is possible to produce more energy than known systems, thanks to the fact that the toroidal shape of the annular body 2 allows to increase the speed of the air in the turbine area . By choosing a ratio between the external radius R2 and the internal radius R25 that is greater than or equal to 6.12, the maximum speed increase is obtained, which is equal to 1.7 - 1.8 times the pre-existing speed. The annular body 2, therefore, not only allows the turbine to be brought to the chosen altitude, but also increases the speed of the wind reaching the turbine.

- Costanza di produzione energetica: andando a quote più alte si trovano venti più veloci e costanti. - Constancy of energy production: going to higher altitudes there are faster and more constant winds.

- Semplicità strutturale: il corpo anulare gonfiabile 2 è realizzato in materiale flessibile e deformabile. Per questo motivo non servono rinforzi rigidi pesanti e costosi, che sono invece richiesti quando si realizza una torre eolica. - Structural simplicity: the inflatable annular body 2 is made of flexible and deformable material. For this reason, there is no need for heavy and expensive rigid reinforcements, which are required when building a wind tower.

- Non sono richiesti sistemi complicati di freno della turbina o di reimpostazione delle pale: quando il vento supera un valore massimo, il corpo anulare 2 si inclina sull’asse formata dai punti di attacco 450, 460, evitando cosi danni al sistema. Scendendo di quota e raggiungendo la velocita ideale di vento per la turbina, il contrappeso 5 riporta il corpo anulare 2 in asse verticale e ristabilisce una condizione operativa ottimale. - No complicated brake systems for the turbine or for resetting the blades are required: when the wind exceeds a maximum value, the annular body 2 tilts on the axis formed by the attachment points 450, 460, thus avoiding damage to the system. By descending in altitude and reaching the ideal wind speed for the turbine, the counterweight 5 brings the annular body 2 back to the vertical axis and re-establishes an optimal operating condition.

- Forma semplice: la forma toroidale scelta è facilmente producibile e gonfiabile. - Scalabilità: mantenendo un predetto rapporto tra raggio esterno e raggio interno, si possono produrre dispositivi 1 di varie misure in relazione all’energia che si vuole produrre. - Simple shape: the chosen toroidal shape is easily manufactured and inflatable. - Scalability: by maintaining a predicted ratio between external and internal radius, devices 1 of various sizes can be produced in relation to the energy to be produced.

- Trasportabilità e mobilità: il sistema è facilmente trasportabile e movibile in altre posizioni. Ciò è ideale ad esempio in capo militare, quando un esercito deve instaurare un nuovo campo, o su una nave per coprire le necessita di consumo elettrico. - Portability and mobility: the system is easily transportable and movable to other positions. This is ideal for example in the military chief, when an army has to establish a new camp, or on a ship to cover the needs of electricity consumption.

Si noti che il principio di funzionamento dell’oggetto della presente divulgazione non è basato sull’effetto Venturi. Infatti questo effetto funziona solo in sistemi chiusi, come lo è per esempio un tubo, e prevede che la quantità di flusso sia costante. In sistemi aperti l'effetto Venturi è molto ridotto e non permette di raggiungere gli incrementi di velocità qui descritti. Note that the operating principle of the object of this disclosure is not based on the Venturi effect. In fact, this effect only works in closed systems, such as a pipe, and requires the amount of flow to be constant. In open systems the Venturi effect is very small and does not allow to reach the speed increases described here.

La forma toroidale qui descritta accelera il vento grazie alla sua stessa forma; con detto rapporto tra raggio esterno e raggio interno, si arriva ad incrementare la velocità del vento fino ad un fattore 1,8. The toroidal shape described here accelerates the wind thanks to its own shape; with said ratio between the external radius and the internal radius, the wind speed is increased up to a factor of 1.8.

L'oggetto della presente divulgazione è stato fin qui descritto con riferimento a sue forme di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell'ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito esposte. The object of the present disclosure has been described up to now with reference to its embodiments. It is to be understood that other embodiments may exist which pertain to the same inventive core, all falling within the protection scope of the claims set out below.

Claims

CLAIMS 1. Wind device (1) for the exploitation of wind energy, comprising: - an annular body (2) which delimits a central opening (25), the annular body (2) having an internal chamber (26) capable of being filled with a gas lighter than air; - a wind turbine (3) positioned in the central opening (25), the wind turbine having a rotor (30); - a retention system (4) comprising at least one flexible tie element (40, 41, 45, 46) to constrain the annular body (2) to an anchoring structure (90); in which, in an operating condition, the internal chamber (26) is filled with a gas lighter than air and the annular body (2) floats in the air remaining bound to the anchoring structure (90), the wind device (1) being configured to convey a portion of wind (8) towards the central opening (25) to rotate the rotor (30) of the wind turbine (3), the annular body (2) having a first annular face (21) intended to face the wind (8), and a second annular face (22) opposite the first annular face (21), in which the annular body (2) has a substantially toroidal shape, said toroidal shape having an outer radius (R2) corresponding to a maximum radius of the annular body (2), and an inner radius (R25) or minimum radius corresponding to a radius of the central opening (25).

Wind device (1) according to claim 1, wherein the ratio between said outer radius (R2) and said inner radius (R25) is greater than or equal to 2.4.

Wind device (1) according to claim 2, wherein the ratio between said outer radius (R2) and said inner radius (R25) is greater than or equal to 6.12.

Wind device (1) according to any one of claims 1 to 3, wherein the annular body (2) has a circular toroidal shape, a radial section (20) of the annular body (2) having a circular shape with a diameter (D20) equal to the difference between said outer radius (R2) and said inner radius (R25).

Wind device (1) according to any one of claims 1 to 4, wherein the holding system (4) comprises two flexible tie-rod portions (45, 46) which are fixed to the annular body (2) in fastening regions ( 450, 460) and are configured to extend towards the anchoring structure (90) from opposite regions of said first annular face (21).

Wind device (1) according to claim 5, wherein the restraint system (4) comprises a flexible cable (40), a first end of the flexible cable (40) having a bifurcation formed by said two flexible tie portions (45 , 46), and a second end of the flexible cable (40) being adapted to be fixed to the anchoring structure (90).

Wind device (1) according to claim 5 or 6, in which the two flexible tie-rod portions (45, 46) are fixed below a plane of symmetry (250) of the annular body (2), said plane of symmetry (250) being substantially horizontal when the wind device (1) is in the operating condition.

Wind device (1) according to any one of claims 1 to 7, comprising a counterweight (5) fixed to a bottom region of the annular body (2).

Wind device (1) according to claims 7 and 8, wherein the fixing regions (450, 460) of the two flexible tie rod portions (45, 46) and a weight of the counterweight (5) are selected in such a way that, in the operating condition, the annular body (2) is arranged with said first annular face (21) and second annular face (22) which are substantially vertical when the wind (8) has a speed lower than a maximum design speed, and which the annular body (2) is arranged with said first annular face (21) and second annular face (22) which are inclined when the wind (8) has a speed higher than a maximum design speed.

Wind device (1) according to any one of claims 1 to 9, further comprising a safety system (58) including an acceleration sensor and a safety gear, the safety system (58) being configured to operate the safety gear when a acceleration value of the annular body (2) downwards is higher than a threshold value.

Wind device (1) according to any one of claims 1 to 10, wherein the internal chamber (26) is divided into a plurality of sub-chambers, said sub-chambers being not communicating with each other.

Wind device (1) according to any one of claims 1 to 11, wherein the wind turbine (3) has a radius (R3) equal to said inner radius (R25) of the annular body (2), the wind turbine ( 3) extending over the entire cross section of the central opening (25) of the annular body (2).