IT201700012243A1 - Dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO ALTERNATORE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA”.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica.

I dispositivi alternatori convertono, mediante la formazione di campi magnetici, l’energia meccanica prodotta da un organo motore in energia elettrica.

Tali dispositivi comprendono un elemento statore associato generalmente ad un albero rotante, ed un elemento rotore inserito all’interno di una cavità definita dall’elemento statore stesso e rotante attorno ad un asse di rotazione.

Il campo magnetico indotto dai magneti induce una variazione di campo determinata dalla rotazione dei magneti stessi.

Tale variazione induce una corrente elettrica interagente con una pluralità di bobine statoriche in materiale conduttore associate all’elemento statore. Le suddette bobine sono associate ad un circuito di alimentazione elettrica provvisto di un condensatore e di almeno un diodo atto a direzionare in uscita il flusso di corrente elettrica uscente dal dispositivo.

Questi dispositivi presentano alcuni inconvenienti, in particolare modo legati alla scarsa efficienza produttiva quantificata in termini di conversione energetica.

Infatti, ad oggi i magneti utilizzati in tali dispositivi non consentono di concentrare il flusso indotto in un'unica direzione, disperdendo notevolmente il quantitativo di energia prodotta.

A ciò si aggiunge il fatto che l’equilibratura dell’albero risulta oggi complessa e laboriosa, infatti, un’inesatta equilibratura accelera notevolmente l’usura dell’albero stesso e, conseguentemente, comporta costi di manutenzione di entità non trascurabile.

Ad oggi, l’equilibratura dell’albero avviene per associazione sullo stesso di contrappesi le cui masse sono variabili in funzione delle dimensioni del dispositivo; tuttavia, tali masse non consentono di variare l’equilibratura dell’albero in modo preciso ed accurato.

Inoltre, i dispositivi noti necessitano di un carico di lavoro elevato per poter funzionare a livelli di efficienza discreti, ne consegue che in assenza di fluidi ad alte pressioni, o di carichi di lavoro elevati, la produttività di questi ultimi diminuisce notevolmente, risultando insoddisfacenti.

Il compito principale della presente invenzione è quello di escogitare un dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica che consenta di implementare notevolmente la produzione di energia elettrica, rispetto ai dispositivi noti, a parità di energia meccanica fornita.

Altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica che presenti un’equilibratura precisa ed accurata variabile in funzione delle dimensioni del dispositivo stesso.

Altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica che consenta di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota nell’ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto. Gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal presente dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica avente le caratteristiche di rivendicazione 1.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:

la figura 1 è una vista frontale in sezione del dispositivo secondo il trovato; la figura 2 è una vista dall’alto in sezione dei mezzi di equilibratura del dispositivo secondo il trovato;

la figura 3 è una vista frontale in sezione dei mezzi di equilibratura di figura 2;

la figura 4 è una rappresentazione schematica dell’impianto di cogenerazione di energia provvisto del dispositivo secondo il trovato; la figura 5 è una rappresentazione schematica del gruppo scambiatore presente nell’impianto secondo il trovato.

Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato globalmente con 1 un dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica.

Il dispositivo 1 comprende un elemento statore 2 definente una cavità 3, e un elemento rotore 4, inserito almeno in parte nella cavità 3, rotante attorno ad un asse di rotazione 5 coassiale alla cavità 3 e associato ad almeno un organo di trasmissione del moto 8.

Con riferimento alla particolare soluzione realizzativa rappresentata nelle figure, l’elemento rotore 4 è associato ad un albero 6 rotante attorno all’asse di rotazione 5.

L’albero 6 è provvisto di una prima estremità 7 associata all’organo di trasmissione del moto 8 e di una seconda estremità 9 opposta alla prima estremità 7.

Vantaggiosamente, l’elemento rotore 4 è realizzato in alluminio.

Preferibilmente, l’organo di trasmissione del moto 8 è del tipo di una turbina.

Secondo il trovato, l’organo di trasmissione del moto 8, nella fattispecie la turbina, è funzionante con un fluido in pressione.

È bene specificare che nell’ambito della presente trattazione con l’espressione “fluido in pressione” si intende acqua, aria, o vapore in pressione.

Ancora, il dispositivo 1 comprende una pluralità di bobine statoriche 10 in materiale conduttore associate all’elemento statore 2 e collegate ad una linea di alimentazione elettrica 11.

Vantaggiosamente, le bobine statoriche 10 sono avvolte attorno ad un elemento di supporto 12 realizzato in acciaio inox.

Il campo magnetico necessario per la conversione dell’energia meccanica prodotta dall’organo di trasmissione del moto 8, nella fattispecie la turbina, è indotto da una pluralità di magneti 13 associati all’elemento rotore 4 affacciati alle bobine statoriche 10 in modo tale da creare una corrente elettromagnetica indotta nella linea di alimentazione elettrica 11.

Preferibilmente, i magneti 13 sono provvisti di un primo lato 13a associato all’elemento rotore 4 e di un secondo lato 13b affacciato all’elemento statore 2.

Nell’ambito della presente trattazione si descrive a titolo esemplificativo, un elemento rotore 4 provvisto di due magneti 13.

Non si escludono, altresì, alternative soluzioni realizzative presentanti tre, quattro, cinque, sei, etc magneti 13.

In questo caso, i magneti 13 sono disposti in una configurazione classica con polarità Nord-Sud alternata.

Secondo il trovato, i magneti 13 sono realizzati almeno in parte in neodimio.

È bene puntualizzare che la presenza dei magneti 13 associati solidalmente all’elemento rotore 4 consentono l’equilibratura di quest’ultimo; in altre parole, i magneti 13 fungono da masse periferiche atte ad aumentare l’inerzia dell’elemento rotore 4 durante la rotazione attorno all’asse di rotazione 5.

Il dispositivo 1 comprende mezzi di equilibratura 14a, 15a, 16a, 14b, 15b, 16b associati all’albero 6.

Nel dettaglio, i mezzi di equilibratura 14a, 15a, 16a, 14b, 15b, 16b comprendono due elementi a flangia 14a, 14b associati tra loro per interposizione di una pluralità di elementi bilanciatori 15a, 16a, 15b, 16b a massa regolabile.

Con riferimento alla particolare soluzione realizzativa rappresentata nelle figure, ciascun elemento bilanciatore comprende un contenitore 15a, 15b di un fluido 16a, 16b.

Il suddetto fluido 16 è un olio minerale miscelato a granuli in materiale metallico.

Preferibilmente, l’olio minerale 16a, 16b è un olio ad elevata densità e i granuli in materiale metallico sono granuli in piombo.

Nella fattispecie, il dispositivo 1 comprende primi mezzi di equilibratura 14a, 15a, 16a disposti in prossimità della prima estremità 7, e secondi mezzi di equilibratura 14b, 15b, 16b disposti in prossimità della seconda estremità 9.

Il flusso magnetico indotto dai magneti 13è concentrato all’interno della cavità 3 mediante un involucro 17 esterno alloggiante l’elemento statore 2 e l’elemento rotore 4 e realizzato in materiale amagnetico.

Analogamente, la regolazione termica del dispositivo 1 avviene mediante mezzi di isolamento termico 18 associati esternamente all’involucro 17 e atti a isolare termicamente l’elemento statore 2 e l’elemento rotore 4.

I suddetti mezzi di isolamento termico 18 si sviluppano per l’intera superficie dell’involucro 17 in modo tale da garantire un omogeneo isolamento all’intera cavità 3.

Inoltre, il dispositivo 1 comprende mezzi di accoppiamento 19 alla linea di alimentazione elettrica 11 comprendenti un diodo semiconduttore 20 al silicio e un condensatore elettrolitico 21.

Il dispositivo 1 comprende, inoltre, mezzi di messa a terra 22 associati alle bobine statoriche 10 e atti a isolare l’elemento rotore 4 e l’elemento statore 2 da interferenze elettromagnetiche generate dal flusso elettromagnetico indotto dai magneti 13.

Il presente trovato riguarda, inoltre, impianto per la cogenerazione di energia termica ed elettrica.

L’impianto 23 comprende un telaio 24 per l’appoggio al suolo.

Il telaio 24 supporta un serbatoio 25 di raccolta di un fluido termovettore 26, e una camera di combustione 27 atta a produrre energia termica.

Vantaggiosamente, il fluido termovettore 26 è acqua.

Il serbatoio 25 è atto a contenere acqua 26 ed è provvisto di mezzi di immissione/estrazione 28 dell’acqua 26 dal serbatoio stesso.

Tali mezzi di immissione/estrazione 28 sono del tipo di un rubinetto.

Inoltre, il serbatoio 25 comprende un primo elemento filtrante 29 associato ai mezzi di immissione/estrazione 28 ed immerso nell’acqua 26, e un secondo elemento filtrante 30 associato ad un condotto di collegamento 43 del serbatoio stesso con un gruppo scambiatore 31, 32.

Gli elementi filtranti 29, 30 sono atti a evitare il passaggio di impurità rispettivamente all’interno del serbatoio 25 e del condotto di collegamento 43.

Inoltre, il serbatoio 25 è provvisto di mezzi valvolari 33 atti a monitorare e variare la pressione all’interno del serbatoio 25.

Con riferimento alla particolare soluzione realizzativa rappresentata in figura 4, la camera di combustione 27 è realizzata in materiale refrattario comprendente pietra lavica.

Preferibilmente, la camera di combustione 27 è realizzata in una lega di ghisa e alluminio.

Più nel dettaglio, la camera di combustione 27 si presenta pluristratificata e comprende, dall’esterno verso l’interno, un primo strato 34 realizzato in materiale refrattario comprendente alluminio, un secondo strato 35 realizzato in materiale refrattario comprendente pietra lavica e un terzo strato 36 comprendente ghisa.

Inoltre, la camera di combustione 27 è associata ad un condotto di scarico 37 dei fumi atto ad asportare all’esterno i fumi di scarico generati dalla combustione.

Nel dettaglio, il gruppo scambiatore 31, 32 è atto a scambiare calore con il fluido termovettore 26, nella fattispecie con l’acqua.

Il gruppo scambiatore 31, 32 comprende un primo scambiatore 31 di calore e un secondo scambiatore 32 di calore alloggiati internamente alla camera di combustione 27 e presentanti un rivestimento 42 realizzato in materiale refrattario comprendente pietra lavica.

Il primo scambiatore 31 è disposto superiormente al secondo scambiatore 32.

Come visibile nelle figure, il primo scambiatore 31 è disposto in prossimità del condotto di scarico 37 dei fumi, mentre il secondo scambiatore 32 è disposto in prossimità del fondo 38 della camera di combustione 27.

In altre parole, il primo scambiatore 31 è atto a scambiare calore con i fumi generati dalla combustione e, parallelamente, il secondo scambiatore 32 è atto a scambiare calore con la brace di combustione.

Il gruppo scambiatore 31, 32 è associato ad un condotto di uscita 39 di vapore prodotto dal surriscaldamento del fluido termovettore 26, cioè l’acqua, che scorre all’interno rispettivamente del primo scambiatore 31 e del secondo scambiatore 32.

Secondo il trovato, l’impianto 23 comprende il dispositivo 1.

Con riferimento alla particolare soluzione realizzativa rappresentata nelle figure, il dispositivo 1 è associato al condotto di uscita 39.

Nella fattispecie, il dispositivo 1 viene azionato per mezzo del vapore in pressione convogliato all’interno del condotto di uscita 39.

Il condotto di uscita 39 è provvisto, inoltre, di mezzi di variazione 40 della pressione.

I mezzi di variazione 40 sono del tipo di valvole e sono atti a variare la pressione di uscita del vapore; ciò significa che la velocità di rotazione della turbina 8 è variabile in funzione dei valori di pressione del vapore uscente dal condotto di uscita 39.

Al fine di monitore i suddetti valori di pressione, l’impianto 23 è provvisto di mezzi di visualizzazione 41 dei valori di pressione.

Vantaggiosamente, i mezzi di visualizzazione 41 sono del tipo di un manometro.

Il funzionamento del presente trovato è il seguente.

I primi mezzi di equilibratura 14a, 14b, 14c sono associati all’albero 6 e le relative masse equilibrate in base alle dimensioni del dispositivo 1.

Nel dettaglio, il fluido 16 viene inserito all’interno di ciascun contenitore 15; il fluido 16 è inserito all’interno dei relativi contenitori 15 manualmente, permettendo un’equilibratura accurata e precisa.

Un fluido in pressione, ad esempio vapore, aziona la turbina 8 in rotazione attorno all’asse di rotazione 5.

La rotazione della turbina 8 pone in rotazione l’elemento rotore 4 ed i relativi magneti 13.

I magneti 13, ruotando, realizzano una variazione di campo elettromagnetico negli avvolgimenti della bobina statorica 10.

Tale variazione induce una corrente elettrica che, caricando il condensatore 21, passa attraverso il diodo 21; quest’ultimo impedisce che il condensatore 21 si scarichi sulle bobine statoriche 10, e quindi che la direzione della corrente si inverta.

Parallelamente, l’impianto 23 oggetto del presente trovato presenta il seguente funzionamento.

Il serbatoio di raccolta 25 viene riempito di acqua 26. Contestualmente, all’interno della camera di combustione 27 avviene una combustione e il calore prodotto da quest’ultima è assorbito dall’acqua 26 che fluisce all’interno rispettivamente del primo scambiatore 14a, 15a, 16a e del secondo scambiatore 14b, 15b, 16b.

L’acqua 26 riscaldata produce vapore convogliato al condotto di uscita 39. Il vapore pone in rotazione la turbina 8 e, contestualmente, l’elemento rotore 4. Per quanto concerne la generazione di corrente elettrica, si rimanda integralmente alla descrizione di dettaglio del dispositivo 1.

Si è in pratica constatato come l’invenzione descritta raggiunga gli scopi proposti.

Si sottolinea il fatto che il particolare accorgimento di prevedere un organo di trasmissione del moto azionabile in rotazione da fluidi a basse pressioni, rispetto ai dispositivi noti, consente l’applicazione del presente trovato in molteplici impianti come ad esempio stufe a pellet e camini.

Inoltre, il fatto di prevedere magneti permanenti realizzati in neodimio consente di realizzare un dispositivo per la generazione di energia elettrica a bassa coppia resistente in cui il campo elettromagnetico indotto è concentrato nella cavità e i magneti stessi fungono da bilanciamento periferico dell’elemento rotore.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo alternatore (1) per la produzione di energia elettrica, comprendente: - almeno un elemento statore (2) definente una cavità (3); - almeno un elemento rotore (4), inserito almeno in parte in detta cavità (3), rotante attorno ad un asse di rotazione (5) coassiale a detta cavità stessa e associato ad almeno un organo di trasmissione del moto (8); - una pluralità di bobine statoriche (10) in materiale conduttore associate a detto elemento statore (2) e collegate ad una linea di alimentazione elettrica (11); - una pluralità di magneti permanenti (13) associati a detto elemento rotore (4) e affacciati a dette bobine statoriche (10), e atti a generare una corrente elettromagnetica indotta in detta linea di alimentazione elettrica (11); caratterizzato dal fatto che detto organo di trasmissione del moto (8) è funzionante con un fluido in pressione, e dal fatto che detti magneti permanenti (13) sono realizzati almeno in parte in neodimio.
2. 2) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette bobine statoriche (10) sono avvolte attorno ad un elemento di supporto (12) realizzato in acciaio inox.
3. 3) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto organo di trasmissione del moto (8) è del tipo di una turbina.
4. 4) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi di equilibratura (14a, 15a, 16a, 14b, 15b, 16b) associati ad un albero (6), detto elemento rotore (4) essendo associato a detto albero (6).
5. 5) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di equilibratura (14a, 15a, 16a, 14b, 15b, 16b) comprendono almeno due elementi a flangia (14a, 14b) associati tra loro per interposizione di una pluralità di elementi bilanciatori (15a, 16a, 15b, 16b) a massa regolabile.
6. 6) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti elementi bilanciatori (15a, 16a, 15b, 16b) comprende un contenitore (15a, 15b) di un fluido (16a, 16b), detto fluido (16a, 16b) essendo un olio minerale miscelato a granuli in materiale metallico.
7. 7) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende primi mezzi di equilibratura (14a, 15a, 16a) disposti in prossimità di una prima estremità (7) di detto albero (6), e secondi mezzi di equilibratura (14b, 15b, 16b) disposti in prossimità di una seconda estremità (9) opposta a detta prima estremità (7).
8. 8) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende un involucro esterno (17) alloggiante detto elemento statore (2) e detto elemento rotore (4) e realizzato in materiale amagnetico.
9. 9) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi di accoppiamento (19) a detta linea di alimentazione elettrica (11) comprendenti almeno un diodo semiconduttore (20) al silicio e almeno un condensatore (21) elettrolitico.
10. 10) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto comprende mezzi di isolamento termico (18) associati esternamente a detto involucro (17) e atti a isolare termicamente detto elemento statore (2) e detto elemento rotore (4).
11. 11) Impianto (23) per la cogenerazione di energia termica ed elettrica, caratterizzato dal fatto di comprendere un telaio (24) per l’appoggio al suolo supportante: - almeno un serbatoio di raccolta (25) di un fluido termovettore (26); - almeno una camera di combustione (27) atta a produrre energia termica; - almeno un gruppo scambiatore (31, 32) atto a scambiare calore con detto fluido termovettore (26); - almeno un dispositivo alternatore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti associato a detto gruppo scambiatore.
12. 12) Impianto (23) secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto gruppo scambiatore (31, 32) comprende almeno un primo scambiatore (31) di calore e almeno un secondo scambiatore (32) di calore alloggiati almeno in parte all’interno di detta camera di combustione (27) e presentanti un rivestimento (42) realizzato in materiale refrattario comprendente pietra lavica.