CH648907A5 - Dispositivo per la produzione di energia elettrica a frequenza costante a partiere dall'energia eolica. - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la produzione di energia elettrica a frequenza costante a partire dall'energia eolica. La difficoltà principale che si deve affrontare quando si vuole utilizzare l'energia eolica per la produzione di energia elettrica deriva dalla estrema variabilità del vento che mal si adatta a coprire una domanda di energia che segue logiche completamente differenti. Vari tipi di sistemi di accumulo sono stati ampiamente studiati e sperimentati con risultati anche buoni, ma essi impongono vincoli di sistema talvolta molto condizionati, e spesso risultano costosi sia per la loro realizzazione sia per il loro esercizio. Il dispositivo secondo la presente invenzione è caratterizzato dalla combinazione di elementi indicata nella rivendicazione 1. Uno sviluppo vantaggioso è dato nella rivendicazione dipendente.

Tale dispositivo permette la generazione di energia con caratteristiche più uniformi: si può dire che, entro certi limiti, il contributo del rotore eolico alla potenza totale prodotta tende a «scaricare» il motore ausiliario.

L'energia elettrica prodotta dal gruppo motore rotore eolico alternatore può venire inviata su una rete di utilizzazione in parallelo con una rete elettrica di grande potenza, regolata a frequenza costante, oppure può alimentare una rete locale a cui non siano connessi altri generatori. Nel primo caso le caratteristiche elettriche e meccaniche del sistema devono consentire un accoppiamento stabile e che non sia tale da penalizzare la rete per carichi reattivi. Utilizzando come fonte di energia esclusivamente quella eolica (accoppiamento diretto ruota eolica-generatore sincrono o a induzione-rete) ciò sarebbe possibile, non sfruttando però al massimo la potenza del vento in un determinato intervallo di velocità, e quindi con bassi valori del rendimento medio del sistema. Si può pensare di risolvere tale problema solo a patto di utilizzare dispositivi molto complessi (rotore a pale mobili, sistemi sofisticati di regolazione, ecc.) che inevitabilmente si risolvono in costi elevati di realizzazione e di manutenzione. Il dispositivo secondo la presente invenzione permette invece l'uso di un rotore eolico anche a pale fisse (pertanto robusto e affidabile) che viene accoppiato ad un motore ausiliario che potrà essere scelto di volta in volta in funzione delle disponibilità energetiche locali e a generatore elettrico. Per quanto riguarda l'allacciamento ad un rete di grande potenza verrà preferito un generatore sincrono.

In questo caso la rete (che da un punto di vista elettrico si comporta come un generatore ideale di tensione a frequenza costante) è in condizioni di assorbire tutta la potenza prodotta; la interazione fra campi rotanti statorico e rotorico dà luogo ad una coppia sincronizzante che richiede, come condizione necessaria per il mantenimento di uno stato stazionario, l'uguaglianza della velocità angolare dell'asse meccanico del generatore sincrono ad un ben determinato valore (velocità di sincronismo). La caratteristica della coppia sincronizzante è tale in genere da assicurare la stabilità di questo stato stazionario, una volta raggiunto dopo una manovra di messa in parallelo. Se il sistema deve alimentare solamente utenze isolate (azienda, edificio, fattoria ecc.) attraverso una rete locale, non connessa ad altri alternatori, si possono impiegare anche altri tipi di generatori elettrici che non siano macchine sincrone (es. generatori a induzione); in ogni caso il vincolo di produrre energia elettrica a frequenza costante richiede, per l'alimentazione di una rete isolata, un ulteriore dispositivo di regolazione di frequenza e la possibilità di disporre di mia utenza a bassa priorità, (ad esempio sistema di pompaggio acqua) da modulare, se necessario.

La fig. 1 mostra una realizzazione tipica della presente invenzione che viene riportata, a solo titolo esemplificativo e non limitativo.

La fig. 2 mostra l'andamento della coppia Z e della potenza Y generate dal rotore eolico (a pale fisse) per diversi valori della velocità del vento al variare della velocità angolare W del rotore eolico; nel diagramma delle potenze, fig. 2b, è stata inoltre tracciata una curva che unisce i punti di potenza massima del rotore eolico. La fig. 3 mostra l'andamento delle stesse grandezze (coppia Z e potenza Y) per un particolare tipo di motore ausiliario (motore a combustione interna) in funzione della sua velocità angolare X e per diversi valori dell'alimentazione.

La fig. 4 mostra le caratteristiche di funzionamento di un dispositivo di asservimento secondo l'invenzione: coppia Z (fig. 4A) e potenza Y (fig. 4B) al variare della velocità angolare W del rotore eolico, portata di alimentazione a del motore ausiliario al variare della sua velocità angolare X. La fig. 5 mostra una forma di realizzazione del dispositivo di asservimento della fig. 4.

Nella fig. 1, l'accoppiamento meccanico dei tre elementi generatore sincrono 2, motore ausiliario 4, rotore eolico 1 è realizzato come illustrato in detta fig. 1, in cui 3 è un differenziale che il porta-satelliti connesso al semiasse 2' del generatore 2 ed i due semiassi 4', 1' rispettivamente connesso l'uno al motore ausiliario 4 e l'altro al rotore eolico 1.

Con tale accoppiamento il differenziale opera come un sommatore di velocità angolari di modo che, variando opportunamente il numero di giri di 4', è possibile compensare le variazioni del numero di giri l'trasmettendo all'albero 2' del generatore sincrono 2 una potenza pari alla somma delle potenze istantanee di 4 e di 1 a velocità angolare costante. Per un particolare tipo di motore ausiliario (motore a combustione interna), data l'ampiezza del tratto di caratteristica sfruttabile (fig. 3) è possibile, per ogni determinata velocità del vento, portare il sistema ad assestarsi attorno a una situazione di regime stabile per cui la velocità angolare corrisponde ad un massimo di potenza meccanica all'albero dell'aeromotore. Ciò è realizzabile a mezzo di un asservimento dell'alimentazione del motore ausiliario 4 al numero di giri del suo semiasse 4' in modo che la sua velocità angolare X possa in ogni caso raggiungere il s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

648907

valore che corrisponde al valore desiderato della velocità angolare W del rotore eolico.

Più in dettaglio, se si tiene presente che, in caso di allacciamento ad una rete elettrica a frequenza fissa, per ogni funzionamento stabile a regime del sistema, deve essere necessariamente X + W = K = costante, è possibile ricavare le caratteristiche di funzionamento del detto dispositivo di asservimento con la seguente costruzione, che si riferisce alla fig. 4. Per ogni velocità del vento, esiste un ben deteiminato valore di W (ad esempio W*) a cui corrisponde la massima potenza estraibile dal rotore eolico (figura 4B); in quelle condizioni sull'albero eolico 1' è presente una certa coppia Z* (fig. 4A).

Le condizioni di equilibrio del differenziale impongono che l'albero 4' del motore a combustione interna 4 eserciti una coppia pari a Z*. Data una famiglia di curve caratteristiche nel caso che 4 sia, ad esempio, un motore diesel, è in generale possibile trovare una di queste curve corrispondente ad un determinato valore a* della portata di alimentazione per cui la coppia fornita sull'albero 4' uguaglia Z:S per una velocità angolare X* = K — W* (fig. 4A).

È quindi possibile tracciare per punti il grafico della fig. 4c che, in un determinato intervallo, fa corrispondere ad ogni valore di X = X* un valore a = a* della portata di alimentazione del motore primo (caratteristica di funzionamento del dispositivo di asservimento).

Una forma di realizzazione del dispositivo di asservimento, secondo la presente invenzione, è rappresentato in fig. 5, nel caso in cui 4 sia un motore diesel e 4' il suo albero, 5 il dispositivo tachimetrico disposto sull'albero 4' del motore 4, 6 l'iniettore dell'alimentazione del motore 4 e 7 il comando dell'iniettore. Il dispositivo tachimetro 5

viene rappresentato simbolicamente da un regolatore centrifuga a sfere ben conosciuto nello stato anteriore della tecnica. Se si volesse sfruttare tutto il campo possibile di venti, dai più leggeri ai più forti sarebbe necessario, nel primo 5 dei due casi considerati, utilizzare un motore ausiliario di potenza paragonabile alla massima potenza del rotore eolico, ed in tal caso con venti deboli si avrebbe una preponderanza della energia prodotta da 4 rispetto a quelle prodotta da 1. Ciò non è desiderabile perché la produzione di ener-ìo già elettrica viene ottenuta con rendimenti migliori da centrali di grosse dimensioni. Però, tagliando opportunamente la zona di utilizzazione (con una «messa al minimo» del complesso per venti molto deboli o con la «messa a bandiera» del rotore eolico per venti molto forti), è possibile 15 ripartire in media l'utilizzazione delle due fonti primarie di energia in modo di avere un 30% o meno derivante da 4 ed il rimanente da 1. Ciò porterebbe a ricavare una potenza media pari al triplo della potenza del motore a combustione interna installato, con evidente risparmio di fonti 20 energetiche tradizionali.

Nel caso in cui il complesso è collegato ad una rete locale, sia il rotore eolico sia il motore ausiliario devono avere una potenza nominale paragonabile alla potenza massima necessaria alla rete locale; il dispositivo di asservimen-25 to utilizzerà più o meno il motore ausiliario in funzione della potenza estraibile dall'aeromotore; l'equilibrio energetico estraibile dall'aeromotore; l'equilibrio energetico fra potenza prodotta e assorbita (condizione necessaria al mantenimento di qualsiasi regime stazionario) può essere otte-30 nuta, come già detto, modulando una utenza a bassa priorità mediante un ulteriore dispositivo di regolazione che avrà anche il compito di mantenere costante la velocità angolare del generatore elettrico.

v

2 fogli disegni

Claims (2)

648907 2 RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo per la produzione di energia elettrica a frequenza costante a partire dall'energia eolica, caratterizzato dal fatto che un rotore eolico (1) viene accoppiato ad un motore ausiliario (4) e ad un generatore elettrico (2), che viene tenuto a velocità costante, tramite un meccanismo sommatore di velocità angolari (3) costituito da un differenziale che ha il portasatelliti (3) connesso al semiasse (2') del generatore (2) ed i due semiassi (4', '1) rispettivamente connessi l'uno al motore ausiliario (4) e l'altro al rotore eolico (1).

2. Dispositivo per la produzione di energia elettrica a frequenza costante a partire dall'energia eolica, come da rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che, in modo da far funzionare il rotore eolico in condizioni di massimo rendimento, l'asservimento tra il numero di giri del rotore eolico e quelli del motore ausiliario per mantenere il numero di giri del generatore elettrico ad un valore costante viene realizzato per mezzo di un dispositivo tachimetrico (5) collegato con il semiasse (4') del motore ausiliario (4) e con il comando (6, 7) dell'alimentazione del motore ausiliario (4), il quale consente la regolazione dell'alimentazione per trasmettere al generatore sincrono (2) una potenza pari alla somma delle potenze istantanee del motore eolico (1) e del motore ausiliario (4).