IT201600100657A1

IT201600100657A1 - Production of compressed air by wind turbine

Info

Publication number: IT201600100657A1
Application number: IT102016000100657A
Authority: IT
Inventors: Michelino Belfiore; Angelis Umberto De
Original assignee: Ergo Wind S R L; Michelino Belfiore; Angelis Umberto De
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2018-05-02

Description

PRODUZIONE DI ARIA COMPRESSA MEDIANTE TURBINA EOLICA PRODUCTION OF COMPRESSED AIR BY WIND TURBINE

Ambito dell’innovazione Innovation area

Il trovato dell’innovazione attiene ad un sistema di conversione ed accumulo dell’energia eolica in energia pneumatica con recupero del calore prodotto durante la compressione. The innovation found relates to a system for converting and storing wind energy into pneumatic energy with recovery of the heat produced during compression.

Contesto e stato della tecnica Context and state of the art

Nei piccoli villaggi dispersi in vaste aree rurali, la produzione di energia elettrica attraverso piccoli impianti alimentati da fonti rinnovabili sembra essere la soluzione in grado di soddisfare i fabbisogni energetici essenziali. In small villages scattered over vast rural areas, the production of electricity through small plants powered by renewable sources seems to be the solution capable of satisfying essential energy needs.

Gli insediamenti ubicati in territori con determinate caratteristiche morfologiche, quali le coste, i canali e le catene montuose, dispongono di abbondante energia eolica che potrebbe rappresentare la principale fonte energetica. The settlements located in territories with certain morphological characteristics, such as coasts, canals and mountain ranges, have abundant wind energy which could represent the main energy source.

La domanda di energia elettrica è continua, varia in funzione delle ore del giorno e dei giorni dell’anno ed il suo andamento è abbastanza prevedibile. The demand for electricity is continuous, varies according to the hours of the day and the days of the year and its trend is quite predictable.

Il vento è una fonte energetica stabile di anno in anno ma imprevedibile e fortemente instabile su scala temporale giornaliera. Wind is a stable energy source from year to year but unpredictable and highly unstable on a daily time scale.

Per soddisfare la domanda di energia elettrica attraverso l’energia eolica è quindi indispensabile abbinare all’impianto di produzione un sistema di accumulo che consenta di immagazzinare l’energia prodotta dal vento nei momenti di sovraproduzione, per usarla successivamente in condizioni di assenza o scarsità di vento. To meet the demand for electricity through wind energy, it is therefore essential to combine the production plant with an accumulation system that allows the energy produced by the wind to be stored in moments of overproduction, to be used later in conditions of absence or scarcity of wind.

L’accumulo dell’energia sotto forma di pressione può essere realizzato con impianti economici, efficienti e di lunga durata (alcune decine di migliaia di cicli), ossia per una durata anche superiore alla vita dell’impianto eolico. The accumulation of energy in the form of pressure can be achieved with economical, efficient and long-lasting systems (some tens of thousands of cycles), that is, for a duration even longer than the life of the wind power plant.

I moderni sistemi utilizzati per catturare l’energia eolica utilizzano, di norma, un generatore elettrico connesso al rotore direttamente o tramite un moltiplicatore di giri. Modern systems used to capture wind energy usually use an electric generator connected to the rotor directly or through a speed multiplier.

Nel caso di aree non connesse alla rete, l’impianto presenta alcune complessità di gestione e manutenzione che ne rendono difficoltoso l’impiego in assenza del personale addetto alla manutenzione periodica. In the case of areas not connected to the network, the system has some management and maintenance complexities that make it difficult to use in the absence of periodic maintenance personnel.

Sommario deH’invenzione Summary of the invention

II Generatore oggetto dell’invenzione si caratterizza per l’accoppiamento oleodinamico tra il rotore e il compressore d’aria, e per il controllo della potenza del rotore attraverso la gestione dei gruppi pompanti. The generator object of the invention is characterized by the hydraulic coupling between the rotor and the air compressor, and by the control of the rotor power through the management of the pumping units.

Il compressore assorbe l’energia cinetica durante la fase di compressione e la trasferisce all’aria in parte sotto forma di pressione e in parte sotto forma di calore, in quanto la compressione fa aumentare la temperatura e di conseguenza la pressione. Ne consegue che quanto più calore si sottrae minore è il lavoro speso per la compressione. The compressor absorbs the kinetic energy during the compression phase and transfers it to the air partly in the form of pressure and partly in the form of heat, as compression increases the temperature and consequently the pressure. It follows that the more heat is removed, the less work is spent on compression.

Componenti dell’impianto System components

I principali componenti dell’impianto sono: The main components of the system are:

Il rotore; The rotor;

il sistema di orientamento al vento; the wind orientation system;

il moltiplicatore di giri; the spin multiplier;

il gruppo di pompe idrauliche; the group of hydraulic pumps;

il sistema di controllo della potenza del rotore; the rotor power control system;

il motore oleodinamico the hydraulic motor

il compressore d’aria; the air compressor;

10 scambiatore di calore; 10 heat exchanger;

i serbatoi di accumulo; storage tanks;

11 gruppo motore-alternatore 11 engine-alternator unit

il sistema di controllo della potenza erogata dall’alternatore. the control system of the power delivered by the alternator.

Descrizione dei componenti Description of the components

I riferimenti riportati nella descrizione sottostante sono quelli indicati nella Tavola 1 nella quale viene illustrato lo schema di flusso del sistema. The references shown in the description below are those indicated in Table 1 which illustrates the flow diagram of the system.

II rotore (1) ha la funzione di catturare l’energia eolica e trasformarla in energia cinetica di L’orientamento al vento del rotore è ottenuto per mezzo di una ralla (2) ad azionamento idraulico comandata da un PLC sulla base dei dati rilevati dagli strumenti di misura del vento, come nei consueti generatori eolici sopravento. AH’avviamento il motore della ralla è alimentato da una centralina di soccorso (17) e durante il funzionamento direttamente dal gruppo pompante (4). The rotor (1) has the function of capturing wind energy and transforming it into kinetic energy.The orientation of the rotor to the wind is obtained by means of a hydraulically operated fifth wheel (2) controlled by a PLC based on the data detected by the wind measuring instruments, as in the usual wind turbines. At start-up, the fifth wheel motor is powered by a rescue control unit (17) and during operation directly by the pumping unit (4).

Il moltiplicatore di giri (3), quando necessario, ha il compito di adattare la velocità di rotazione del rotore a quella richiesta dal gruppo oleodinamico. The speed multiplier (3), when necessary, has the task of adapting the rotation speed of the rotor to that required by the hydraulic unit.

Il gruppo pompante (4) è costituito da una pompa/motore a pistoni con regolatore elettronico della portata che, comandata dal PLC, consente di adeguare la potenza catturata dal rotore a quella assorbita dal carico. The pumping unit (4) consists of a piston pump / motor with electronic flow rate regulator which, controlled by the PLC, allows the power captured by the rotor to be adjusted to that absorbed by the load.

In funzione del carico istantaneo e della velocità del vento, l’olio idraulico ad alta pressone viene inviato al gruppo pompa/motore a pistoni (5) collegato direttamente ad un alternatore sincrono (6) e/o ai cilindri idraulici (7) che azionano il compressore d’aria (8). Depending on the instantaneous load and wind speed, the high pressure hydraulic oil is sent to the piston pump / motor unit (5) directly connected to a synchronous alternator (6) and / or to the hydraulic cylinders (7) which drive the air compressor (8).

Il compressore dell’aria (8) è realizzato con due pompanti di grande diametro, posizionati in serie e azionati da due cilindri idraulici (v. Tav.2). The air compressor (8) is made with two large diameter pumping elements, positioned in series and operated by two hydraulic cylinders (see Table 2).

L’elevata cilindrata dei pompanti consente di raggiungere la portata di progetto in un tempo sufficientemente lungo per completare lo scambio termico. The high displacement of the pumping elements allows reaching the design flow rate in a sufficiently long time to complete the heat exchange.

Lo scambiatore di calore (9) consente di raffreddare l’aria e il cilindro dopo la compressione, in modo da ridurre la potenza assorbita e recuperare il calore in un apposito serbatoio (10). The heat exchanger (9) allows you to cool the air and the cylinder after compression, in order to reduce the absorbed power and recover the heat in a special tank (10).

Il serbatoio di stoccaggio delFaria compressa (11) è realizzato con tubi in acciaio di grande diametro (l,5-2,5m) lunghi 6-12m chiusi alle estremità e collegati in parallelo fino ad ottenere il volume necessario. Un’apposita valvola automatica (12) consente di drenare l’acqua di condensazione. The compressed air storage tank (11) is made with large diameter steel pipes (l, 5-2.5m) 6-12m long, closed at the ends and connected in parallel until the necessary volume is obtained. A special automatic valve (12) allows you to drain the condensation water.

Su comando dell’unità che controlla il carico elettrico, il PLC apre le valvole che immettono l’aria nelle camere d’espansione (13) mantenute calde da un apposito scambiatore (14) nel quale circola il liquido termico (10). On command of the unit that controls the electrical load, the PLC opens the valves that introduce air into the expansion chambers (13) kept warm by a special exchanger (14) in which the thermal liquid circulates (10).

L’abbassamento della temperatura dell’aria conseguente l’espansione viene compensato dal calore fornito dallo scambiatore (14) prima di immetterla nel motore pneumatico (15) che trascina l’alternatore (16). The lowering of the air temperature resulting from the expansion is compensated by the heat supplied by the exchanger (14) before introducing it into the pneumatic motor (15) which drives the alternator (16).

I riferimenti contenuti nei disegni allegati a supporto della descrizione non vincolano in alcun modo il contenuto e le funzionalità dell'invenzione. The references contained in the attached drawings supporting the description do not in any way bind the content and functionality of the invention.

Funzionamento dell’impianto di compressione dell’aria Operation of the air compression system

Nei paragrafi seguenti si descrive il funzionamento dell’impianto di compressione secondo la disposizione preferita dei componenti indicata nella Tavola 2 “Schema dell’impianto di compressione”. The following paragraphs describe the operation of the compression system according to the preferred arrangement of the components indicated in Table 2 "Scheme of the compression system".

II Gruppo Pompante (4) della Tavola 1 è indicato con (1), come descritto precedentemente è calettato direttamente al moltiplicatore di giri ed è connesso ai pistoni idraulici mediante elettrovalvole comandate dal PLC. The Pumping Unit (4) of Table 1 is indicated with (1), as described above, it is directly keyed to the speed multiplier and is connected to the hydraulic pistons by means of solenoid valves controlled by the PLC.

Al fine della descrizione, consideriamo che il pistone del primo stadio di compressione (4) si trova in basso a fine corsa, la valvola di mandata (7) e quella di scarico (8) sono aperte, l’olio spinto in pressione dalla pompa (1) solleva il pistone del cilindro idraulico (2) e quindi il pistone del primo stadio (4). For the purpose of the description, consider that the piston of the first compression stage (4) is at the bottom of the stroke, the delivery valve (7) and the discharge valve (8) are open, the oil pushed under pressure by the pump (1) raises the hydraulic cylinder piston (2) and then the first stage piston (4).

Man mano che il pistone del primo stadio (4) sale, aria atmosferica entra nel cilindro attraverso la valvola di non ritorno (6). As the first stage piston (4) rises, atmospheric air enters the cylinder through the non-return valve (6).

Quando il pistone è arrivato in alto a fine corsa, le valvole (7) e (8) si chiudono e si aprono le valvole (9) e (10) in modo da spingere il pistone in basso fino a fine corsa. When the piston has reached the top of the stroke, the valves (7) and (8) close and the valves (9) and (10) open so as to push the piston down as far as it will go.

L’aria compressa viene trasferita nel serbatoio di accumulo (11) attraverso la valvola di non ritorno (12) e l’olio idraulico ritorna nel serbatoio in pressione (13). The compressed air is transferred to the storage tank (11) through the non-return valve (12) and the hydraulic oil returns to the pressure tank (13).

Il ciclo di aspirazione e compressione si ripete fin quando nel serbatoio di accumulo (11) l’aria non raggiunge la pressione uguale a quella raggiunta nel cilindro del primo stadio (4), alla quale si apre la valvola (14) che immette l’aria nel secondo stadio di compressione (5). The suction and compression cycle is repeated until the air in the accumulation tank (11) reaches the pressure equal to that reached in the first stage cylinder (4), at which the valve (14) which introduces the air in the second compression stage (5).

Il funzionamento del secondo stadio di compressione (5) è uguale a quello del primo stadio (4), il cilindro idraulico (3) è alimentato dallo stesso circuito idraulico e l’aria in uscita viene immessa nel serbatoio di accumulo attraverso la valvola di non ritorno (15). The operation of the second compression stage (5) is the same as that of the first stage (4), the hydraulic cylinder (3) is fed by the same hydraulic circuit and the outgoing air is introduced into the storage tank through the non-return valve. return (15).

Il calore prodotto durante la compressione viene assorbito riempiendo con una miscela di acqua e glicole etilenico le camere dei cilindri al disopra dei pistoni. La miscela ha la funzione di migliorare lo scambio termico e proteggere le camere di compressione. Quando il pistone comprime l’aria, la miscela entra nel cilindro per gravità e assorbe il calore di compressione, quando il pistone aspira l’aria dall’esterno, la miscela calda viene spinta nel serbatoio (16). The heat produced during compression is absorbed by filling the cylinder chambers above the pistons with a mixture of water and ethylene glycol. The mixture has the function of improving the heat exchange and protecting the compression chambers. When the piston compresses the air, the mixture enters the cylinder by gravity and absorbs the compression heat, when the piston sucks in the air from the outside, the hot mixture is pushed into the tank (16).

Claims

PRODUCTION OF COMPRESSED AIR BY WIND TURBINE REENDICATIONS With reference to the description and drawings of the components, the inventions claimed are: 1) The conversion and control of the energy captured by the wind by coupling the wind rotor with a piston motor / pump with electronic displacement regulator, with or without the aid of a speed multiplier.

2) The production of compressed air through two or more large diameter pistons driven by hydraulic cylinders and cooled by a water-based mixture.

3) The production of electricity through the coupling of an alternator to a volumetric motor with preheated compressed air.