IT201800007893A1 - Impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione dal titolo:
“Impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple”
La presente invenzione è relativa a un impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple.
In particolare, la presente invenzione è relativa a un impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple rinnovabili, nella fattispecie energia solare ed eolica. Le energie rinnovabili nascono dalla necessità di trovare fonti alternative, pulite e sostenibili per produrre l’energia necessaria alle esigenze della vita moderna. Le energie rinnovabili rappresentano anche una possibile soluzione ai problemi della scarsità delle risorse, del loro approvvigionamento e dell’inquinamento ambientale.
La conversione energetica da fonte eolica e fotovoltaica comporta comunque anche un certo fattore di instabilità per le reti elettriche. I motivi sono intuibili, data l’imprevedibilità della produttività energetica e la saltuarietà della stessa, essendo tale parametro inficiato da condizioni avverse quali la poca ventosità e lo scarso irraggiamento. Secondo vari studi, i sistemi ibridi che uniscono eolico e fotovoltaico in un unico impianto garantiscono statisticamente una maggiore stabilità di produzione di elettricità, sottoponendo a meno problematiche le reti elettriche.
Dal momento che i tempi del funzionamento di picco per l’eolico e il fotovoltaico si verificano in diversi momenti della giornata e dell’anno, i sistemi ibridi consentono maggiore garanzia di produzione di energia elettrica quando se ne ha bisogno.
Sono attualmente noti vari sistemi caratterizzati dalla compresenza delle sorgenti eolica e fotovoltaica per la produzione di energia elettrica.
Un primo esempio è il brevetto US2017292500 che descrive un impianto di produzione di energia elettrica a sorgenti multiple: eolica, fotovoltaica, idroelettrica e meccanica. Le varie fonti possono essere collegate e attivate selettivamente per generare elettricità. Un rotore incluso nell’impianto viene azionato sia dalla sorgente eolica che da quella idroelettrica, e può essere messo in moto anche dalla componente meccanica.
Il brevetto WO2017078438A1, invece, descrive un impianto di conversione energetica da sorgenti eolica e fotovoltaica, costituito da un aerogeneratore con una struttura a torre verticale con pale eoliche disposte lungo la circonferenza e da moduli fotovoltaici che convertono energia solare in energia elettrica.
Tuttavia, i sistemi noti come quelli descritti soffrono di limiti intrinseci quali la dipendenza dalle condizioni ambientali, in primis parametri quali irraggiamento e ventosità, che ne condizionano la resa operativa.
In particolare, il settore degli aerogeneratori è caratterizzato da sistemi con diverse limitazioni operative. I generatori eolici noti, infatti, risultano non essere produttivi con velocità del vento inferiori a un valore di circa 3 m/s (velocità di cut-in, caratteristica di tutti i generatori) e superiori a un valore massimo di soglia (velocità di cut-out, variabile da generatore a generatore).
Atteso poi che difficilmente l’intensità del vento risulta essere costante per lungo tempo, gli aerogeneratori attualmente noti sono anche caratterizzati da una produzione di tipo discontinuo o comunque con elevati sbalzi di tensione.
In via generale anche nel settore fotovoltaico non sono presenti convertitori in grado di garantire energia costantemente per 24 ore continuative, tranne nel caso in cui non si realizzi un costoso impianto fotovoltaico a isola nel quale i pannelli alimentano accumulatori durante le ore di irraggiamento, i quali restituiscono poi l’energia accumulata nelle ore notturne.
Scopo della presente invenzione è fornire un impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple tale da ottimizzare il flusso del vento che impatta sulle vele eoliche adottate.
Ulteriore scopo della presente invenzione è fornire un impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple tale da soddisfare l’esigenza energetica per l’uso domestico h24.
Inoltre, scopo della presente invenzione è fornire un impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple tale da coadiuvare la componente eolica in condizioni di scarsa ventosità e stabilizzare la velocità di rotazione dell’alternatore, avente, quindi, caratteristiche tali da superare i limiti che ancora influenzano gli attuali impianti di conversione energetica da fonti rinnovabili con riferimento alla tecnica nota.
Secondo la presente invenzione, viene realizzato un impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple, come definito nella rivendicazione 1.
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra una vista schematica d’insieme dell’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple, secondo l’invenzione;
- la figura 2 mostra una vista schematica di una struttura di supporto dell’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple, secondo l’invenzione;
- la figura 3 mostra una vista schematica di un sistema meccanico di trasmissione del moto dell’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple, secondo l’invenzione;
- le figure 4.a e 4.b mostrano rispettivamente una vista schematica e una vista in pianta di una pluralità di vele eoliche di un aerogeneratore dell’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple, secondo l’invenzione;
- la figura 5 mostra una vista schematica di un aerogeneratore dell’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple, secondo l’invenzione;
- le figure 6.a e 6.b mostrano rispettivamente una vista schematica prospettica e in pianta di un aerogeneratore dell’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple, secondo l’invenzione;
- la figura 7 mostra una vista schematica di un aerogeneratore dell’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple, secondo l’invenzione.
Con riferimento a tali figure e, in particolare, alle figure 1-3, un impianto 100 ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple è mostrato, secondo l’invenzione.
In particolare, l’impianto 100 ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple comprende:
- un aerogeneratore 101 avente asse di rotazione verticale 110, per la produzione di energia elettrica da sorgente eolica;
- un impianto fotovoltaico 102, per la produzione di energia elettrica da sorgente solare accoppiato all’aerogeneratore 101;
- un sistema convogliatore 103 che comprende una pluralità di pannelli verticali 104;
- una pluralità di vele eoliche 105;
- un sistema meccanico 109 di trasmissione del moto a elementi rotanti e conservazione di energia cinetica, connesso all’aerogeneratore 101;
- un motorino elettrico ausiliario 112 connesso al sistema meccanico 109 di trasmissione del moto;
- un alternatore 113, il cui numero di giri è stabilizzato dal sistema meccanico 109 di trasmissione del moto.
Come mostrato nelle figure 2, 5, 6 e 7 e secondo un aspetto dell’invenzione, l’aerogeneratore 101 ad asse di rotazione verticale 110 comprende:
- Un elemento strutturale superiore 107a e un elemento strutturale inferiore 107b, mostrati in figura 2; - un sistema convogliatore 103 comprendente una pluralità di pannelli verticali 104, fissati all’elemento strutturale superiore 107a e all’elemento strutturale inferiore 107b;
- una pluralità di vele eoliche 105 interposte ai pannelli verticali 104;
- una struttura verticale 108 di supporto della pluralità di vele eoliche 105 fissate tramite fori e bulloni, solidale all’asse di rotazione 110 tramite fori e bulloni;
- due elementi circolari superiore 106a e inferiore 106b di chiusura del sistema convogliatore 103.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, l’aria intercettata da pannelli verticali 104 contigui si trova ad essere convogliata e compressa e dunque accelerata prima di impattare sulle corrispondenti vele eoliche 105.
Vantaggiosamente inoltre, i pannelli verticali 104 creano, all’interno del volume spazzato dalle vele eoliche 105, un volume isolato nel quale le vele eoliche 105 risultano protette dal vento avente verso contrario al loro moto.
Secondo la forma di realizzazione preferita mostrata nelle figure, i pannelli verticali 104 del sistema convogliatore 103, sono dieci.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’elemento strutturale superiore 107a dell’aerogeneratore 101, una volta assemblato, ha forma di due pentagoni sovrapposti tali da costituire una figura piana a dieci punte 107a’.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’elemento strutturale inferiore 107b dell’aerogeneratore 101, una volta assemblato, ha forma di due pentagoni sovrapposti tali da costituire una figura piana a dieci punte 107b’, corrispondente all’elemento strutturale superiore 107a.
Tra le punte 107a’ dell’elemento strutturale superiore 107a e le corrispondenti punte 107b’ dell’elemento strutturale inferiore 107b, sono montati i pannelli verticali 104, alla parte estrema dei lati di ciascun pentagono formanti l’elemento strutturale superiore 107a e il corrispondente elemento strutturale inferiore 107b, come mostrato in figura 6.
Secondo una forma di realizzazione preferita, la struttura verticale 108 di supporto della pluralità di vele eoliche 105, mostrata in particolare in figura 6.b, è costituita da una coppia di pentagoni sovrapposti, connessi a un asse centrale mediante una pluralità di supporti, aventi lati di dimensione inferiore rispetto ai corrispondenti elementi strutturali superiore ed inferiore 107a e 107b.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’impianto 100 ha superficie in pianta dipendente dalla potenza espressa, e preferibilmente pari a 5,30 m<2 >tale da produrre 3kW di potenza.
Secondo un aspetto dell’invenzione, pannelli verticali 104 contigui sono disposti in modo tale da definire tra le rispettive superfici un angolo compreso tra 30° e 40°, e preferibilmente pari a 36°.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’impianto fotovoltaico 102 è costituito da almeno due pannelli fotovoltaici, installati sulla sommità dell’aerogeneratore 101, aventi una potenza di picco compresa tra 500 W e 1000 W, e preferibilmente pari a 750 W,o comunque sufficienti per alimentare il motorino elettrico ausiliario 112.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’impianto fotovoltaico 102 include almeno due accumulatori da 600 Ah.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il motorino elettrico ausiliario 112 da 180 W, monofase, è alimentato dall’impianto fotovoltaico 102 tramite la connessione con un accumulatore e un inverter.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, l’impianto 100 prevede l’utilizzo di inverter dello stesso tipo di quelli utilizzati negli impianti fotovoltaici che, a differenza di quelli usati nelle turbine eoliche, sono caratterizzati da un costo minore e da una vita utile superiore.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’alternatore 113 è collegato a un raddrizzatore a ponte di diodi la cui tensione continua in uscita (12 V o 24 V) costituisce l’ingresso di un regolatore di carica a sua volta collegato agli accumulatori.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il sistema meccanico 109 di trasmissione del moto è composto da due volani 111 e 114, due cinghie 115 e 117, una corona 119, una catena 118 e una puleggia 116, come mostrato in figura 3.
L’energia meccanica immagazzinata nei volani 111 e 114 atta a garantire la coppia che consente una stabile rotazione dell’alternatore 113 è generata dalle due componenti rinnovabili, eolica e fotovoltaica.
Secondo un aspetto dell’invenzione, i due volani 111 e 114 hanno un diametro compreso tra 40 cm e 60 cm, e preferibilmente pari a 46 cm.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il volano 111 ha peso compreso tra 38 e 50 kg, e preferibilmente pari a 38 kg.
Secondo un aspetto dell’invenzione, a regime, il volano 111 ruota con un numero di giri compreso tra 800 e 1000 giri al minuto.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il volano 114 ha peso compreso tra 16 e 26 kg, e preferibilmente pari a 16 kg.
Secondo un aspetto dell’invenzione, a regime, il volano 114 ruota con un numero di giri compreso tra 300 e 500 giri al minuto.
Secondo un aspetto dell’invenzione, i volani 111 e 114 sono collegati tra di loro tramite una cinghia 115 e una puleggia 116.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il volano 114 è collegato all’asse di rotazione 110 dell’aerogeneratore 101 tramite corona 119 e catena 118, mentre il volano 111 è collegato all’asse di rotazione del motorino elettrico ausiliario 112 tramite cinghia 117 e puleggia 116.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, la velocità di rotazione dell’alternatore 113 è costante in quanto gli sbalzi dovuti alla variabilità dell’intensità del vento sono bilanciati dall’inerzia dei volani 111 e 114 e, in caso di necessità, dall’entrata in funzione del motorino elettrico ausiliario 112.
Secondo un aspetto dell’invenzione, la struttura portante del sistema convogliatore 103 dell’aerogeneratore 101 è realizzata con elementi scatolari in acciaio zincato, i pannelli verticali 104 in lamiera grecata e le vele eoliche 105 in lamiera liscia.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’impianto 100 è di facile installazione e trasporto.
Vantaggiosamente, l’impianto 100 è producibile su scala industriale in singoli elementi assemblabili risultando trasportabile ed installabile comodamente, avendo gli elementi assemblabili volume ridotto.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il motorino elettrico ausiliario 112 ha quattro poli ed è caratterizzato da una velocità di rotazione di 1460 rpm.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il motorino elettrico ausiliario 112 è regolato nel suo funzionamento dalle misure del vento rilevate da un anemometro e dalla logica di un PLC.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il motorino elettrico ausiliario 112 viene attivato quando la velocità del vento è inferiore a 3,5 m/s.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, la velocità di rotazione dell’alternatore 113 è costante in quanto gli sbalzi dovuti alla variabilità dell’intensità del vento sono bilanciati dall’azione dei volani 111 e 114.
Secondo un aspetto dell’invenzione, il sistema convogliatore 103 dell’aerogeneratore 101 ha altezza compresa tra 200 cm e 250 cm, e preferibilmente pari a 200 cm, raggio compreso tra 90 cm e 130 cm, e preferibilmente pari a 100 cm.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’asse di rotazione 110 dell’aerogeneratore 101 è collegato all’asse di rotazione dell’alternatore 113.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’alternatore 113 è un alternatore trifase a sei poli a magneti permanenti, è caratterizzato da una velocità a regime pari a 450 rpm ed è in grado di produrre 3 kW con una tensione di 24/48V per fase.
Pertanto, l’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo l’invenzione sfrutta l’effetto combinato dell’energia eolica e di quella fotovoltaica per generare una coppia meccanica che, trasmessa all’asse di rotazione dell’alternatore, consente di produrre energia elettrica.
Vantaggiosamente, l’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo l’invenzione, mediante il sistema meccanico a elementi rotanti che immagazzina energia cinetica rilasciandola all’occorrenza, consente di coadiuvare la componente eolica in condizioni di scarsa ventosità e stabilizzare la velocità di rotazione dell’alternatore.
Infine, l’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo l’invenzione è tale che l’energia elettrica generata da sorgente fotovoltaica non venga direttamente sommata a quella prodotta dalla componente eolica. Essa infatti, alimentando il motorino elettrico ausiliario, viene trasformata in energia cinetica del sistema dei volani ai quali viene fornita anche l’energia cinetica generata dalle vele.
Risulta infine chiaro che all’impianto ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple qui descritto e illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple comprendente: - un aerogeneratore (101) ad asse di rotazione verticale (110) per la produzione di energia elettrica da sorgente eolica; - un impianto fotovoltaico (102) per la produzione di energia elettrica da sorgente solare accoppiato all’aerogeneratore (101); - un alternatore (113); - un motorino elettrico ausiliario (112); - almeno un inverter fotovoltaico; caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema meccanico (109) di trasmissione del moto e conservazione dell’energia cinetica, connesso a detto aerogeneratore (101) e a detto motorino elettrico ausiliario (112).
  2. 2. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto aerogeneratore (101) ad asse di rotazione verticale (110) comprende: - un elemento strutturale superiore (107a) e un elemento strutturale inferiore (107b); - una pluralità di vele eoliche (105); - un sistema convogliatore (103) comprendente una pluralità di pannelli verticali (104) fissati all’ elemento strutturale superiore (107a) e all’elemento strutturale inferiore (107b), atto a intercettare aria, convogliarla e comprimerla prima di impattare sulle vele eoliche (105); - una struttura verticale di supporto (108) della pluralità di vele eoliche (105) solidale all’asse di rotazione verticale (110); - due elementi circolari superiore ed inferiore (106a, 106b) di chiusura del sistema convogliatore (103).
  3. 3. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti elementi strutturali superiore e inferiore (107a, 107b) hanno la forma di pentagoni sovrapposti tali da costituire ciascuno una figura piana a dieci punte tra le quali sono montati i pannelli verticali (104).
  4. 4. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i pannelli verticali (104) sono distanziati reciprocamente di un angolo compreso tra 30° e 40°.
  5. 5. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’impianto fotovoltaico (102) è costituito da almeno due pannelli fotovoltaici, installati sulla sommità dell’aerogeneratore (101), aventi una potenza di picco compresa tra 500 W e 1000 W.
  6. 6. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il motorino elettrico ausiliario (112) è alimentato dall’impianto fotovoltaico (102) tramite la connessione con detto inverter fotovoltaico e almeno un accumulatore.
  7. 7. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’alternatore (113) è un alternatore trifase a sei poli a magneti permanenti, ed è collegato a un raddrizzatore a ponte di diodi la cui tensione continua in uscita costituisce l’ingresso di un regolatore di carica a sua volta collegato a detti accumulatori.
  8. 8. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il sistema meccanico (109) di trasmissione del moto comprende un primo volano (111) ed un secondo volano (114), connessi tra loro mediante una prima cinghia (115), e una puleggia (116), una seconda cinghia (117), una corona (119), e una catena (118).
  9. 9. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il secondo volano (114) è collegato all’asse di rotazione verticale (110) dell’aerogeneratore (101) tramite la corona (119) e la catena (118) e il primo volano (111) è collegato all’asse di rotazione del motorino elettrico ausiliario (112) tramite la seconda cinghia (117) e la puleggia (116).
  10. 10. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto motorino elettrico ausiliario (112) viene regolato in funzione dei valori della velocità del vento rilevati da un anemometro e dalla logica di un PLC.
  11. 11. Impianto (100) ottimizzato per la produzione di energia elettrica da sorgenti multiple secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’asse di rotazione verticale (110) dell’aerogeneratore (101) è collegato all’asse di rotazione dell’alternatore (113).
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