IT201800003954A1

IT201800003954A1 - Hydroelectric plant with a hollow module operating a reciprocating motion inside a site powered by flowing water, for the production of electricity with a minimum environmental impact.

Info

Publication number: IT201800003954A1
Application number: IT102018000003954A
Authority: IT
Inventors: Costa Massimo
Original assignee: Costa Massimo
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-10-05

Description

IMPIANTO IDROELETTRICO CON UN MODULO CAVO OPERANTE UN MOTO ALTERNATO ALL'INTERNO DI UNA SEDE ALIMENTATA DA ACQUA FLUENTE, PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA CON UN MINIMO IMPATTO AMBIENTALE. HYDROELECTRIC SYSTEM WITH A CABLE MODULE OPERATING AN ALTERNATE MOTORCYCLE INSIDE A SEAT POWERED BY FLUENT WATER, FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICITY WITH A MINIMUM ENVIRONMENTAL IMPACT.

Testo della descrizione Description text

Forma oggetto del presente trovato un impianto idroelettrico per produrre energia elettrica da un basso dislivello e dal movimento di una massa d'acqua fluente. Si evidenzia che, il territorio Italiano, è morfologicamente composto per il 41% da zone collinari, per il 35% da zone montuose e il rimanente 24% da zone pianeggianti. The present invention relates to a hydroelectric plant for producing electricity from a low height difference and from the movement of a mass of flowing water. It should be noted that the Italian territory is morphologically composed of 41% of hilly areas, 35% of mountainous areas and the remaining 24% of flat areas.

L'innovazione, permette di sfruttare l'elevata potenzialità dei bassi salti geodetici diffusi su tutto il territorio, sia per le sopra citate caratteristiche morfologiche territoriali e le innumerevoli opere civili effettuate come contrasto all'erosione degli alvei nei corsi d'acqua che, insieme alle opere di contenimento e/o derivazioni dei flussi nei fiumi, torrenti, canali, e laghi, offrono una vasta e capillare opportunità produttiva di energia elettrica rinnovabile, attualmente non sfruttata poiché non economicamente conveniente per i sistemi convenzionali in uso. The innovation makes it possible to exploit the high potential of the low geodetic jumps spread throughout the territory, both for the aforementioned territorial morphological characteristics and the countless civil works carried out as a contrast to the erosion of the river beds in the waterways which, together to the works of containment and / or derivation of flows in rivers, streams, canals, and lakes, offer a vast and capillary production opportunity for renewable electricity, currently not exploited as it is not economically convenient for the conventional systems in use.

Stato dell'arte State of the art

Attualmente, gli impianti idroelettrici di carattere stabile comportano opere fisse costose ed altamente impattanti sull'ambiente, come ad esempio modifiche degli alvei e della morfologia territoriale, sbarramenti e condotte forzate. La trasformazione dell'energia cinetica dell'acqua in movimento in energia meccanica e successivamente in energia elettrica, è affidata a diverse tipologie di turbine con caratteristiche tecniche che variano a seconda della portata [metri cubi al secondo] e salto [altezza di caduta e conseguente velocità dell'acqua], determinando la scelta d'una turbina piuttosto che d'un'altra. Currently, stable hydroelectric plants involve costly and highly impacting fixed works on the environment, such as changes to river beds and territorial morphology, barrages and penstocks. The transformation of the kinetic energy of the moving water into mechanical energy and subsequently into electrical energy, is entrusted to different types of turbines with technical characteristics that vary according to the flow rate [cubic meters per second] and head [height of fall and consequent speed of water], determining the choice of one turbine rather than another.

La turbina è quel macchinario che, investito dalla corrente d'acqua, viene messo in rotazione, generando l'energia meccanica. La turbina è formata quindi da una struttura sviluppata intorno ad un asse di rotazione, e viene chiamata girante. Generalmente è costituita da un certo numero di pale, che sono gli elementi che interagiscono direttamente con l'acqua, sottraendole energia e trasformandola in energia meccanica. Esistono turbine ad azione, a reazione ed a gravità, in funzione della modalità di scambio di energia con l'acqua. Le tipologie di turbine PELTON, FRANCIS e KAPLAN costituiscono la maggioranza delle installazioni esistenti, ciascuna secondo le proprie caratteristiche d'esercizio. Esistono inoltre turbine a bulbo, banki, turgo, e a vortice, tecnologia recente e in fase di sviluppo. La maggior parte di questi impianti necessita di salti medio alti, nell'ordine di decine o centinaia di metri e di rilevanti portate d'acqua. Le opere civili necessarie all'installazione e funzionamento degli stessi sono la causa di rilevanti impatti ambientali, che necessitano di lunghi iter autorizzativi e trovano la resistenza delle popolazioni locali. The turbine is that machine which, hit by the current of water, is put into rotation, generating mechanical energy. The turbine is therefore formed by a structure developed around an axis of rotation, and is called an impeller. Generally it consists of a certain number of blades, which are the elements that interact directly with water, subtracting energy from it and transforming it into mechanical energy. There are action, reaction and gravity turbines, depending on the way energy is exchanged with water. The types of turbines PELTON, FRANCIS and KAPLAN constitute the majority of existing installations, each according to its own operating characteristics. There are also bulb, banki, turgo, and vortex turbines, recent technology and under development. Most of these plants require medium-high jumps, in the order of tens or hundreds of meters and significant water flows. The civil works necessary for their installation and operation are the cause of significant environmental impacts, which require long authorization procedures and are resisted by local populations.

Tra le turbine a gravità ricordiamo le ruote idrauliche e le coclee [anche note come vite di Archimede o viti idrodinamiche] già utilizzate in tempi antichi, oggigiorno, tra le turbine convenzionali, queste macchine idrauliche sono fra quelle con impatti ambientali piu bassi ma con modeste rese energetiche. Among the gravity turbines we remember the hydraulic wheels and the augers [also known as Archimedean screw or hydrodynamic screws] already used in ancient times, today, among the conventional turbines, these hydraulic machines are among those with the lowest environmental impacts but with modest energy yields.

Altri sistemi, innovativi rispetto a quelli citati, sfruttano il movimento delle onde, delle correnti del mare e anche delle maree, ma sono poco diffusi ed ancora apparentemente non convenienti sotto il profilo del rapporto costi/produzione. Other systems, innovative with respect to those mentioned, exploit the movement of waves, sea currents and even tides, but are not very widespread and still apparently not convenient in terms of cost / production ratio.

Si può certamente asserire che lo sfruttamento dell'energia cinetica derivante d'una massa d'acqua in movimento tramite apparecchiature od impianti è di fatto una pratica ben nota e da tempo conosciuta. It can certainly be asserted that the exploitation of the kinetic energy deriving from a mass of water in motion by means of equipment or systems is in fact a well-known and long-known practice.

Campo d'applicazione Field of application

Scopo del trovato è produrre energia elettrica da ridotti dislivelli e con una portata d'acqua come, a titolo di esempio non limitativo, di 500/1.000 lt/s , con un basso impatto ambientale. The object of the invention is to produce electricity from reduced height differences and with a water flow rate such as, by way of non-limiting example, of 500 / 1,000 l / s, with a low environmental impact.

Tra le caratteristiche del trovato si evidenzia il rispetto degli equilibri dell'ecosistema e la significativa riduzione dell'impatto ambientale. L'impianto è stato pensato e progettato come struttura prefabbricata, i cui componenti saranno prodotti ed assemblati in officine specializzate, dimensionati e calibrati per le caratteristiche del luogo di destinazione e posizionati successivamente. Il presente trovato avrà, quindi, una considerevole riduzione delle opere civili necessarie alla sua installazione se paragonato alle sopra citate tipologie di impianti esistenti. Among the features of the invention, the respect for the ecosystem equilibrium and the significant reduction of the environmental impact are highlighted. The plant was conceived and designed as a prefabricated structure, whose components will be produced and assembled in specialized workshops, sized and calibrated for the characteristics of the destination and positioned subsequently. The present invention will therefore have a considerable reduction in the civil works necessary for its installation if compared to the aforementioned types of existing systems.

L'impianto, è privo di pale, viti e organi meccanici che ruotano in velocità, sia liberi che in condotte forzate, non utilizza acqua in pressione e i suoi organi si muovono molto lentamente in un ambiente che non crea pericoli e disturbo alla fauna fluviale, con il massimo rispetto dell'ambiente. The system is devoid of blades, screws and mechanical parts that rotate at speed, both free and in penstocks, does not use pressurized water and its organs move very slowly in an environment that does not create dangers and disturbances to the river fauna, with the utmost respect for the environment.

Un altro aspetto favorevole del trovato riguarda le ore di esercizio annuali e la conseguente resa in termini di produzione di energia elettrica. La maggior parte degli impianti tradizionali esistenti sono, e devono, essere posizionati in punti precisi con le caratteristiche necessarie al loro funzionamento, il salto e la portata d'acqua. I siti con queste prerogative si trovano perlopiù in zone di montagna, sono prevalentemente a carattere torrentizio e soggetti a lunghi periodi di scarsità della risorsa idrica per via dell'avvicendamento stagionale oltre ai fenomeni metereologici eccezionali, sempre più frequenti, riducendo sensibilmente il tempo di operatività di questi impianti. Il 2017 è stato l'anno meno piovoso in Italia dal 1800. Another favorable aspect of the invention relates to the annual operating hours and the consequent yield in terms of electricity production. Most of the existing traditional systems are, and must, be positioned in precise points with the characteristics necessary for their operation, the head and the water flow. The sites with these prerogatives are mostly found in mountain areas, are mainly torrential and subject to long periods of scarcity of water resources due to seasonal alternation as well as exceptional weather phenomena, increasingly frequent, significantly reducing the operating time of these plants. 2017 was the driest year in Italy since 1800.

L'impianto oggetto del trovato, necessita di dislivelli minimi, presenti e diffusi anche in zone semi pianeggianti e collinari, là dove i corsi d'acqua hanno portate d'acqua abbondanti poiché alimentati dai loro affluenti e che difficilmente possono raggiungere livelli di criticità idrica tale da poterne determinare il fermo operativo. Nelle situazioni più favorevoli esaminate, si ipotizza il funzionamento del trovato per la quasi totalità delle ore annuali. The plant object of the invention requires minimal differences in level, present and widespread even in semi-flat and hilly areas, where the waterways have abundant water flows because they are fed by their tributaries and which can hardly reach levels of water criticality. such as to be able to determine the operational stop. In the most favorable situations examined, the operation of the invention is assumed for almost all of the annual hours.

Riassunto del trovato Summary of the finding

La presente innovazione ha come obiettivo lo sfruttamento delle risorse energetiche rinnovabili dei bassi salti o dislivelli di acqua fluente ed è costituito, a titolo di esempio non limitativo, da due corpi di forma cilindrica chiusi nella parte inferiore, il primo di dimensioni maggiori e fisso al suolo [d'ora in poi chiamato cilindro - 201], e l'altro più piccolo e mobile [d'ora in poi chiamato pistone - 200] che opera un moto indotto, alternato e continuo, verso l'alto e verso il basso. La fase di ascesa del pistone [200] è determinata dall'immissione di un fluido nel cilindro [201] tramite un convogliatore [205] opportunamente sagomato che ne regola l'afflusso, dove, la spinta o potenza del pistone corrisponde al peso della quantità del fluido spostato del pistone [200] parzialmente immerso; nell'opposta fase discendente per ottenere la potenza necessaria, oltre allo svuotamento del cilindro [201] tramite la valvola [202] viene contemporaneamente immesso del fluido all'interno del pistone [200], e, successivamente svuotato con l'apertura della valvola [203] una volta arrivato a fondo corsa, per poi ripetere il ciclo. L'impianto è alimentato dall'acqua fluente prelevata dall'alveo a monte [112], e subito conferita nell'alveo stesso [110] a seguito della fase di lavoro eseguita durante il transito nell'impianto. Nella parte superiore del pistone si trovano gli organi meccanici e idraulici The present innovation has as its objective the exploitation of renewable energy resources of the low jumps or unevenness of flowing water and consists, by way of non-limiting example, of two cylindrical bodies closed in the lower part, the first larger and fixed to the ground [henceforth called cylinder - 201], and the other smaller and more mobile [henceforth called piston - 200] which operates an induced, alternating and continuous motion, upwards and downwards . The rising phase of the piston [200] is determined by the introduction of a fluid into the cylinder [201] through a suitably shaped conveyor [205] which regulates its flow, where the thrust or power of the piston corresponds to the weight of the quantity the displaced fluid of the partially submerged piston [200]; in the opposite descending phase to obtain the necessary power, in addition to emptying the cylinder [201] through the valve [202], fluid is simultaneously introduced into the piston [200], and subsequently emptied with the opening of the valve [ 203] once you have reached the end of the stroke, and then repeat the cycle. The plant is fed by flowing water taken from the upstream riverbed [112], and immediately conveyed to the riverbed itself [110] following the work phase carried out during the transit through the plant. The mechanical and hydraulic parts are located in the upper part of the piston

[310] per mezzo dei quali viene trasferita l'energia meccanica generata del movimento alternato del pistone [200], all'albero del generatore. [310] by means of which the mechanical energy generated by the reciprocating movement of the piston [200] is transferred to the generator shaft.

Scopi Aims

In linea di principio, la soluzione oggetto del presente trovato prevede la realizzazione di un impianto idroelettrico ad alta efficienza, senza i costi, gli sbarramenti fissi ed altri interventi sull'alveo, evitando il considerevole impatto ambientale che normalmente queste opere comportano. Le opere fisse previste sono estremamente contenute, limitate ad un plinto di appoggio e fissaggio dell'impianto e dei convogliatori di flusso dell'acqua. In particolare, a titolo di esempio non limitativo, il sistema ben si adatta alle briglie, opere d'ingegneria idraulica poste trasversalmente all'alveo su cui sono fondate, concepite per la sistemazione idraulica di fiumi e torrenti, e, più in generale, in tutte le situazioni con la presenza di un salto o dislivello anche di modeste dimensioni. Con riferimento alla salvaguardia ambientale, la soluzione del presente trovato è caratterizzata dal movimento lento del pistone, e, l'ingresso accidentale di specie fluviali che riuscissero a superare le griglie di protezione, sarebbe ininfluente durante l'esercizio dell'impianto e per loro stesse, che verrebbero reimmesse automaticamente nell'alveo, senza alcun danno, durante la fase di svuotamento del cilindro. In conclusione, i pregi e i vantaggi del trovato si possono riassumere in una macchina motrice a basso costo, di semplice realizzazione e installazione, con un pregevole contenuto tecnologico e un basso impatto ambientale. In principle, the solution object of the present invention provides for the construction of a high-efficiency hydroelectric plant, without the costs, fixed barriers and other interventions on the riverbed, avoiding the considerable environmental impact that these works normally entail. The fixed works envisaged are extremely limited, limited to a plinth for supporting and fixing the system and the water flow conveyors. In particular, by way of non-limiting example, the system is well suited to bridles, hydraulic engineering works placed transversely to the bed on which they are based, designed for the hydraulic arrangement of rivers and streams, and, more generally, in all situations with the presence of a jump or difference in height, even of modest size. With reference to environmental protection, the solution of the present invention is characterized by the slow movement of the piston, and the accidental entry of river species that managed to overcome the protection grids would be irrelevant during the operation of the plant and for themselves. , which would be automatically reintroduced into the riverbed, without any damage, during the emptying phase of the cylinder. In conclusion, the merits and advantages of the invention can be summarized in a low-cost driving machine, easy to manufacture and install, with a valuable technological content and a low environmental impact.

Le caratteristiche di cui sopra come pure gli scopi e il concetto del trovato emergeranno meglio attraverso le annesse rivendicazioni e la descrizione della seguente particolareggiata forma di realizzazione illustrata schematicamente negli allegati disegni, i cui particolari d'esecuzione non sono da intendersi limitativi ma solo ed esclusivamente esemplificativi. Con riferimento a detti disegni l'invenzione sarà illustrata solo nelle parti che interessano il trovato stesso. The above characteristics as well as the objects and the concept of the invention will emerge better through the attached claims and the description of the following detailed embodiment schematically illustrated in the attached drawings, the details of which are not intended to be limitative but only and exclusively examples. With reference to said drawings, the invention will be illustrated only in the parts which concern the invention itself.

Contenuto dei disegni Contents of the drawings

1] La Figura 1 è una vista assonometrica dell'impianto con il pistone [200] al culmine della sua ascesa rispetto al cilindro [201], dei relativi convogliatori del fluido sia all'interno del cilindro [205] che all'interno del pistone [204], sovrastati dalla struttura di contenimento [300] e di protezione del generatore [340] e degli organi di trasmissione [310]. 1] Figure 1 is an axonometric view of the system with the piston [200] at the peak of its ascent with respect to the cylinder [201], the relative fluid conveyors both inside the cylinder [205] and inside the piston [204], topped by the containment [300] and protection structure of the generator [340] and the transmission components [310].

2] La Figura 2 è una vista assonometrica del particolare del pistone [200] con la valvola chiusa [203] nella fase culminante di ascesa rispetto al cilindro [201] pieno di fluido e con le valvola chiusa [202]. 2] Figure 2 is an axonometric view of the detail of the piston [200] with the valve closed [203] in the culminating phase of ascent with respect to the cylinder [201] full of fluid and with the valve closed [202].

3] La Figura 3 è una vista assonometrica del particolare del pistone [200] in posizione di riposo al termine della fase di svuotamento del cilindro [201] tramite l'apertura della valvola [202] e del pistone [200] tramite l'apertura della valvola [203]. 3] Figure 3 is an axonometric view of the detail of the piston [200] in rest position at the end of the emptying phase of the cylinder [201] through the opening of the valve [202] and of the piston [200] through the opening of the valve [203].

Pratica esecuzione del trovato Practical execution of the invention

La presente innovazione, si riferisce, come esempio non limitativo, ad un impianto idroelettrico a ridotto impatto ambientale su corsi d'acqua fluente e in prossimità di bassi salti o dislivelli, la struttura sarà posizionata in un'area adiacente l'alveo o la sede di scorrimento del fluido interessato. E' costituito principalmente da due corpi concavi che scorrono uno all'interno dell'altro coadiuvati da apposite guide. La fase di ascesa del pistone dal basso verso l'alto, è dovuta al riempimento di acqua fluente nel cilindro di scorrimento tramite un convogliatore opportunamente sagomato. Detta canalizzazione sarà munita di griglie per bloccare l'ingresso nell'impianto della fauna ittica e di corpi estranei come rami, sassi, o altri oggetti trascinati dalla corrente e di una valvola per la regolazione in entrata della quantità del liquido necessario. L'allagamento del cilindro obbliga il pistone il cui interno è vuoto, a imprimere una spinta meccanica dal basso verso l'alto pari al peso del volume del liquido spostato che, come esempio esplicativo e non limitativo, tramite organi ed elementi meccanici e/o idraulici collegati allo stesso, verrà trasmessa all'albero di rotazione del generatore per la produzione di energia elettrica. The present innovation refers, as a non-limiting example, to a hydroelectric plant with a reduced environmental impact on flowing watercourses and in the vicinity of low jumps or differences in height, the structure will be positioned in an area adjacent to the riverbed or the headquarters. flow rate of the fluid concerned. It consists mainly of two concave bodies that slide one inside the other assisted by special guides. The rising phase of the piston from the bottom to the top is due to the filling of water flowing into the sliding cylinder by means of a suitably shaped conveyor. Said canalization will be equipped with grids to block the entry of the fish fauna and foreign bodies such as branches, stones, or other objects dragged by the current, and a valve for regulating the quantity of the necessary liquid at the entrance. The flooding of the cylinder forces the piston, the interior of which is empty, to impart a mechanical thrust from the bottom upwards equal to the weight of the volume of the displaced liquid which, as an explanatory and non-limiting example, by means of mechanical elements and elements and / or plumbers connected to the same, will be transmitted to the rotation shaft of the generator for the production of electricity.

La fase di discesa del pistone dall'alto verso il basso, è determinata dalla collaborazione coordinata di due fattori; la fuoriuscita dell'acqua dal cilindro che avviene tramite valvole poste in corrispondenza del fondo dello stesso, richiamando verso il basso il pistone; a questa azione concorre la forza di gravità della struttura e l'immissione di acqua fluente dalla parte superiore del pistone aumentandone il peso e la spinta. Il successivo svuotamento del pistone avverrà tramite valvole poste alla base dello stesso una volta che sia giunto a fondo corsa alla base del cilindro. The piston descent phase from top to bottom is determined by the coordinated collaboration of two factors; the water comes out of the cylinder by means of valves located at the bottom of the cylinder, drawing the piston downwards; the force of gravity of the structure and the introduction of flowing water from the upper part of the piston contribute to this action, increasing its weight and thrust. The subsequent emptying of the piston will take place by means of valves located at the base of the same once it has reached the end of the stroke at the base of the cylinder.

La spinta meccanica ottenuta sia nella fase di ascesa del pistone che in quella discendente, sarà trasmessa, tramite organi meccanici e/o idraulici collegati e installati nella parte superiore del pistone, all'albero di rotazione del generatore per la produzione di energia elettrica rinnovabile. The mechanical thrust obtained both in the rising phase of the piston and in the descending one, will be transmitted, through mechanical and / or hydraulic organs connected and installed in the upper part of the piston, to the rotation shaft of the generator for the production of renewable electricity.

Legenda Legend

[10] impianto idroelettrico a basso impatto ambientale [10] hydroelectric plant with low environmental impact

[101] basamento impianto [101] plant base

[110] acqua fluente, fluido in movimento [110] flowing water, fluid in motion

[111] direzione del fluido [111] direction of the fluid

[ ] bocca ingresso fluido con valvole [] Fluid inlet with valves

[113] livello del fluido a valle [113] downstream fluid level

[114] alveo, sede scorrimento del fluido [114] riverbed, fluid flow seat

[116] argine [116] embankment

[117] livello del fluido a monte [117] upstream fluid level

[200] pistone [200] piston

[201] cilindro [201] cylinder

[202] valvola di svuotamento del cilindro [202] cylinder drain valve

[203] valvola di svuotamento del pistone [203] piston drain valve

[204] convogliatore integrato pistone [204] integrated piston conveyor

[205] convogliatore integrato cilindro [205] integrated cylinder conveyor

[206] condotto di svuotamento del cilindro [206] cylinder emptying duct

[300] struttura contenimento generatore elettrico e organi di trasmissione [300] electric generator containment structure and transmission components

[310] organi di trasmissione [310] transmission components

[330] struttura di supporto del generatore e organi di trasmissione [330] generator support structure and transmission components

[340] scocca rigida protettiva [340] rigid protective shell

[350] generatore elettrico [350] electric generator

Claims

CLAIMS 1] Low environmental impact hydroelectric plant system [10] with a mobile module [200] that operates a cyclic motion in two phases, the first from bottom to top following the introduction of a fluid inside the module fixed [201] by means of the integrated conveyor [205], the second from top to bottom of the mobile module [200] following the emptying of the fluid from the fixed module [201] by means of the integrated valve [202], together with the introduction of fluid through the integrated conveyor [204] in the mobile module [200] and its subsequent emptying through the valve [203], characterized by the fact that the mobile module [200] is directly connected to the electric generator [350] through the motion transmission parts [310], which integrate a connecting rod and also gear multipliers in the structure above the mobile module [200] and also a rigid body [340] which envelops the motion transmission components [310] and also the gen electric erator [350]. 2] Low environmental impact hydroelectric plant system [10] according to claim 1, characterized in that the motion transmission members [310] integrate racks and multiplier gears. 3] Low environmental impact hydroelectric plant system [10] according to claims 1 and 2, characterized in that the transmission members [310] integrate a lever of advantageous type.