CH649817A5 - Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica per la produzione di energia elettrica a frequenza costante. - Google Patents
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Description
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica per la produzione di energia elettrica a frequenza costante. 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 condizionanti, e spesso risultano costosi sia per la loro realizzazione sia per il loro esercizio.
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 che in un determinato intervallo di velocità, e quindi con bassi valori di 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.
L'uso di un rotore eolico anche a pale fìsse (pertanto robusto e affidabile) richiede l'apporto di energia supplementare per mantenere al variare del vento la velocità del rotore eolico in condizioni di massimo sfruttamento dell'energia del vento.
Un rotore eolico a pale fisse può assorbire potenza del vento in condizioni ottimali ad una velocità angolare che dipende dalla velocità del vento. Pertanto se si vuole conservare le condizioni ottimali di assorbimento di potenza del vento è impossibile far girare a velocità costante un generatore elettrico direttamente connesso all'albero del rotore eolico.
Questo apporto di energia ausiliare può essere dato da un motore primo, ad esempio un motore di combustione interna, la cui alimentazione è asservita al mantenimento della velocità angolare desiderata.
Il dispositivo della presente invenzione prevede di accoppiare un rotore eolico ad un motore elettrico ausiliario a corrente continua e ad un generatore elettrico, ruotante a velocità costante, tramite un meccanismo sommatore di velocità angolari, costituito da un differenziale che ha il porta satelliti connesso al generatore ed i due semiassi connessi l'uno al motore elettrico ausiliario e l'altro al rotore eolico.
Più elementi elettrici interconnessi possono consentire una miglior modulazione del sistema ai fini del rendimento.
Segue una descrizione dei disegni, i quali rappresentano:
fig. 1 una realizzazione tipica del dispositivo secondo l'invenzione;
fig. 2 l'andamento della coppia (fig. 2a) e della potenza (fig. 2b) del rotore eolico al variare della sua velocità angolare;
fig. 3 l'andamento della coppia in funzione della velocità angolare ottenuto con una scelta particolare del motore elettrico; e fig. 4 l'andamento della coppia del sistema al variare della velocità del vento.
Per meglio chiarire lo spirito e la portata della presente invenzione, descriviamo qui una tipica sua realizzazione con riferimento alla fig. 1. L'accoppiamento meccanico dei tre elementi (generatore 2, motore elettrico 4, rotote eolico 1) è realizzato dal differenziale 3 che ha il porta satelliti connesso al generatore 2 ed i due semiassi connessi l'uno al motore elettrico 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 di 1 trasmettendo al generatore 2 una potenza pari alla somma delle due potenze istantanee di 4 e di 1 a velocità angolare costante.
La fig. 2 mostra l'andamento della coppia Z (fig. 2a) e della potenza Y (fig. 2b) del rotore eolico (a pale fisse) al variare della sua velocità angolare e per varie velocità del vento (Vi, V2, V3).
Nella fig. 2b è stata inoltre segnata la curva che unisce tutti i punti di potenza massima del rotore eolico. Nella fig. 2a è stata invece tracciata la curva analoga che unisce tutti i valori della coppia corrispondenti alla potenza massima.
Se viene permessa, al variare della velocità del vento, una variazione opportuna della velocità angolare del rotore eolico, esso potrà funzionare sempre in condizioni di massima potenza.
È possibile, con una opportuna scelta del motore elettrico e della sua caratteristica (coppia in funzione della velocità angolare) ottenere un andamento della coppia (Z') in funzione della velocità angolare (W') del tipo mostrato in fig. 3 e che risulta (a parte il cambio causato dal senso dell'asse W' rispetto a quello dell'asse W) perfettamente analoga alla curva mostrata in fig. 2a. Ciò è possibile, ad esempio, con un motore a corrente con5
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tinua ad eccitazione indipendente, in cui viene effettuata una regolazione coordinata sia della tensione di armatura sia della eccitazione in funzione della velocità angolare.
Se, pertanto, un siffatto motore elettrico viene accoppiato tramite il meccanismo sommatore di velocità angolare già illustrato in fig. 1 ad un rotore eolico e ad un generatore collegato ad una rete in cui la frequanza sia fissa, si realizzeranno le condizioni illustrate nella fig. 4 in cui abbiamo riportato nelle ascisse la velocità angolare W del rotore eolico da sinistra verso destra a partire da O e la velocità angolare del motore elettrico ausiliario da destra verso sinistra a partire da O'; nell'asse Z sono riportate le coppie del rotore eolico al variare della sua velocità angolare e per tre valori della velocità del vento (Vi, V2, V3), mentre nell'asse Z' sono riportate le coppie del motore elettrico al variare della sua velocità angolare. Il segmento OO' rappresenta la somma (costante) delle due velocità angolari, che, a mezzo del meccanismo sommatore viene trasmessa al generatore.
I punti segnati in fig. 4 con Pi, P2, P3 rappresentano punti di funzionamento stabile del sistema al variare della velocità del vento e, data la rispondenza fra la caratteristica del motore elettrico scelto e la curva della fig. 2a che unisce i punti in cui la coppia del rotore eolico corrisponde alla potenza massima dello stesso, si ha l'effetto che, al variare del vento, il rotore eolico così accoppiato al motore elettrico funzionerà sempre a potenza massima.
Qualora il sistema sia connesso ad utenze tramite un circuito non connesso ad altri generatori, sparisce l'effetto regolante della rete sulla frequenza, dovuto alla coppia sincronizzante del generatore e pertanto la somma delle velocità angolari dei due 5 motori (eolico ed elettrico), rappresentata in fig. 4 dal segmento OO', potrà essere tenuta costante solo mantenendo costante il carico complessivo sul generatore e ciò è possibile utilizzando una utenza di bassa priorità e quindi modulabile.
L'energia elettrica necessaria ad azionare il motore elettrico 10 ausiliario a corrente continua (motore 4 della fig. 1), può essere derivata dalla rete o in alternativa può essere prodotta dallo . stesso generatore 2 di fig. 1, raddrizzata e quindi alimentata al motore ausiliario.
Si può in alternativa, generare direttamente corrente conti-15 nua collegando al sistema anche una dinamo (oltre al generatore 2) con un sistema di batterie in tampone come sistema di accumulo.
La generazione di energia elettrica a corrente continua può 20 essere inoltre effettuata da un altro aeromotore a pale fisse di tipo tradizionale connesso ad un sistema di batterie e installato in un gruppo con uno o più altri aeromotori muniti del ritrovato della presente invenzione. È possibile infine prevedere produzione di corrente continua con un generatore fotovoltaico con-25 nesso al sistema.
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3 fogli disegni
Claims (9)
1. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica per la produzione di energia elettrica a frequenza costante, caratterizzato dal fatto che un rotore eolico è accoppiato ad un motore elettrico ausiliario a corrente continua e ad un generatore ruotante a velocità angolare costante, tramite un meccanismo som-matore di velocità angolari, costituito da un differenziale che ha il porta satelliti connesso al generatore ed i due semiassi connessi l'uno al motore elettrico ausiliario e l'altro al rotore eolico.
2. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica per la produzione di energia elettrica a frequenza costante, come da rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il motore elettrico ausiliario ha una coppia variabile con la velocità angolare che mantiene il rotore eolico alla velocità in condizioni di massima potenza.
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RIVENDICAZIONI
3. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica come da rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il motore elettrico ausiliario a corrente continua è ad eccitazione indipendente in cui viene effettuata una regolazione coordinata sia della tensione di armatura sia della eccitazione in funzione della velocità angolare.
4. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica come da una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'alimentazione al motore elettrico ausiliario a corrente continua è derivata dalla rete, raddrizzata e alimentata al motore stesso.
5. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica come da una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'alimentazione al motore elettrico ausiliario a corrente continua è derivata dallo stesso generatore, raddrizzata e alimentata al motore stesso.
6. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica come da una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'alimentazione al motore elettrico ausiliario a corrente continua è prodotta da una dinamo collegata al dispositivo stesso.
7. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica come da una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'alimentazione al motore elettrico ausiliario a corrente continua è prodotta da un aeromotore ausiliario connesso al dispositivo stesso.
8. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica come da una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'alimentazione al motore elettrico ausiliario a corrente continua è ottenuta da un impianto fotovoltaico.
9. Dispositivo per l'utilizzazione dell'energia eolica come da una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'alimentazione al motore elettrico ausiliario a corrente continua è connessa ad un gruppo di batterie di accumulo d'energia.
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