IT201900004116U1 - Generatore eolico ad asse verticale su rotaia - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del Modello di Utilit? dal titolo:

?GENERATORE EOLICO AD ASSE VERTICALE SU ROTAIA?,

CAMPO DI APPLICAZIONE E STATO DELL?ARTE.

L?obiettivo del presente apparato ? quello di trasformare l?energia eolica in energia elettrica, adottando soluzioni capaci di migliorare le attuali condizioni produttive nel settore, in termini sia di rendimento, sia di gestione, sia di impatto ambientale.

Rispetto alle due principali scuole tecnologiche attualmente sviluppate, e cio? quella basata su generatori ad asse orizzontale sospesi su piloni fino ad alcune decine di metri di altezza e quella su generatori ad asse verticale tipo Savonius / Darrieus, l?apparato in oggetto si avvicina concettualmente a quest?ultima, dai cui esemplari correnti differisce per? nelle dimensioni decisamente maggiori e nel sistema di controllo automatizzato dell?inclinazione delle pale - ovvero delle ?ali? - rispetto alla direzione del vento, applicando principi mediati dalla nautica da diporto.

PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO.

Il generatore eolico qui descritto consiste in una struttura anulare adagiata su superficie piana, composta da un binario portante a scartamento elevato, dell?ordine di quello delle gru a cavalletto (gantry cranes).

Sulle rotaie in acciaio del binario, disposte a formare due anelli perfettamente concentrici, ? collocata una serie di carrelli agganciati l?un l?altro a formare un treno senza soluzione di continuit?, dove cio? il carrello di testa ?morde? il carrello di coda. La lunghezza del treno ? dunque pari all?intera circonferenza della struttura anulare, mentre le coppie degli gli assi di ciascun carrello, anzich? parallele, sono disposte a raggiera.

Il treno ? attrezzato con un adeguato numero di ?vele? o ?ali? rigide verticali equidistanti, con caratteristiche di struttura alare sub-rettangolare a profilo laminare (a ?lastra sottile?) fusiforme e simmetrico.

Ciascuna ala ? incernierata al rispettivo carrello con l?asse di cerniera in posizione verticale; tale asse coincide con l?asse di simmetria ?lungo? dell?ala stessa. La rotazione azimutale del piano alare ? comandata da un gruppo ?coppia a vite senza fine?. La ?vite senza fine? viene attivata da robot, gestito da una ?control box? il cui software elabora specifici dati acquisiti da una serie di rilevatori GPS, relativi sia alla direzione del vento, sia alle due posizioni azimutali del?ala, la prima rispetto al suo percorso anulare e la seconda rispetto alla stessa direzione del vento.

Al centro della struttura anulare, in corrispondenza dell?asse virtuale di rotazione del sistema, vi ? un pilone anemometrico, con ?manica - bandiera? sommitale rigida munita all?estremit? di rilevatore GPS, la cui posizione azimutale rispetto al meridiano passante per il pilone indica direzione del vento.

Per anelli di grande diametro (dell?ordine di diverse decine di metri) un rilevatore GPS ? collocato in corrispondenza di ogni ala, o quanto meno in corrispondenza di un gruppo di ali limitrofe; mentre per anelli di piccolo diametro ? sufficiente un solo rilevatore GPS, in corrispondenza di un?unica ?ala madre?.

Per ciascuna ala, la conoscenza di tre coordinate, e cio? la posizione del pilone al centro del sistema (coordinata fissa), la coordinata dell?estremit? della manica - bandiera di direzione del vento (coordinata variabile, acquisita da GPS) e la coordinata dell?ala (coordinata variabile, acquisita da GPS), consentono al software della control box (per triangolazione - una per ogni ala) di stabilire e di governare l?angolazione azimutale ottimale del piano alare rispetto alla tangente della struttura anulare, in modo da ottimizzare l?efficacia del vento in termini di forza tangenziale sul treno, attraverso l?integrazione delle relative componenti di ?portanza? e di ?resistenza?.

Agli assi - ovvero alle ?sale montate? - di un certo numero di carrelli sono ingranati dei generatori elettrici di potenza diversa l?uno dall?altro, tale per cui la relativa somma totale sia uguale alla ?potenza installata? progettata per l?intero apparato.

Questi generatori vengono fatti funzionare singolarmente o raggruppati in parallelo, in funzione della forza tangenziale indotta dal vento sul treno.

L?energia elettrica prodotta dai generatori viene trasferita alla cabina elettrica di trasformazione mediante il sistema del ?pattino sulla terza rotaia (3rd rail shoe)?.

Il ?rovescio della medaglia? - per cos? dire - della ?componente tangenziale? indotta dalla forza del vento sul treno attraverso le ali ? rappresentato dalla ?componente normale o ribaltante? della stessa forza, tendente a divellere i carrelli dalla loro sede, e cio? a farli deragliare. Vi ? un limite della velocit? del vento per il quale tale componente normale induce nel gruppo ?ala - carrello? un momento ribaltante superiore al suo momento stabilizzante, il quale ultimo dipende principalmente dal peso del gruppo e dallo scartamento del binario. Alla forza normale contribuisce anche la forza centrifuga del treno, in maniera negativa nel settore sopravento, ed in maniera positiva nel settore sottovento; si tratta comunque di un contributo trascurabile a fronte della bassa velocit? di rivoluzione del treno stesso.

L?anemometro posto alla sommit? del pilone al centro del sistema rileva la velocit? del vento e ne trasmette il valore al software del control box. Quando la velocit? raggiunge il limite critico, in termini di rischio di ribaltamento dei gruppi ala - carrello, il control box impartisce al gruppo ?coppia a vite senza fine? l?ordine di allineare la superficie del piano alare con la direzione del vento, riportando cos? i parametri di forza normale al di sotto del limite di rischio.

FUNZIONAMENTO IN DETTAGLIO.

Nella ?Figura 1? ? illustrato in planimetria lo schema di massima dell?impianto (nel caso specifico, composto da 6 ali).

I termini indicati nella figura sono cos? descritti:

Quadranti:

I = primo quadrante: da ?ore 3? a ?ore 6? rispetto alla direzione del vento; II = secondo quadrante: da ?ore 6? a ?ore 9? rispetto alla direzione del vento; III = terzo quadrante: da ?ore 9? a ?ore 12? rispetto alla direzione del vento; IV = quarto quadrante: da ?ore 12? a ?ore 3? rispetto alla direzione del vento; Questa disposizione viene adottata per semplificare la composizione delle formulazioni di calcolo.

Lettere:

esse identificano i seguenti elementi:

W = direzione del vento;

V = strutture alari;

T = centro dell?impianto: torre anemometrica;

a = angolo d?attacco del vento sulla superficie alare;

i = angolo di rotazione del treno, ovvero posizione azimutale di ogni singola ala, misurato a partire dal primo quadrante, e cio? da ?ore 3? rispetto alla direzione del vento;

u = angolo tra il piano alare e la tangente del percorso circolare;

m = manica - bandiera sommitale alla torre anemometrica;

p = la ?stellina? identifica uno dei due orli verticali dell?ala (cio?, ?orli in balumina?, per usare una termine nautico). Si nota come (vedi le due posizioni ?pf? e ?pi?in ?ore 3?), dopo una rivoluzione completa del treno di 360?, ogni singola ala abbia ruotato attorno al proprio asse di soli 180?; cio?, ogni rivoluzione iniziata con il vento su una faccia dell?ala termina con il vento sulla sua faccia opposta.

Il funzionamento dell?apparato avviene grazie all?azione del vento sulle ali.

Le forze del vento esercitate sulla singola ala sono due: la forza mobilitante per resistenza ?Fr? e la forza mobilitante per portanza ?Fp?; esse rispondono alle seguenti rispettive equazioni:

Fr = Cr * 0,5 * q * Sf * v^2 ? forza mobilitante per resistenza,

Fp = Cp * 0,5 * q * S * v^2 ? forza mobilitante per portanza,

nelle quali:

?a? ? angolo d?attacco del vento sulla superficie alare;

?Cr? ? coefficiente di resistenza per lastra sottile:

?Cr? ? [0,012*a^2*(132 - a)] / [2025] (curva sigmoide - ?a? in ?SX);

?Cra.rad? ? 1,11*a^2*(2,3 - a) (curva sigmoide - ?a? in radianti);

?Cp? ? coefficiente di portanza per lastra sottile:

?Cp? ? [a*(90 - a)] / [2025] (curva parabolica - ?a? in ?SX);

?Cpa.rad? ? 1,62*a*(1,57 - a) (curva parabolica - ?a? in radianti);

?q? ? densit? dell?aria = 1,225 kgm/m<3 >a 15?C e a livello del mare;

?Sf? ? proiezione frontale al vento della superficie della vela, in m<2>:

?Sf = S * sin a?;

?S? ? superficie della vela, in m<2>;

?v? ? velocit? del vento, in m/sec.

Nel grafico di ?Figura 2? sono riportati i coefficienti di resistenza e di portanza per ?lastra sottile allungata?, cui l?ala ? equiparata, in funzione dell?angolo d?attacco del vento sulla sua superficie.

Nella figura si identificano i seguenti termini:

vCA = valori dei coefficienti aerodinamici;

a = angolo d?attacco del vento sulla superficie alare;

CP = coefficiente aerodinamico di portanza;

CR = coefficiente aerodinamico di resistenza.

Mentre la direzione e il ?verso? della forza mobilitante per resistenza sono quelle stesse del vento, la direzione e il ?verso? della forza mobilitante per portanza vi sono ortogonali.

Il movimento del treno lungo il suo percorso circolare ? indotto dalla somma algebrica delle componenti tangenziali delle forze mobilitanti per resistenza e per portanza.

Con riferimento allo schema di Figura 1, mentre la componente tangenziale della forza mobilitante per resistenza ? positiva nel secondo e nel terzo quadrante e negativa nel quarto e nel primo, esiste, per ogni posizione alare ?i?, un angolo d?attacco ?a? per il quale la componente tangenziale della forza mobilitante per portanza ? sempre positiva; anzi: per ogni posizione alare ?i? esiste un valore ottimale dell?angolo di attacco ?a.opt? per il quale la somma algebrica delle componenti tangenziali di resistenza e di portanza risulta sempre positiva, con l?unica eccezione della posizione ?i = 0? (cio? ad ?ore 3?), dove all?angolo d?attacco ?a = 0? corrisponde un valore virtualmente nullo di tale somma (in realt? in questa posizione il valore della somma reale delle componenti tangenziali ? negativo, anche se limitato, per il fatto che la sezione dell?ala al vento rappresenta comunque un ?corpo? col suo coefficiente di resistenza).

Il valore ottimale dell?angolo d?attacco ?a.opt? in funzione dell?angolo di posizione ?i? viene determinato ?in approccio per simulazione? (per esempio, impiegando lo strumento di calcolo ?Risolutore? in excel), mediante un procedimento di ?discretizzazione? del percorso circolare del treno, in tutti i suoi 360 angoli unitari, per ciascuno dei quali vengono calcolate tutte le possibili somme algebriche delle componenti tangenziali delle forze mobilitanti per resistenza e portanza. In questa operazione il ruolo - chiave ? rappresentato dall?angolo ?u?, che indica l?inclinazione del piano alare rispetto alla tangente del percorso circolare.

I dati ottenuti alla fine di tale procedimento rispondono per interpolazione alle seguenti funzioni:

u = 0,5 * i - per tutti i quadranti;

a.opt = 0,5 * i - per i quadranti I? & II?;

a.opt = pi - 0,5 * i - per i quadranti III? & IV?.

Per entrambe le condizioni, e cio? per tutti e quattro i quadranti, il seno dell?angolo di attacco ottimale ?a.opt?, in funzione dell?angolo di posizione ?i?, risulta:

sin a.opt = sin (pi ? 0,5 * i) = sin (0,5 * i) = [0,5 * (1 ? cos i)]^0,5

a.opt = arcsin {[0,5 * (1 ? cos i)]^0,5}

da cui (con tutti i valori angolari espressi in ?radianti?) risulta:

Sf = S * sin a.opt = S * {[0,5 * (1 ? cos i)]^0,5}

Cr.rad ?1,11*arcsin{[0,5*(1-cos i)]^0,5}^2*[2,3-arcsin{[0,5*(1- cos i)]^0,5}] Cp.rad ?1,62*arcsin{[0,5*(1?cos i)]^0,5}*(1,57-arcsin{[0,5*(1?cos i)]^0,5}

Tornando alle precedenti equazioni circa le forze mobilitanti per resistenza ?Fr? e per portanza ?Fp?, le rispettive componenti tangenziali si sommano algebricamente in maniera diversa a seconda dei quadranti, tuttavia le regole dell?analisi matematica ne consentono la traduzione nella seguente unica espressione (dove l?angolo di posizione ?i? ? espresso in radianti):

Ft = Fp*{[(sin i)^2]^0,5} Fr*cos (pi-i)

Estendendo le formule delle forze mobilitanti per portanza e per resistenza con i rispettivi coefficienti, la forza mobilitante tangenziale composita risulta: Ft =[Cp*0,5*q*S*v^2]+{[(sin i)^2]^0,5}+{[Cr*0,5*q*Sf*v^2]*cos(pi-i)} Questa formula rappresenta la Forza (o Spinta) Tangenziale Lorda di una singola ala, e per maggiore chiarezza conviene essere indicata con la sigla ?FTL?; essa designa cio? la sola forza tangenziale indotta dal vento, senza tenere conto degli attriti alle ruote del carrello.

Per ?alleggerire? la formula si adotta la seguente ?costante di impianto?: K = 0,5*q*S*v^2 ;

pertanto:

FTL =K *{Cp*[(sin i)^2]^0,5 Cr*[0,5*(1-cos i)]^0,5}*cos (pi-i)}

Il valore della posizione angolare ?i? ? espresso in ?radianti?.

Assieme alla forza tangenziale lorda, il vento induce sugli elementi del treno in rotazione una forza normale composita ?FN?, la quale tende a far ribaltare il gruppo ala - carrello, fino al deragliamento quando la velocit? del vento superasse una determinata velocit? - limite caratteristica del sistema.

La formula che indica tale spinta normale composita sulla singola ala, pur in relazione al rispettivo ?verso? nel contesto dei quadranti, grazie alle regole dell?analisi matematica si risolve nella seguente unica espressione (dove l?angolo di posizione ?i? ? espresso in radianti):

Fn = Fp*cos i Fr*{[(sin i)^2]^0,5}

Entrambe le forze, e cio? ?forza tangenziale? e ?forza normale?, sono in ultima analisi funzione del solo angolo di posizione ?i?, come peraltro l?angolo d?attacco ottimale ?a.opt?.

Nel grafico di ?Figura 3? sono riportati, espressi in ?N - newton? ed in funzione dell?angolo di posizione ?i (gradi sessagesimali), i valori simulati delle forze mobilitanti, per resistenza, per portanza e composite, relativi ad un singolo elemento ?ala - carrello? appartenente ad una struttura impostata come ?Modello Propedeutico? contraddistinto da determinate caratteristiche geometriche e dinamiche, in relazione alla velocit? del vento.

Nella figura si identificano i seguenti termini:

FTL = forza tangenziale composita lorda;

Ftp = forza tangenziale per portanza;

Ftr = forza tangenziale per resistenza;

N = asse delle forze, espresse in Newton;

i = asse delle posizioni azimutali delle ali, espresse in gradi sessagesimali a partire da ?ore 3?.

Le caratteristiche attribuite al presente ?Modello Propedeutico? sono le seguenti:

?H? = 30 m - altezza dell?ala (configurazione a ?lastra sottile?);

?L? = 6 m - larghezza dell?ala;

?D? = 100 m - diametro del percorso circolare;

?vW? = 5,0 m/sec ? 18 km/h - velocit? del vento, come ?valore medio ponderato? - su base annua ? della velocit? del vento indicata per le zone pi? significative del territorio italiano.

In corrispondenza dell?angolo di posizione ?i = 0 ?SX? (cio? ad ?Ore 3?) il singolo elemento ?ala - carrello? appare non sottoposto ad alcuna spinta tangenziale (quanto meno in linea teorica, come gi? ricordato in precedenza). Di fatto l?unit? minima di impianto ? costituita da almeno una coppia di elementi ?ala - carrello? in posizione diametrale opposta; in tal modo, mentre la forza tangenziale dell?elemento in posizione ?i = 0 ?SX? (cio? ad ?Ore 3?) ? nulla, quella rispettiva all?elemento in posizione ?i = 180 ?SX? ( cio? ad ?Ore 9?) risulta massima.

Nel grafico di ?Figura 4? sono riportati i valori delle forze mobilitanti relativi ad una unit? minima di impianto dalle caratteristiche del ?Modello? in oggetto, con le due ali - carrello sfasate di 180 ?SX.

Nella figura si identificano i seguenti termini:

FTL = forza tangenziale composita lorda della coppia di ali diametralmente opposte;

FT.1 = forza tangenziale della prima ala;

FT.2 = forza tangenziale della seconda ala;

N = asse delle forze, espresse in Newton;

i = asse delle posizioni azimutali delle ali, espresse in gradi sessagesimali a partire da ?ore 3?.

La Forza Tangenziale Lorda della singola unit? accoppiata, composta dalla prima ala - carrello e dalla seconda sua ?gemella? sfasata di 180 ?SX, nel caso specifico oscilla tra un valore minimo di circa 4.000 Newton ad un valore massimo di circa 5.500 Newton.

La sommatoria delle forze tangenziali di tutte le unit? accoppiate rappresenta la ?Forza Tangenziale Lorda? dell?impianto.

Aumentando il numero delle unit? accoppiate, le oscillazioni della Forza Tangenziale Lorda dell?impianto si smorzano, riducendo il relativo effetto ?pulsante?.

la Figura 5 mostra l?andamento della ?FTL? di un impianto costituito da 6 unit? accoppiate di ala - carrello, e cio? da 12 ali.

Nella figura si identificano i seguenti termini:

FTL = forza tangenziale composita lorda relativa a 6 coppie di ali diametralmente opposte; cio? a 12 ali;

FT.12 = fascio delle singole 6 coppie di ali; cio? 12 ali;

N = asse delle forze, espresse in Newton;

i = asse delle posizioni azimutali delle ali, espresse in gradi sessagesimali a partire da ?ore 3?.

Il numero massimo delle unit? accoppiate rette dall?impianto ? stabilito in base alla larghezza ?L? di ciascuna ala e al raggio ?r? dell?impianto, in maniera che, in zona ?Ore 9?, ciascuna ala non costituisca motivo d?ombra al vento sulla ala che la precede. Un semplice criterio per ridurre l?effetto ombra, con adeguato margine di funzionalit?, consiste nell?applicazione della seguente formula, dove ?n? rappresenta il numero delle ali:

n ? (2*pi) / arccos[(D-L)/(D+L)]

La circonferenza dell?impianto ?Modello? in oggetto, del diametro D.circ = 100 m, ? dell?ordine di ?CC = pi * D.circ ? 314 m?; dunque la ?corda? tra una vela e l?altra ? di circa ?Co = 314/12 ? 26 m?.

Si ? fino ad ora parlato di ?FTL ? Forza (o ?spinta?) tangenziale LORDA? per il fatto che l?apparato rotabile dell?impianto, e cio? il treno dei carrelli su rotaia, presenta una peculiare resistenza all?avanzamento, o Resistenza Tangenziale ?RT?, che si oppone alla forza tangenziale indotta dal vento.

Questa resistenza tangenziale ? piuttosto complessa, ed ? sintetizzata dalla seguente espressione, dove le forze sono espresse in Newton:

RT = N.ruote * (R.volvente R.perno R.raggio.circuito).

I singoli termini del?espressione indicano:

N.ruote = numero delle ruote dell?intero treno; nel caso dell?impianto ?Modello? in oggetto, ove la lunghezza del treno ? di circa 300 m, ipotizzando carri a 2 assi della lunghezza di circa 15 m, risulta un numero totale di ruote pari a:

N.ruote = 4 * (300 / 15) = 80.

R.volvente = resistenza ?ordinaria?, ? la resistenza per attrito volvente della singola ruota su rotaia; ipotizzando una ruota del raggio di circa r.r = 0,45 m, sulla quale gravita una forza - peso di circa F.r = 1,5 ton ? 15.000 N, per un coefficiente di attrito volvente ?ferro su ferro? dell?ordine di K.vol = 0,0005, risulta:

R.volvente = K.vol * (F.r / r.r) = 0,0005 * (15.000 / 0,45) ? 16 N.

R.perno = resistenza ?ordinaria?, ? la resistenza per attrito tra perno e singola ruota; ad un perno attrezzato con cuscinetto a rulli, del diametro di circa d.p = 0,18 m, per velocit? di rotazione non troppo elevate cui corrisponde un coefficiente d?attrito dell?ordine di K.prn = 0,0015, risulta:

R.perno =K.prn*[d.p*F.r/(2*r.r)]=0,0015*[0,18*15.000/(2*0,45)]= 4,5 N.

R.raggio.circuito = resistenza ?accidentale?, ? la resistenza alla singola ruota dovuta al raggio del circuito, funzione del seguente coefficiente di resistenza in curva, interpolato dai valori di varie esperienze, tra cui quella di Von Rockl: K.circ = 6,5 * 1,0015^(-D.circ).

Per l?impianto circolare ?Modello? in oggetto, del diametro di D.circ = 100 m, tale coefficiente, espresso in N/KN, risulta:

K.circ = 6,5 * 1,0015^(-100) = 5,6 N/KN;

La resistenza in curva della singola ruota risulta:

R.raggio.circuito = K.circ*F.r/1.000 = 5,6*15.000/1.000 = 84,0 N.

Occorre peraltro sottolineare che quest?ultimo valore, valido in percorsi con raggi di curvatura variabili da progressiva a progressiva, ? evidentemente sovrastimato nel caso in oggetto, per il fatto che la progettazione dell?impianto ?Modello? perfettamente circolare deve tener conto a priori di tale caratteristica, disegnando gli assi dei carrelli in assetto convergente verso in centro dello stesso circuito. Un tale accorgimento progettuale attenua l?incidenza del bordino di ruota sul lembo interno di rotaia, determinando una condizione di ?raggio di curvatura efficace? decisamente pi? favorevole a quella puramente geometrica. Si pu? ipotizzare che la convergenza degli assi delle ruote verso il centro del circuito porti, nel caso in oggetto, ad una condizione di ?raggio di curvatura efficace? dell?ordine di almeno 10 volte superiore a quella geometrica (pur escludendo per prudenza la condizione di ?percorso rettilineo?, condizione peraltro ragionevolmente presumibile). In tal caso, sarebbe:

K.circ = 6,5 * 1,0015^(-1000) = 1,5 N/KN;

La resistenza in curva della singola ruota risulta:

R.raggio.circuito = K.circ*F.r/1.000 = 1,5*15.000/1.000 = 22,5 N.

La resistenza tangenziale composita del treno eolico risulta dunque:

RT = N.ruote * (R.volvente R.perno R.raggio.circuito)

RT = 80 * (16 4,5 22,5) = 3.440 N.

Nel modello in oggetto, essendo 12 il numero delle ali, suddivise in 6 coppie unitarie diametralmente opposte, la resistenza di ciascuna singola unit? accoppiata risulta:

RT.coppia = RT / 6 = 3.440 / 6 = 574 N.

Tale resistenza si conserva di fatto costante per qualunque velocit? del vento, alla luce del fatto che la velocit? tangenziale di progetto del treno ? costante.

Altri due fattori di resistenza normalmente considerati in relazione ai convogli ferroviari, e cio? la resistenza ?accidentale? dovuta alle pendenze della linea e la resistenza ?ordinaria? aerodinamica, sono nel caso in oggetto trascurabili, essendo il nostro circuito perfettamente in piano, ed essendone l?altezza dei carrelli, per progettazione, estremamente contenuta (quasi ?raso terra?), cosi come la velocit? ?di crociera? del convoglio.

Il riferimento alla singola unit? accoppiata ala - carrello ? utile nella semplificazione delle valutazioni quantitative dell?apparato.

In un precedente paragrafo il valore della Forza Tangenziale Lorda della singola unit? accoppiata ? stato valutato puntualmente variabile tra un valore minimo di circa 4.000 Newton uno massimo di circa 5.500 Newton, per un valore medio di:

FTL.med.coppia ? 4.750 N.

Essendo il valore della resistenza di una unit? di ali accoppiate di 574 N, risulta che il valore della Forza Tangenziale NETTA relativo a tele coppia ? dell?ordine di:

FTN.med.coppia ? 4.750 ? 574 = 4.176 N.

Tale valore ? verosimile per una velocit? media del vento di ?vW = 5 m/sec = 18 km/h?, che rappresenta, su base annua, il ?valore medio - ponderato? della velocit? del vento indicata per le zone pi? significative del territorio italiano.

POTENZA E RENDIMENTO ENERGETICO.

Valutazione di Dettaglio.

La potenza dell?impianto dipende dal regime eolico, e varia col variare della velocit? del vento. La ?Potenza Installata? viene determinata in base al valore massimo ?critico? della velocit? del vento, e cio? la velocit? - limite oltre la quale il funzionamento dell?impianto viene interrotto per evitare di comprometterne l?integrit? strutturale.

La ?FTN - Forza Tangenziale Netta? muove il treno lungo la sua ?rotta? circolare.

Il ?Lavoro - La? svolto, espresso in joule, ?:

La = FTN * dC dove:

FTN = Forza Tangenziale Netta, espressa in Newton;

dC = arco di rotta circolare percorsa, espresso in metri;

mentre la ?Potenza - Pt? esplicata, espressa in Watt = joule / secondo , ?: Pt = La / dt = FTN * dC/dt = FTN * vT dove:

dt = tempo di percorrenza dell?arco di rotta circolare, espresso in secondi; dC/dt = vT = velocit? tangenziale del treno, espressa in metri / secondo.

La velocit? tangenziale ?di crociera? dell?impianto ?Modello? in oggetto ? supposta pari a circa 18 km/h = 5 m/sec., valore ragionevolmente prossimo alla velocit? di crociera di 6 ? 7 nodi per un natante a vela in regata d?altura.

Per una velocit? del vento di 5 m/sec (prossima al valore medio ponderato su base annua, limitatamente ai giorni di esercizio dell?impianto), il raggiungimento della velocit? di crociera del treno, con partenza da fermo e in accelerazione costante, avviene nel seguente intervallo di tempo:

dt = vTC / a = (M * vTC) / FTN espresso in secondi.

Nella equazione sono:

vTC = velocit? tangenziale di crociera, espressa in metri /secondo;

a = accelerazione del treno, espressa in metri /secondo al quadrato;

M = massa del treno, espressa in kilogrammi massa.

A ciascuna singola unit? accoppiata ala - carrello (delle 6 presenti nel treno, per un totale di 12 ali) ? attribuita una massa del valore di circa ?Mua ? 20.000 kgm?. Tale valore ? dedotto dalla premessa secondo cui 80 ? il numero delle ruote del treno, ciascuna caricata con 1,5 tonnellate, con ripartizione su 6 unit? accoppiate ala - carrello; cio?:

Mua = (80 * 1,5) / 6 = 20 ton ? 20.000 kgm.

Essendo il valore medio della Forza Tangenziale Netta dell?Unit? Accoppiata dell?ordine di ?FTN.med.coppia ? 4.176 N?, risulta:

dt = (Mua * vTC) / FTN.med.coppia = (20.000 * 5) / 4.176 ? 24 sec..

Raggiunta la velocit? di crociera, questa viene mantenuta costante sovraccaricando l?apparato in movimento con una ?Resistenza Inerziale? ottenuta mediante un certo numero di generatori elettrici ingranati agli assi di rispettivi carrelli, in assetto di ?recupero di energia in frenata (secondo il concetto del KERS - Kinetic Energy Recovery System)?. I generatori entrano in funzione in parallelo pi? o meno numerosi in maniera proporzionale alla Forza Tangenziale Netta in atto.

Nel caso dell?analisi in corso, per una singola Unit? Accoppiata ala - carrello, la ?Resistenza Inerziale? dell?apparato di generazione elettrica corrisponde alla Forza Tangenziale Netta unitaria di 4.176 Newton; cio? ?RI = FTN = 4.176 N?. Al lordo dell?attrito degli organi elettromeccanici, in corrispondenza dell?arco di lunghezza ?dC?, tale Resistenza Inerziale implica un assetto ?Lavoro -Potenza? di:

La = RI * dC

(dove La = Lavoro, in joule);

Pt = La / dt = RI * dC/dt = RI * v.tr = 4.176 * 5 = 20.880 Watt.

(dove Pt = Potenza, in Watt);

Nell?impianto ?Modello? in esame sono presenti 6 unit? accoppiate ala -carrello, e pertanto la Potenza dell?impianto risulta pari a ?Pt.impianto = 20.880 * 6 = 125.280 Watt ? 125 kW?.

Tale potenza non ? quella ?installata?, bens? corrisponde, per il Modello in oggetto, ad una velocit? del vento di ?vW = 5 m/sec?.

Valutazione su Base Annua.

Per procedere all?analisi delle prestazioni attese su base annua dall?impianto -modello in oggetto occorre rinnovare alcune riflessioni circa la distribuzione della velocit? del vento nell?arco dell?anno.

In mancanza di una adeguata banca - dati sperimentale, un approccio propedeutico sufficientemente affidabile per valutare il problema consiste nell?adottare una conveniente equazione di ?probabilit??, come per esempio la ?Distribuzione di Probabilit? di Weybull - Rayleigh?, illustrata nel grafico di ?Figura 6?.

Nella figura si identificano i seguenti termini:

Wb = curva della distribuzione di Weibull con la quale la velocit? del vento si manifesta nell?arco dell?anno;

FWb = asse delle frequenze, in termini percentuali;

vW.1 = asse delle velocit? del vento, espresse in metri / sec;

vW.2 = asse delle velocit? del vento, espresse in km / ora.

L?espressione analitica che rappresentata tale distribuzione ? la seguente: ?freq.%.Weibull = 100 * {[k*v^(k-1)] / [(A^k) *e^((v/A)^k)]}? nella quale: ?freq.%.Weibull? = frequenza percentuale nell?arco temporale di un anno secondo cui si verifica una determinata manifestazione dinamica eolica;

?A? = parametro ?di scala?, che rappresenta una ?velocit? di riferimento?, funzione della velocit? media annua del vento ?v.med? espressa in m/sec:: ?A ? (v.med) / [(ln2)^(1/k)]?

?k? = parametro ?di forma?, o Fattore Territoriale, riferito ai valori sperimentali riportati da varie Agenzie del settore ed elencati nella tabella seguente:

Il grafico di ?Figura 6? rappresenta la distribuzione della frequenza della velocit? del vento su base annua relativa ad una condizione media ponderata di ?v.med = 5,0 m/sec?, e ad un Fattore Territoriale ?k = 2,0?; si tratta di condizioni piuttosto comuni ed ampiamente diffuse, relative ad aree aperte discretamente ventose.

Il valore ?minimo - critico? della velocit? del vento, al di sotto della quale l?impianto non entra in funzione, viene determinato in ?back calculation? sulla base del valore di resistenza tangenziale dell?unit? accoppiata ala - carrello ?RT.coppia = 574 N?. Esso corrisponde ad una velocit? del vento dell?ordine di ?vW = 1,75 m/sec = 6,3 km/h?. Si tratta di una pura ?velocit? di equilibrio?, alla quale l?impianto tende a muoversi appena.

Di fatto conviene considerare un valore ?minimo - utile? della velocit? del vento, al di sotto della quale l?impianto, pur in grado di produrre energia, risulterebbe scarsamente produttivo.

Il ?valore minimo - utile? ? dunque maggiore del ?valore minimo - critico?. Esso viene determinato in base a criteri di convenienza, il principale dei quali attiene ai tempi di manutenzione dell?impianto.

Supponendo che il ?valore minimo - utile? della velocit? del vento sia di ?vW.min.ut = 2 m/sec ? 7,2 km/h?, dal grafico di ?Figura 6? si riscontra che velocit? fino a tale valore sono presenti per circa il 15% del tempo, cio? per circa 53 giorni all?anno.

Secondo le espressioni precedenti, a tale ?velocit? minima - utile? corrisponde una Forza Tangenziale Netta dell?unit? accoppiata vela - carrello dell?ordine di ?FTN ? RI = FTL - FTR = 750 - 574 = 176 N?.

Partendo da fermo, il tempo impiegato a raggiungere la velocit? di crociera di 5 m/sec risulta:

dt = (Mua * vTC) / FTN.med.coppia = (20.000 * 5) / 176 ? 568 sec. ? 9,5 min..

L?assetto ?Lavoro ? Potenza? dell?intero impianto (comprensivo cio? di tutte e 6 le unit? accoppiate ala - carrello), relativo alla velocit? minima - utile del vento, risulta:

La = 6 * (RI * dC)

Pt = 6 * La / dt = 6 * RI * dC/dt = 6 * RI * vT = 6 * 176 * 5 = 5.280 Watt. Tale valore rappresenta la ?Potenza Minima di Esercizio? dell?Impianto Modello in oggetto.

Il ?valore massimo - critico? della velocit? del vento ? inteso come il valore al di sopra del quale si rende necessaria l?interruzione del funzionamento dell?impianto per non comprometterne l?integrit? strutturale.

Esso viene determinato sulla base del confronto tra il ?momento stabilizzante? dell?unit? accoppiata ala - carrello, caratteristico della sua massa e geometria, e del rispettivo ?momento ribaltante? indotto dalla ?Forza Normale - FN? del vento sulla vela.

Il ?momento stabilizzante?, riferito al segmento di treno sotteso da ciascuna delle 12 ali del Modello in oggetto, viene valutato attraverso la seguente espressione:

MS = [(N.ruote * F.r) /12] * A.s / 2 = 100.000 * 4/2 = 200.000 N*m dove: MS = momento stabilizzante, espresso in Newton * metro;

N.ruote = 80 = numero delle ruote del convoglio anulare;

F.r = 15.000 N = forza con la quale la singola ruota ? caricata verticalmente: A.s = 4 metri = scartamento del binario sul quale corrono i carrelli; la sua met? indica il ?braccio? del momento stabilizzante.

Il ?momento ribaltante? ? valutato considerando il suo ?braccio? pari a circa 2/3 dell??Altezza - H? dell?ala (nel caso in oggetto: H = 30 metri), a fronte di una determinata ?Forza Normale Ribaltante ? FNR? del vento sull?ala.

MR = FNR * H * 2/3 espresso in Newton * metro.

La ?Forza Normale Ribaltante - FNR? ? funzione della velocit? del vento, attraverso le rispettive componenti della ?forza per portanza - Fp? e della ?forza per resistenza - Fr?, secondo la seguente espressione:

FNR = Fp*cos i Fr*{[(sin i)^2]^0,5}

Nel grafico di ?Figura 7? ? tracciato l?andamento della ?Forza Normale -FNR? in funzione della posizione angolare della singola ala, a confronto ?Forza Tangenziale Lorda - FTL?, per una velocit? del vento di 5 m/sec.

Nella figura si identificano i seguenti termini:

FTL = forza tangenziale lorda;

FNR = forza normale ribaltante;

N = asse delle forze, espresse in Newton;

i = asse delle posizioni azimutali delle ali, espresse in gradi sessagesimali a partire da ?ore 3?.

Come si pu? notare, i massimi valori di ?Forza Normale Ribaltante - FNR? si hanno nelle posizione ad ?ore 4.30? e ad ?ore 1.30?.

Il punto di equilibrio tra il ?Momento Stabilizzante - MS? e il ?Momento Ribaltante - MR? si ha quando, nelle posizioni ad ?ore 4.30? e ad ?ore 1.30?, la ?Forza Normale Ribaltante FNR? ?:

MS = MR

[(N.ruote * F.r) /12] * A.s / 2 = FNR * H * 2/3

FNR = {[(N.ruote * F.r) /12] * A.s / 2} / (H * 2/3)

FNR = {[(80*15.000)/12] * 4/2} / (30 * 2/3) = 10.000 Newton.

In ?back calculation? si verifica che tale valore viene raggiunto per una velocit? del vento di circa ?vW = 12 m/sec ? 44 km/h?.

Un adeguato margine di sicurezza nei confronti del rischio di ribaltamento, a parit? di velocit? del vento, si pu? ottenere incrementando lo scartamento del binario da 4 a 6 metri; in tal caso, si avrebbe un ?Coefficiente di Sicurezza - CS ? 1,5?.

Le precedenti considerazioni circa il limite di ribaltamento sono peraltro piuttosto prudenziali, se si attribuisce all?arco di convoglio sotteso dalla singola ala una discreta rigidezza allo svergolamento. In tal caso, il valore del ?braccio? del momento stabilizzante non sarebbe la met? dello scartamento, bens? sarebbe la met? della somma ?scartamento pi? saetta? dell?arco stesso. Si valuta che, per il Modello in oggetto, il ?braccio? del momento stabilizzante ne sarebbe maggiorato di circa il 40 %.

A prevenzione del rischio di ribaltamento / deragliamento del materiale rotabile quando la velocit? del vento supera il limite massimo - critico, l?impianto deve essere attrezzato in maniera tale da mitigarne la sensibilit? nei confronti delle sollecitazioni ribaltanti, gestendo mediante software l?angolo d?attacco dei piani alari, fino al forzato allineamento degli stessi con la direzione del vento.

La velocit? ?massima - critica? del vento ?vW = 44 km/h? viene definita pure ?velocit? massima - utile?, in quanto ragionevole alla luce del fatto che, come si pu? rilevare dal grafico di ?Figura 6?, nel corso dell?anno i giorni nei quali il vento supera tale velocit? sono assai limitati, poco meno del 3% del totale, cio? pari a circa 10 giorni su 365.

In sintesi, nell?arco dell?anno i giorni di ?fermo impianto?, per scarsa velocit? del vento o per eccesso della stessa, sarebbero circa ?53 10 = 63 giorni?, cio? con un mancato esercizio su base annua di circa il 17%.

Il tempo di mancato esercizio viene peraltro assorbito nel ?tempo di manutenzione?.

Nondimeno, come gi? accennato, la gestione mediante software dell?angolo d?attacco dei piani alari consente di operare anche a velocit? del vento superiori a quella massima - critica indicata, operando in regime di ?bolina?, con il movimento del treno anche per angoli d?attacco molto bassi, cio? con i piani alari quasi allineati con la direzione del vento.

La ?Potenza di picco (o Potenza massima gestibile)? dell?apparato, e cio? la sua ?Potenza Installata?, deve essere tarata su valore ?massimo - critico? (o ?massimo - utile?) della velocit? del vento.

Per un ?valore massimo - utile? della velocit? del vento pari a ?vW.max.ut = 12 m/sec ? 44 km/h? si ha una Forza Tangenziale Netta dell?unit? accoppiata ala - carrello dell?ordine di:

FTN.max ? RI.max = FTL.max - FTR = 28.000 - 574 = 27.426 Newton. L?assetto ?Lavoro - Potenza? dell?intero impianto (comprensivo cio? di tutte e 6 le unit? accoppiate ala - carrello), relativo alla velocit? ?massima - utile? del vento, risulta:

La.max = 6 * (RI.max * dC) in N*m;

Pt.max = 6 * La.max / dt = 6 * RI.max * dC/dt = 6 * RI * vT

Pt.max = 6 * 27.426 * 5 = 822.780 Watt ? 822 kW.

Tale valore rappresenta la ?Potenza Massima di Esercizio? o ?Potenza Installata? dell?Impianto - Modello in oggetto.

Per la determinazione del ?Lavoro produttivo complessivo?, ovvero dell?energia utile sviluppata nell?intervallo di ore, giorni e anni, occorre considerare due aspetti:

- essendo i termini dinamici funzione della velocit? del vento, una valutazione corretta del rendimento dell?apparato richiede una analisi dettagliata della distribuzione della velocit? stessa del vento, in termini sia di ?luogo? sia di ?tempo?;

- trattandosi di un apparato meccanico, soggetto a manutenzione e riparazioni, ? necessario prevedere una ragionevole quantit? di giorni, o di tempo in generale, di ?fermo macchina?.

Di fatto questi due aspetti ?si vengono incontro? a vicenda, grazie alla programmazione dei tempi di ?fermo macchina (cut - out)? nei giorni in cui la velocit? del vento assume caratteri estremi, siano essi ?di calma? o di ?tempesta?.

Nel grafico di ?Figura 8? la stessa equazione di Weybull ? riprodotta assieme ai valori energetici ?attesi?, espressi in termini di ?energia (o lavoro) annuale discretizzata?, sulla base dei valori della velocit? del vento, per le rispettive frequenze. Il tratto in neretto distingue la ?curva energetica relativa (o reale od effettiva)? propria dell?apparato condizionato dai ?tempi di fermo?, sia per ?vento estremo? (cio? per vW < 2 beaufort; e per vW > 6 beaufort) sia per manutenzione, dalla ?curva energetica assoluta?, punteggiata, riferita all?impianto considerato sempre in funzione.

Nella figura si identificano i seguenti termini:

Wb = curva della distribuzione di Weibull con la quale la velocit? del vento si manifesta nell?arco dell?anno;

FWb = asse delle frequenze, in termini percentuali;

vW.1 = asse delle velocit? del vento, espresse in metri / sec;

E = asse delle energie, espresse in kWh;

EU = energia anno - utile;

ET = energia anno - teorica.

I ?tempi di fermo? dell?apparato sono stimati nell?ordine di circa il 17% dei giorni / anno, avendo per? l?accortezza gestionale di far coincidere le attivit? di manutenzione e/o riparazione con i periodi di ?vento estremo?.

Il valore del 17% di ?tempi di fermo? ? decisamente moderato rispetto alle realt? delle attuali tipologie di generatori eolici; l?apparato in oggetto si distingue da queste per le sue particolari condizioni di funzionamento anche a velocit? del vento limitate, a partire da circa 2 m/sec (? 7,2 km/h), soprattutto grazie alla configurazione del piano alare, concettualmente caratterizzato da una superficie molto ampia.

L??integrale? della ?curva energetica reale? rappresenta in sostanza l?intera Energia prodotta in un anno dall?impianto Modello in oggetto.

Tale Energia annua ?reale?, espressa in maniera cumulativa nel grafico di ?Figura 9?, risulta dell?ordine di ?E.reale.anno ? 1.600.000 kWh?, rispetto ad un valore di Energia annua ?teorica? di ?E.teorica.anno ? 1.800.000 kWh?.

Nella ?Figura 9? si identificano i seguenti termini:

PP = potenza puntuale, espressa in kW;

EU = energia anno ? utile ? cumulativa;

ET = energia anno ? teorica ? cumulativa;

P = asse delle potenze puntuali, espresse in kW;

E = asse delle energie cumulative nell?arco dell?anno, espresse in kWh/anno; vW.1 = asse delle velocit? del vento, espresse in metri / sec;

A seconda della velocit? del vento, la Potenza Gestita dall?impianto Modello ? molto variabile: da cica 20 kW per velocit? del vento di 2 m/sec (? 7,2 km/h) a circa 830 kW per velocit? di 12 m/sec (? 44 km/h); in teoria, la Potenza Installata nell?apparato, di 830 kW, sarebbe pari alla somma della potenza di 42 generatori da 20 kW ciascuno (per es., allestiti in dispositivo di parallelo automatico).

La potenza dell?impianto rispetto alla velocit? del vento non ? comunque in progressione lineare ma esponenziale. Di fatto, in una prospettiva pi? elementare, tutto il sistema sarebbe soddisfatto attraverso l?impiego di 11 generatori di potenza variabile, secondo la tabella seguente.

I punti di generazione sono comunque multipli, e la loro distribuzione si sviluppa lungo l?intero anello del convoglio. I generatori entrano in funzione in numero adeguato a mantenere costante la velocit? di crociera, mentre l?energia elettrica prodotta viene scaricata sulla ?terza rotaia? e di qui convogliata alla cabina di trasformazione.

Si ricorda che la velocit? tangenziale di crociera dell?Impianto Modello in oggetto ? stata supposta pari a ?vTC = 5 m/sec.?, assimilandola alla velocit? di crociera di 6 ? 7 nodi per un natante a vela in regata d?altura. Nel caso di velocit? di crociera tangenziali maggiori, la Potenza Installata risulterebbe naturalmente superiore a quella indicata.

ELEMENTI COSTRUTTIVI PECULIARI.

Il Modello in oggetto ? costituito da una serie di carrelli di tipo ferroviario, applicati a veicoli connessi l?un l?altro a costituire un convoglio senza soluzione di continuit?, in movimento lungo un percorso piano perfettamente circolare su binario, le cui due rotaie si distinguono in rotaia esterna o ?di extradosso? e rotaia interna o ?di intradosso?. Il movimento ? generato dall?azione del vento su una serie di piani alari incernierati verticalmente sui carrelli.

Per ridurre al massimo l?attrito al movimento dovuto al raggio di curvatura del circuito, i diametri delle due ruote calettate alle estremit? di ciascuna ?sala portante? (o ?assile portante)? differiscono l?uno dall?altro; e cio?: il diametro della ruota che corre sulla rotaia in extradosso ? maggiore del diametro della rispettiva ruota in intradosso. Parallelamente, per garantire la posizione orizzontale dei carrelli, la quota della rotaia in extradosso ? inferiore a quella della rotaia in intradosso.

In funzione del diametro del circuito, sussistono le seguenti peculiarit?:

DR.intrad. = DR.extrad. * (DC.intrad. / DC.extrad.)

QC.intrad. = QC.extrad. [(DR.extrad. ? DR.intrad.) / 2]

in tali espressioni, i termini sono:

DR.intrad. = diametro della ruota sulla rotaia in intradosso;

DR.extrad. = diametro della ruota sulla rotaia in extradosso;

DC.intrad. = diametro del circuito nella rotaia in intradosso;

DC.extrad. = diametro del circuito nella rotaia in extradosso;

QC.intrad. = quota della rotaia in intradosso;

QC.extrad. = quota della rotaia in extradosso.

Nel caso in oggetto, dove si ipotizza un diametro del circuito sulla rotaia in extradosso di ?DC.extrad. = 100 m? e un diametro della ruota in extradosso di ??DR.extrad. = 1,00 m?, a fronte di uno scartamento di ?Scr = 6 m? risulterebbe:

DR.intrad. = 1,00 * [(100 ? 6) / 100] = 0,94 m.

Parallelamente, la quota della rotaia in intradosso risulterebbe pi? elevata di 0,03 m rispetto alla quota della rotaia in extradosso.

Infine, come gi? ricordato in precedenza, gli assi di tutte le ?sale portanti? devono convergere a raggiera verso il centro del circuito anulare.

La scelta delle ?sale portanti? a ruote calettate ? essenziale perch? sull?asse di un congruo numero di esse sono ingranati i generatori elettrici. A causa dei momenti ribaltanti cui i carrelli sono soggetti, in certe posizioni angolari del circuito una delle due ruote della ?sala portante? risulta pi? ?caricata? della rispettiva. L?assetto ?a incastro? di entrambe con l?asse, conferito dalla calettatura, consente di prevenire inopportune variazioni nei rapporti di trasmissione del moto tra ?rotaia - ruota - asse della sala portante - generatore?.

In sezione ortogonale allo sviluppo del circuito anulare, ai veicoli del convoglio viene data una copertura a forma a calotta, conveniente a mitigarne trasversalmente l?impatto del vento. Il collegamento degli stessi veicoli l?uno all?altro senza soluzione di continuit? lungo l?intero circuito, in un assetto simile - per cos? dire - di un ?serpente che si morde la coda?, conferisce al Modello la forma di ?toroide a sezione semicircolare?, o pi? semplicemente ?a ciambella?. L?interno della toroide ? percorribile a piedi come un corridoio od una galleria. Ruotando la stessa toroide a velocit? tangenziale costante e contenuta, il Personale di servizio al suo interno pu? operare in maniera confortevole, scarsamente disturbato dalla forza centrifuga, la sola alla quale lo stesso Personale ? soggetto.

Dal pavimento della toroide emergono alcuni cofani, tanti quanti sono i generatori elettrici ingranati agli assi delle rispettive ?sale portanti?. I generatori sono progettati in maniera tale poter essere collegati in parallelo. La corrente elettrica da essi prodotta viene avviata, attraverso il sistema della ?terza rotaia?, alla cabina di trasformazione, ubicata all?interno del perimetro del circuito anulare. La ?terza rotaia? corre parallela alla rotaia in intradosso.

All?interno della toroide, lungo la mezzeria, dal pavimento fino ad attraversare la calotta, sono verticalmente incernierati gli alberi che sorreggono assialmente le superfici alari. Alla base di ciascun albero, il cui asse prolungato verso l?alto costituisce l?asse di simmetria del rispettivo piano alare, ? applicato il dispositivo elettromeccanico a ?vite senza fine? che, in base alla sua posizione angolare sul circuito anulare, ne comanda l?orientamento nei confronti della direzione del vento. La gestione dei dispositivi a ?vite senza fine? avviene in maniera robotizzata, sulla base di software dedicato.

Nel caso del Modello in oggetto, sono presenti 12 alberi per altrettanti piani alari, distribuiti in maniera equidistante lungo l?intera toroide.

Per accedere all?interno della toroide, il perimetro in intradosso del circuito ? attrezzato con un binario a scartamento ridotto sul quale corre una carrozza -motrice ausiliaria. Questa, imbarcato il Personale di servizio, accelera fino ad acquisire la stessa velocit? del treno e ad accostare una delle porte di accesso alla toroide; a questo punto dell?operazione, gestita in maniera automatizzata, il trasbordo si rivela assai agevole.

Lo spazio all?interno della toroide ? tale da poter ospitare Equipaggi o turni di conduzione - manutenzione per intervalli anche di diverse ore.

La struttura di ognuno dei piani alari ? realizzata in materiale sintetico (tipo policarbonato), in modo da renderla tanto leggera quanto adeguatamente rigida. Di forma sub - rettangolare, il suo profilo ? ?doppiamente simmetrico?; cio?, tutte le sue sezioni normali all?asse longitudinale verticale risultano fusiformi, con i rispettivi centri del fuso giacenti sullo stesso asse longitudinale verticale.

In corrispondenza di ciascun piano alare ? presente un rilevatore di coordinate GPS, collocato sulla struttura della toroide lungo il perimetro in extradosso, nel punto di intersezione con il raggio passante per l?asse verticale del rispettivo piano alare.

La torre anemometrica, per il rilevamento della velocit? e della direzione del vento, ? costituita da un pilone, a traliccio o similare, ubicato al centro del circuito anulare. Solo nel caso di circuito di diametro molto grande sarebbero necessarie pi? torri, ciascuna delle quali a rilevare le condizioni anemometriche sottese da un determinato arco dello stesso circuito; ci? per meglio adattare l?orientamento dei piani alari alle accidentali bizzarrie del flusso eolico.

La direzione del vento ? rilevata mediante una ?manica - bandiera? anemoscopica rigida di adeguate dimensioni, con un sistema di ammortizzazione delle micro - oscillazioni cicliche. L?estremit? ?al vento? della manica - bandiera ? munito di rilevatore di coordinate GPS. Queste coordinate, rapportate a quelle note del fulcro (che coincide con l?asse della torre), consentono di stabilire la direzione del vento.

A ciascun piano alare vengono attribuite tre serie di coordinate, ciascuna ad identificare una posizione:

I - posizione dell?asse del piano alare, variabile, acquisita in tempo reale mediante GPS;

II - posizione dell?estremit? ?al vento? della bandiera anemoscopica, variabile, acquisita in tempo reale mediante GPS;

III ? posizione del pilone anemometrico, fulcro della bandiera anemoscopica, fissa e nota in precedenza.

La conoscenza di queste tre posizioni consente di determinare, per triangolazione, la posizione angolare ?i? del piano alare. A tale posizione angolare corrisponde un preciso ottimale ?angolo d?attacco? del vento sull?ala, cui corrisponde un ben definito angolo di inclinazione dello stesso piano alare rispetto alla tangente del circuito anulare. Un software dedicato all?elaborazione dei tre dati di posizione sopra indicati consente di gestire il sistema robotizzato di controllo dell?orientamento di ciascun piano alare, attraverso la rotazione del suo albero indotta dalla vite senza fine.

Lungo il perimetro in extradosso al circuito anulare ? costruito un rilevato in terra, con lieve pendenza verso l?esterno, e con la quota sommitale sostanzialmente pari alla quota della calotta della toroide, in modo che dal profilo del suolo emergano i soli piani alari. L?obiettivo di questa specie di ?duna? ? quello di ridurre gli attriti al suolo delle correnti eoliche che investono l?impianto nel primo e nel secondo quadrante, e di limitare le turbolenze delle correnti in uscita dal terzo e dal quarto quadrante.

L?accesso all?area interna dell?impianto, cio? l?area circondata dal circuito anulare, ovvero dell??anello attrezzato?, avviene attraverso uno o pi? sottopassi carrabili.

VANTAGGI.

I pi? significativi vantaggi dell?impianto Modello in oggetto sono i seguenti: - Il comparto elettromeccanico ? ubicato sostanzialmente al suolo, in parte mobile, montato all?interno della toroide in movimento; ed in parte fisso, in corrispondenza della cabina di trasformazione. Grazie a tale condizione esso ? pi? facilmente accessibile e gestibile che non per i generatori eolici con gondola sospesa in quota. Ci? permette di semplificare le operazioni di conduzione e di manutenzione e/o riparazione, riducendone i tempi in maniera significativa, con speculare guadagno della produzione, anche per il fatto che tali attivit?, condotte dall?interno della toroide in movimento, non richiedono l?arresto dell?impianto, a meno di condizioni eccezionali rispetto alla consuetudine prevista a livello di progetto.

- L?impianto funziona qualunque sia la direzione del vento, nei confronti della quale l?orientazione ottimale dei piani alari viene controllata e gestita in automatico mediante software.

- La distribuzione dei punti di produzione elettrica su un adeguato numero generatori indipendenti collegabili in parallelo rende la gestione della produzione molto flessibile. Tale soluzione risulta particolarmente favorevole in termini sia di progettazione, sia di manutenzione, sia di contenimento dei costi grazie all?ampia offerta sul mercato di tale tipologia di generatori elettrici. - La collocazione dei gruppi di generazione elettrica all?interno dei cofani distribuiti lungo il pavimento della toroide ne consente una adeguata insonorizzazione. Il rumore dell?intero impianto equivale a quello del vento su vele in regata, senza peraltro il rumore delle chiglie sulle onde.

- L?impianto risulta versatile nella collocazione in aree costiere, ove si possano sfruttare alternatamente le correnti eoliche ?di mare? e ?di costa?; o anche in aree ?offshore?, in corrispondenza di bassi fondali, sui quali il circuito anulare possa essere intestato mediante rilevati artificiali a ?diga foranea? o mediante impalcati sorretti da piloni. In questa prospettiva, particolarmente indicate sarebbero quelle aree che, in zona costiera, presentassero problematiche di degrado ambientale, naturale o antropico, per le quali fossero necessarie iniziative di recupero, che potrebbero essere inglobate nella pianificazione dell?impianto eolico stesso.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI del Modello di Utilit? dal titolo: ?GENERATORE EOLICO AD ASSE VERTICALE SU ROTAIA?, 1) - La rivendicazione n. 1 raffigura un apparato costituito da strutture alari verticali incernierate su carrelli di un treno circolante su rotaia in piano, lungo un percorso anulare. I carrelli del treno sono collegati l?uno all?altro senza soluzione di continuit?, cos? che il treno ha la stessa lunghezza del circuito anulare. 2) - La rivendicazione n. 2 raffigura la geometria di una singola struttura alare verticale; questa ? sub - rettangolare, simmetrica rispetto all?asse longitudinale. Le sezioni trasversali dell?ala sono biconvesse e simmetriche rispetto alla linea di corda, con rapporto ?spessore/corda? estremamente esiguo, cos? che il profilo alare risulta di fatto conforme a quello di ?lastra sottile?. 3) - Secondo le rivendicazioni 1 e 2, la rivendicazione n. 3 raffigura l?estremit? di base dell?asse longitudinale delle strutture alari verticali incernierata sul pianale di un rispettivo numero di carrelli con distribuzione equidistante; la rotazione dell?asse dell?ala nel punto di cerniera, e cio? la rotazione azimutale del piano alare, avviene attraverso ingranaggio a vite senza fine governato da robot. 4) ? La rivendicazione n. 4 raffigura una torre o pilone anemografico ubicato al centro del circuito anulare. Alla sommit? del pilone, oltre all?anemometro, ? incernierato un dispositivo rigido a ?manica - bandiera?, atto ad orientarsi secondo la direzione del vento. 5) - La rivendicazione n. 5 raffigura un sistema di raccolta ed elaborazione dati consistente in un certo numero di rilevatori di segnali di posizione ?GPS -Global Positioning System?, collocati rispettivamente in corrispondenza di ciascuna ala ed alla estremit? della manica - bandiera dell?anemografo; di un registratore della velocit? del vento rilevata dall?anemometro; di un elaboratore elettronico con relativo software dedicato; di una cassetta di controllo robot capace di tradurre i dati elaborati in comandi elettromeccanici trasferiti al sistema di ingranaggi a vite senza fine, cui spetta il compito di orientare i piani alari nella posizione ottimale rispetto alla direzione del vento. 6) ? La rivendicazione n. 6 raffigura una serie di generatori elettrici ingranati ad numero rispettivo di sale montate, le quali funzionano da ?sale mortici inverse?, trasferendo la coppia generata dall?attrito ruota - rotaia all?asse dei generatori stessi. Questi generatori, installati all?interno di cofani posizionati sul pianale dei carrelli del convoglio in corrispondenza delle rispettive sale montate, lavorano secondo il principio di ?recupero di energia? (KERS -Kinetic Energy Recovery System). Essi entrano in funzione in parallelo pi? o meno numerosi a seconda della forza eolica tangenziale che spinge il convoglio. L?energia elettrica prodotta dalla serie di generatori viene avviata alla cabina di trasformazione attraverso il sistema della ?terza rotaia?; quindi dalla cabina di trasformazione alla rete.