IT202100008969A1 - Turbina eolica ad asse verticale multifunzione ad alta efficienza - Google Patents

Description

Descrizione dell?Invenzione avente per Titolo:

?Turbina eolica ad asse verticale multifunzione ad alta efficienza?

RIASSUNTO

Scopo della presente invenzione ? realizzare una turbina eolica ad asse verticale ad alta efficienza, idonea per una molteplicit? di installazioni, attraverso la combinazione di un rotore e di un dispositivo esterno tra loro concentrici e mobili in modo indipendente. Il dispositivo esterno assolve ad una molteplicit? di funzioni che sinteticamente possiamo definire come un Convogliatore e Regolatore di Flusso Rotante Multifunzione (COREFROM) e nella trattazione, per definirlo, utilizzeremo alternativamente il nome per esteso, il suo acronimo e il termine ?dispositivo esterno? per intendere il medesimo oggetto. Il rotore ? interno ed ha una pluralit? di pale, ? in parte riparato dal dispositivo esterno (COREFROM) e come quest?ultimo si muove sotto la spinta del vento ma solo il primo produce energia meccanica ed elettrica. Il COREFROM dotato di 3 o pi? vele, convoglia il vento sulle pale della parte attiva del rotore riparando al contempo le pale di ritorno. Il dispositivo esterno stabilizza le forze incidenti sulla turbina, riduce i moti turbolenti del vento in uscita ed ? deputato alla messa in sicurezza del sistema in caso di situazioni fuori standard. Il COREFROM ruota secondo la direzione del vento e rimane praticamente immobile con venti stazionari e pu? essere utilizzato anche a fini pubblicitari, artistici o per la produrre energia elettrica dalla conversione diretta della radiazione luminosa incidente sullo stesso.

CAMPO TECNICO DELL?INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un aerogeneratore eolico, o turbina eolica, per la trasformazione dell?energia cinetica del vento in energia meccanica e/o elettrica

STATO DELL?ARTE DELL?INVENZIONE

La turbina ad asse verticale ? stata studiata fin dal 1920 da Savonius e Darrieus ma solo nel 1980 sono stati realizzati i primi prototipi. Attualmente il mercato propone diverse soluzioni riconducibili a quelle da loro studiate la cui caratteristica comune ? il fatto che il vento incide in tutte le parti del rotore, comprese le pale di ritorno, causando perdite di efficienza. Hanno quindi un basso Coefficiente di Potenza (molto minore delle turbine ad asse orizzontale) e conseguentemente bassa efficienza di trasformazione. Le pale sottovento, inoltre, muovendosi in una scia turbolenta, portano la macchina a lavorare con una coppia non costante. Turbine eoliche ad asse verticale di grande taglia hanno evidenziato anche problemi di attivazione con venti deboli, di stabilit? e di sicurezza e per questo il mercato ne propone solo di piccola taglia per installazioni e/o casi per lo pi? particolari. Ci sono diversi brevetti che attraverso dei convogliatori di flusso hanno cercato di risolvere i problemi di cui sopra e ad esempio cito GB2475843A (Fletcher John Kennedy), GB2480446A (Wilson Allan Howard), DE736278C (Wilhelm Teubert), US2007/2693041 (Burg Donald E), EP3207244 (De Luca M., Ingrassia G.), US2009/0081020?1 (Dennis P. Caldwell). A mio avviso le soluzioni proposte non risolvono i problemi enunciati quali il basso coefficiente di potenza, il corretto allineamento del convogliatore con il vento, i moti turbolenti generati dall?aria in uscita, il bilanciamento delle forze incidenti sulla turbina e la messa in sicurezza della stessa in condizioni non standard di funzionamento. La presente invenzione si propone di risolvere i summenzionati problemi.

SOMMARIO DELL?INVENZIONE

La presente invenzione, espressa e caratterizzata nella rivendicazione principale, si riferisce ad un aerogeneratore eolico, o turbina eolica, ad asse verticale con un rotore e un dispositivo esterno con funzione di Convogliatore e Regolatore di Flusso Rotante Multifunzione (COREFROM). Il rotore ? dotato di una pluralit? di pale che lo fanno ruotare sotto la spinta del vento incidente e del vento convogliato dal COREFROM che dotato di tre o pi? vele protegge anche le pale di ritorno. Il rotore e il dispositivo esterno sono progettati per lavorare insieme per le finalit? di allineamento del sistema a favore di vento, per il bilanciamento delle forze esterne incidenti, per ridurre i moti turbolenti con i venti standard e per la messa in sicurezza del sistema in condizioni di emergenza. Da questo ne consegue una elevata efficienza di trasformazione dell?energia.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

? Fig 1: vista superiore schematica della turbina eolica

? Fig 2: vista superiore schematica del rotore della turbina eolica (dettaglio)

? Fig 3: vista superiore schematica del COREFROM della turbina eolica (dettaglio)

? Fig 4: Esempi non esaustivi di profili (vista in sezione) delle vele del COREFROM

? Fig 5: Esempi non esaustivi di profili (vista in sezione) delle pale del rotore

? Fig 6: Prospettiva della turbina eolica con l?osservatore posizionato ad Est secondo l?orientamento di cui la Fig 1

? Fig 7: Prospettiva della turbina eolica con l?osservatore posizionato a Sud-Ovest secondo l?orientamento di cui la Fig 1

Di seguito si riporta il significato dei simboli rappresentati e a titolo di esempio le misure utilizzate per la realizzazione del modello usato per la sperimentazione. Tali misure sono ricavate dai modelli matematici utilizzati e verificati in fase di sperimentazione ma si precisa che i valori indicati non sono in alcun modo vincolanti ai fini della seguente invenzione.

(*) Il valore numerico dell?esempio riportato ? la dimensione delle vele V1, V2 e VT nel piano xy avendo le stesse tutte altezza pari ad 80 cm ;(*) I Bracci hanno l?unico vincolo della lunghezza ma non della larghezza e possono anche essere tra loro uniti fino a formare un disco superiormente e/o inferiormente alla turbina

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

La turbina eolica ad asse verticale, oggetto della presente invenzione, ? costituita da un rotore e da un dispositivo esterno (COREFROM), tra loro concentrici, che si muovono in modo indipendente sotto la spinta del vento. Il rotore (interno) ha una pluralit? di pale che ruotano sotto la spinta del vento mentre il COREFROM (esterno), dotato di 3 o pi? vele, convoglia il vento sulla parte attiva del rotore. Nella configurazione minima di tre vele le prime due convogliano il vento sulla parte attiva e produttiva del rotore riparando al tempo stesso dal vento le pale di ritorno. La terza vela stabilizza il sistema e sar? meglio dettagliata successivamente. Il COREFROM ? progettato dal punto di vista matematico in modo che le tre vele (connesse tra di loro) ruotino mantenendo sempre la vela VT sottovento e parallela alla direzione del vento in modo che V1 e V2 possano convogliare il vento nel modo opportuno. Per il dimensionamento dei vari componenti del dispositivo esterno si impone matematicamente di ridurre fino ad annullare la risultante dei momenti torcenti dati dalla forza cinetica del vento e dalla forza peso di tutti i componenti installati con particolare attenzione alle vele che producono i maggiori sforzi sull?asse di rotazione. In sintesi e in modo non esaustivo M1V+M2V+MTV=0 e M1P+M2P+MTP=0 dove M (momento torcente) ? la grandezza vettoriale data dal prodotto della Forza per il Braccio (se pedice ?V? ? vento - se pedice ?P? ? peso). Le equazioni vettoriali di cui sopra si applicano all?asse x (ortogonale direzione del vento) e all?asse y (parallela direzione del vento) imponendo i valori di ? ? e Gli angoli ? e sono interdipendenti e sono i valori che imponiamo affinch? la vela V2 ripari dal vento le pale di ritorno del rotore. Gli angoli ? e sono anch?essi interdipendenti e, in prima battuta, il valore di ? pu? essere assegnato imponendo la massima apertura al vento della parte attiva del rotore (le pale attive completamente scoperte) e il valore di stabilendo che il vento condotto da V1 incida tangenzialmente alle pale del rotore. Questi valori saranno poi meglio definiti in funzione delle caratteristiche dei venti dominanti del sito di installazione, della velocit? che vogliamo imprimere al rotore, dalla prontezza al riallineamento in caso di cambi di direzione del vento e dalla gestione della scia turbolenta dell?aria in uscita. I valori definitivi di ? e ma anche di BT e VT si ricavano dalle leggi e dalle formule della fluidodinamica applicate al sistema totale (rotore e dispositivo esterno) e validate sul campo. Da queste equazioni e con le considerazioni di cui sopra si dimensionano i Bracci di sostegno delle vele, gli angoli delle stesse e le dimensioni di V1 e V2. Da queste derivano pure i valori di BT e VT minimi che garantiscono che il sistema sia orientato a favore di vento (VT sottovento). Le diverse variabili permettono di realizzare i componenti per realizzare turbine eoliche specifiche per il sito di installazione che soddisfino tutte le esigenze ma ? al contempo possibile fissare dei valori mediani per costruire una turbina standard valida per la maggior parte dei siti. I modelli matematici e fisici di cui sopra prevedono anche che in caso di repentini cambi di direzione del vento il COREFROM sia normalmente portato a riorientarsi a favore di vento (in questo caso interviene prontamente la vela VT coadiuvata dalle vele V1 e V2 che insieme riallineano perfettamente il sistema a favore di vento). Nella fase di riallineamento partecipa anche il rotore attraverso i moti turbolenti da lei prodotti nella fase di transizione che incidendo sulle vele forza il sistema ad allinearsi a favore di vento. Il COREFROM ha anche una funzione di sicurezza dato che i moti turbolenti che si generano in uscita dal rotore dipendono anche dalla velocit? del vento incidente. Le vele possono essere dimensionate in modo che con venti molto grandi non sia allineato perfettamente con il vento e quindi riproporre i limiti delle turbine ad asse verticale classiche che hanno una velocit? massima di rotazione che in caso di venti sostenuti ? un pregio. In merito alla gestione dei moti turbolenti in uscita possiamo dire, senza rappresentazione matematica, che il vento incidente sulle vele V1 e V2 genera una depressione nella zona sottostante alle stesse favorendo l?inserimento in tale spazio del vento in uscita dalle pale attive del rotore favorendo la distribuzione dell?aria su una superficie maggiore che riduce i moti turbolenti nell?immediato intorno del rotore che cos? pu? ruotare con maggiore velocit? e fluidit?. La vela V1 contribuisce a convogliare il vento, ad allineare il sistema a favore di vento, ad equilibrare il sistema dal punto di vista delle forze ma serve anche per ridurre i moti turbolenti dando ulteriore spinta al vento che viene forzato in direzione dell?albero di rotazione facendo s? che il vento in uscita possa trovare sfogo in un volume molto maggiore che partendo da sotto la vela V1 si estende per tutta la zona in uscita del rotore fino a sotto alla vela V2 nella quale si ? generata la depressione maggiore. Questo accorgimento permette la riduzione dei moti turbolenti ma anche uno sfruttamento migliore dell?energia del vento che viene ?forzata? a permanere sulle pale del rotore. La vela VT ? progettata per dimensione, sagoma e distanza dalle pale del rotore in modo che fino ad una certa velocit? del vento incidente sul rotore, il vento in uscita non influenza la vela VT ma superata una certa soglia, l?aria in uscita, che sar? essa stessa maggiore di un certo valore prefissato, si trover? ad incidere su VT generando automaticamente dei moti turbolenti che avranno come effetto immediato di ridurre la velocit? di rotazione del rotore. Inoltre, i moti turbolenti incidenti sulla vela VT forzeranno la stessa a ruotare in senso antiorario scoprendo parte delle pale di ritorno e coprendo parte delle pale attive con il risultato di rallentare la rotazione della turbina. Il sistema costituito dal rotore e dal dispositivo esterno pu? essere adeguatamente progettato fissando la velocit? massima di rotazione del rotore che si ottiene impostando la massima velocit? del vento oltre il quale la turbina si stabilizza su una velocit? di rotazione costante di sicurezza proprio per l?effetto generato dai moti turbolenti sulla vela VT. Questo permette il funzionamento della turbina con venti deboli ma anche con venti forti aumentando le ore di lavoro e la produzione energetica. La posizione delle vele V1 e V2 pu? essere anche invertita e in questo caso il rotore interno girerebbe in senso orario. Per assecondare la forza di Coriolis e il moto di rotazione terrestre che favorisce naturalmente i moti circolari in senso antiorario (nell?emisfero Boreale in cui siamo) si ? scelta la conformazione delle vele con V1 a sinistra e V2 a destra come da disegno tecnico allegato. Operando nell?emisfero australe sarebbe da preferire la conformazione con le vele invertite. Nel caso di Turbina di piccola taglia il beneficio che ne deriva dall?assecondare la forza di Coriolis ? ridotto ma questo accorgimento diventa indispensabile nel caso la turbina fosse di taglia grande, per sfruttare i venti forti, installata su montagne o nel mare (offshore). Una turbina di grandi dimensioni per installazioni es. offshore pu? sfruttare opportunamente i venti molto forti e in questo caso, la grande differenza di pressione tra l?interno (area sottostante le vele V1 e V2 fino alla vela VT) e l?esterno della turbina produce un moto circolare ascendete che porta il vento ad uscire non solo sul piano nel quale ? entrato ma superiormente alla turbina stessa. In questo caso ? indispensabile assecondare la forza di Coriolis che contribuisce alla creazione del moto circolare ascensionale dell?aria superiormente alla turbina stessa e quindi in tale spazio avremo i moti turbolenti che in questa posizione non influenzano il rotore che pu? ruotare al meglio con grandi benefici di produzione di energia meccanica ed elettrica. Per la stabilizzazione del sistema dal punto di vista delle forze incidenti ? in questo caso importante anche l?effetto giroscopico del rotore rimanendo valido quanto precedentemente descritto compreso il metodo per la messa in sicurezza, che nel caso di turbine di taglia maggiore, avverr? sempre con la rotazione del COREFROM che potr? avvenire anche per via elettromeccanica a seguito di comandi manuali o automatici dati da sensori di sicurezza o programmi di gestione.

Indipendentemente dalla taglia, il COREFROM pu? essere dotato anche di dispositivi meccanici o elettrici/elettronici di sicurezza che in presenza di vento elevato mettono in sicurezza il dispositivo anche modificando l?orientamento e l?angolazione delle vele. Pu? essere installato anche un sistema di frenatura idraulico della parte rotante per garantire la messa in sicurezza dell?impianto in ogni situazione che si possa verificare al di fuori delle normali condizioni operative di funzionamento.

L?aereogeneratore ad asse verticale in oggetto pu? essere realizzato in scala di qualsiasi dimensione dal micro eolico all?impianto di maggior dimensioni. Pu? sfruttare al meglio i venti deboli e quindi pu? essere installato in aree agricole, urbane su abitazioni o condomini, su fabbricati industriali o, se messo su pali, nelle aree pubbliche. Pu? lavorare con venti forti installato sulle cime dei monti o nel mare realizzato in taglie maggiori.

Le vele, come detto precedentemente, saranno progettate e costruite per rispettare i requisiti di aerodinamicit? e di equilibrio delle forze incidenti che per loro natura sono variabili (vento, clima, pressione atmosferica ecc) e per questo ? previsto che negli spazi interni alle vele ci siano dei pesi di taratura calibrati in fase di messa in esercizio che potranno essere fissi (tarati per le condizioni standard) o mobili per avere maggiore precisione, azionabili meccanicamente o elettronicamente. Il rotore sar? dotato di una pluralit? di pale che a titolo di esempio si considera in numero di quattro e le stesse saranno sagomate in modo da poter prendere il vento nel modo pi? produttivo nelle diverse condizioni di ventosit? del sito di installazione. Nella Fig.5 del disegno tecnico allegato sono riportate, in modo non esaustivo, alcuni esempi dei possibili profili adottabili in fase di realizzazione. I ?profili? delle vele del dispositivo esterno e delle pale del rotore si ottengono sezionando la turbina con un piano ortogonale all?asse di rotazione e non si escludono altri profili rispetto a quanto rappresentato nel disegno tecnico o combinazione degli stessi. Le pale saranno collegate ad un cilindro il cui diametro dipende dalla rigidit? o leggerezza e flessibilit? che deve essere conferita al sistema o altre esigenze date dal sito di installazione. Il cilindro o albero di rotazione ruota intorno all?asse che potrebbe essere anche materialmente un mozzo solidale con la base di fissaggio della turbina a cui sono collegati attraverso cuscinetti o altro il rotore e il COREFROM. Nel caso di turbine di maggior dimensioni il profillo delle pale potrebbe anche modificarsi in altezza assumendo un profilo a vite per favorire la creazione dei moti ascensionali. Il cilindro a cui sono fissate le pale pu? contenere al suo interno anche una o pi? dinamo deputate alla trasformazione dell?energia meccanica in energia elettrica e in questo caso il diametro ? maggiorato. La dinamo potr? essere collocata anche alla base del rotore interno (come riportato nel disegno tecnico) o sulla sommit? dello stesso. Utilizzare pi? di una dinamo (interna, esterna o combinazione delle due) permette di farle intervenire in successione all?aumentare della velocit? di rotazione e questo al fine di sfruttare al meglio la potenza elettrica prodotta e stabilizzare la velocit? di rotazione delle pale sui valori di maggior efficienza. Dimensionando opportunamente l?effetto frenante della dinamo si otterr? anche di contenere la velocit? di rotazione entro i limiti di sicurezza anche con venti sostenuti.

L?albero di rotazione a cui sono fissate le pale del rotore pu? avere anche sezione o forma diversa da quella cilindrica e qualsiasi dimensione (diametro e altezza) idonea all?equilibrio e funzionalit? del sistema. Tutti i sistemi di frenatura e messa in sicurezza sono progettati e configurati in modo da intervenire ad esempio, nelle seguenti situazioni:

? In presenza di ventosit? atmosferica oltre le normali condizioni di funzionamento, tipicamente oltre i 25 m/s. In queste condizioni un anemometro registra il superamento della soglia impostata e invia un segnale elettrico per l?azionamento dei dispositivi preposti.

? In presenza di vibrazioni eccessive oltre una soglia di sicurezza, registrate da un accelerometro installato a bordo della turbina eolica o del palo di sostegno.

? In presenza di una temperatura eccessiva nel generatore/dinamo,

? In presenza di un allarme di guasto generico (inverter, linea elettrica, ecc.)

? In assenza di alimentazione elettrica.

Le vele del dispositivo esterno si orientano automaticamente secondo la direzione del vento e quindi con vento costante sono praticamente ferme e possono essere utilizzate anche a fini pubblicitari. Una turbina eolica per prendere il vento deve essere installata in posizione rialzata rispetto al contesto che la circonda e libera da ostacoli e questo la rende visibile imponendo una maggiore attenzione per l?inserimento nel contesto urbano e paesaggistico ma proprio per la sua visibilit? potrebbe essere utilizzata sia dal punto di vista artistico che pubblicitario. A titolo di esempio le vele possono fungere da insegna del negozio sottostante, essere sagomate con loghi, serigrafate con immagini commerciali oppure trasparenti o con uno schermo a led con la possibilit? di inserire all?interno dei messaggi pubblicitari o altre soluzioni tecniche utili a fini pubblicitari. Potrebbe essere utilizzata anche a fini artistici attraverso colorazioni e forme particolari creando ad esempio un percorso tematico all?interno di un parco urbano. Hanno una dimensione contenuta e questo ? un beneficio in termini di impatto ma ruotando al variare della direzione del vento saranno visibili a 360?. Sulle vele e sui bracci di sostegno sar? inoltre possibile installare celle fotovoltaiche per la conversione diretta della radiazione luminosa in energia elettrica. Questa risulter? particolarmente produttiva nelle prime e nelle ultime ore del giorno e nei mesi invernali quando il sole ? basso all?orizzonte e perpendicolare alle vele. I Bracci hanno come unico vincolo la lunghezza (distanza tra l?asse di rotazione C e il punto di contatto con la vela) ma la superficie pu? variare per esigenze di robustezza o di superficie utile. In questo caso i Bracci, per permettere di allocare il maggior numero di celle, avranno una superficie maggiorata e potrebbero essere anche tra loro uniti fino a formare un disco superiormente o inferiormente alla turbina.

Dal punto di vista costruttivo i componenti della turbina eolica in oggetto potranno essere realizzati con qualsiasi materiale metallico, ceramico, polimerico, composito, naturale, sintetico o combinazione degli stessi che possa conferirgli la giusta robustezza e leggerezza. Gli elementi saranno preferibilmente trattati superficialmente con protezioni anticorrosive e anti erosive specifiche per aumentare la durata nel tempo e per consentire l?eventuale installazione in ambienti marini o desertici. I componenti sono tutti di uso comune, i materiali facilmente reperibili e non si intravedono difficolt? per l?assemblaggio e la manutenzione. Ai fini della presente descrizione e delle rivendicazioni, con il termine ?normali condizioni di funzionamento? si intender? condizioni atmosferiche con venti superiori a 1 m/s e minori di 25 m/s. Per venti superiori ai 25 m/s la turbina pu? continuare a lavorare e produrre energia ma nelle forme di sicurezza descritte. Di seguito si dettagliano i componenti della Turbina Eolica oggetto dell?invenzione:

1. Il rotore di cui alla Fig 1 e Fig 2 ? rappresentato con 4 pale con un profilo a cucchiaio per comodit? grafica, ma per rispondere al meglio a tutte le condizioni di installazione il numero delle pale pu? essere minore, uguale o maggiore di 4. Anche il profilo delle pale pu? discostarsi da quello rappresentato graficamente per raccogliere al meglio il vento incanalato dalle vele e nella Fig.5 si riportano in modo non esaustivo degli esempi di profili utilizzabili.

2. Il dispositivo esterno di cui alle Fig 1 e Fig 3 ? composto di tre vele tra loro rigidamente connesse in modo che al cambiare della direzione del vento tutto il sistema ruota insieme per orientarsi sempre a favore di vento. La progettazione impone e la costruzione realizza che le vele V1 e V2 siano sopravento e VT sottovento (secondo il termine marinaresco). Gli angoli ?, tra i bracci B2 e BT, e ? tra i bracci B1 e BT, sono calcolati secondo modelli matematici e fisici che tengono conto delle condizioni di ventosit? del sito di installazione, dei materiali costruttivi utilizzati, dei profili delle vele del COREFROM e dei profili delle pale del rotore. L?angolo tra i bracci B1 e B2 si ottiene per differenza degli angoli ? e ? calcolati. Discorso analogo pu? essere fatto se le vele sono in numero maggiore di tre. I profili delle vele del dispositivo esterno saranno appositamente studiati per il sito di installazione, fermo restando soluzioni standardizzate valide per installazioni tipiche. Il profilo delle vele (vedi Fig. 4) assolver? a diversi compiti i cui i principali sono: 2.1) avere portanza (maggior pressione) sulla parte sopravento delle vele V1 e V2 e bassa pressione sulla parte sottovento delle vele medesime.

2.2) convogliare il vento sulla parte attiva del rotore riducendo fino ad annullare la coppia negativa data dall?incidenza del vento sulle pale di ritorno tipica delle Turbine ad asse verticale di Savonius e Darrieus.2.3) mettere in sicurezza la turbina. In caso di venti molto sostenuti il COREFROM si posiziona in modo da mettere in sicurezza il rotore e quindi tutto il sistema della Turbina. 2.4) la vela V1 favorisce la permanenza del vento all?interno del rotore aumentando l?efficienza e riducendo i moti turbolenti. 2.5) la portanza creata dal vento incidente sulle vele V1 e V2 crea due forze ortogonali proporzionali all?area delle vele, agli angoli ? e ? e ai bracci B1 e B2 che se tutti opportunamente dimensionati oltre a mantenere il COREFROM sempre orientato con V1 e V2 sopravento e VT sottovento contribuisce ad equilibrare il sistema delle forze incidenti. 2.6) Il dispositivo esterno, opportunamente dimensionato, riduce fino ad annullare la risultante dei Momenti torcenti dati dalla forza del vento e dalla forza peso. Ridurre la flessione dell?asse di rotazione riduce gli attriti, il rumore generato, la manutenzione aumentando al contempo l?efficienza del sistema.

3. La vela VT si mantiene sottovento e parallela alla direzione del vento.

4. Le tre vele V1, V2 e VT svolgono ognuna un compito specifico e per questo ? possibile delegare il compito di specie a pi? di una vela e quindi il COREFROM potrebbe avere non pi? tre ma quattro, cinque vele e oltre. Ad esempio, al posto della vela V2 si potrebbero installare, nella stessa posizione, due vele V2.1 e V2.2 con profili diversi le quali combinate svolgono la stessa funzione di V2 ma con maggior efficienza. I modelli matematici impongono le dimensioni dei vari componenti ed aumentando il numero delle vele si pu? migliorare l?efficienza del sistema a scapito di una maggiore complessit? e maggiori costi di costruzione. La presente invenzione si presta ad una elevata flessibilit? costruttiva potendo scegliere se avere maggiore efficienza ma pi? complessit? o minori componenti e quindi meno costi e manutenzione ridotta.

5. Il dispositivo esterno di cui alle Fig.1 e Fig.2 ? connesso al rotore e/o all?asse di rotazione attraverso dei dispositivi meccanici appositamente progettati con cuscinetti a sfera o altro, che non vengono rappresentati, idonei a garantire la rotazione con il minor attrito possibile.

6. Il rotore di cui alle Fig. 1 e Fig. 2 ? connesso all?asse di rotazione, alla dinamo e/o al COREFROM attraverso dei dispositivi meccanici appositamente progettati con cuscinetti a sfera o altro idonei a garantire la rotazione con il minor attrito possibile.

Di seguito si rappresenta il funzionamento della turbina eolica ad asse verticale di cui alla presente invenzione.

In assenza di vento (velocit? inferiore a 1 m/s) la turbina eolica ? ferma ed inizia a muoversi e quindi a generare energia all?aumentare dello stesso andando a regime con velocit? maggiori di 2 m/s. In presenza di vento il COREFROM ? portato ad orientarsi con le vele V1 e V2 sopravento e VT sottovento (secondo il termine marinaresco). Le pale del rotore ruoteranno per effetto del vento incidente che si somma a quello convogliato dalle vele V1 e V2. Il rotore produce energia meccanica ed elettrica attraverso una dinamo che pu? essere interna od esterna all?albero di rotazione; entrambe le forme di energia possono essere utilizzate a fini civili o industriali. La geometria delle vele ? progettata in modo da far s? che le vele del dispositivo esterno reagiscano prontamente ai cambi di direzione del vento allineandosi sempre nel modo precedentemente descritto e per tale esigenza oltre a V1 e V2 interviene anche VT. Le Vele V1, V2 e VT possono assolvere anche a funzioni pubblicitarie sagomandole con i loghi di marchi noti o inserendo dei messaggi pubblicitari.

Riassumendo, la Turbina eolica ad asse verticale di cui alla presente invenzione consente di ottenere i seguenti vantaggi:

1. Maggiore efficienza di trasformazione dell?energia del vento in energia meccanica o elettrica che permette anche un ritorno economico dell?investimento in tempi pi? brevi.

2. Basso cut-in. Il rotore interno si attiva con velocit? del vento molto basse, circa 2 m/s, grazie al fatto che le vele V1 e V2 convogliano il vento che sarebbe normalmente improduttivo e/o dannoso ai fini della trasformazione dell?energia del vento in energia meccanica ed elettrica.

3. In caso di venti forti o condizioni avverse il sistema si mette automaticamente in sicurezza riducendo la velocit? di rotazione senza fermarsi. L?arresto ? previsto solo in casi estremi.

4. Nel caso di Turbine di grande taglia che sfruttano anche i venti pi? forti il sistema dato dal rotore e dal COREFROM ? dimensionato per generare un moto ascensionale che porta il vento in uscita anche sopra alla turbina con grandi benefici in termini di produzione elettrica e di riduzione dei moti turbolenti.

Il rotore e il dispositivo esterno, appositamente dimensionati, permettono la compensazione delle forze incidenti e questo riduce gli attriti, le vibrazioni e conseguentemente il rumore prodotto rendendola idonea per una installazione anche in ambiente urbano.

Pu? essere utilizzata a fini pubblicitari, grafici o artistici per inserimenti in posizioni rialzate maggiormente ventose e produttive ma anche maggiormente visibili.

Pu? essere utilizzata per produrre energia dalla radiazione luminosa incidente sulle vele e sui Bracci del COREFROM attraverso celle fotovoltaiche installate sugli stessi.

Claims (10)

Rivendicazioni dell?Invenzione avente per Titolo: ?Turbina eolica ad asse verticale multifunzione ad alta efficienza? RIVENDICAZIONI

1. Turbina eolica ad asse verticale caratterizzata dal fatto di funzionare con un rotore avente tre o pi? pale ed un dispositivo esterno (COREFROM), tra loro concentrici, che si muovono in modo indipendente ma coordinato sotto la spinta del vento; il dispositivo esterno, avente tre o pi? vele, convoglia il vento sulle pale attive del rotore il quale collegato ad una o pi? dinamo produce con la rotazione energia meccanica e/o elettrica; il rotore avr? delle pale esposte all?azione del vento (attive) e delle pale di ritorno riparate da almeno una vela del COREFROM la quale esercita la sua funzione convogliando il vento sulle pale attive; il dispositivo esterno ruota al cambiare della direzione del vento mantenendosi sempre orientato con una vela (VT) sottovento parallela alla direzione del vento; realizzata in scala di qualsiasi dimensione, la turbina, pu? essere installata in qualsiasi luogo adeguatamente ventoso.

2. Turbina eolica di cui alla rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che le vele V1 e V2 hanno dei profili idonei per generare portanza ossia alta pressione sulla parte esposta al vento e bassa pressione sulla parte riparata dal vento; la vela V1 spinge il vento verso l?asse di rotazione con la finalit? di aumentare la permanenza dello stesso sulle pale del rotore e favorire la sua distribuzione in uscita in tutta la zona in bassa pressione sottostante le vele V1 e V2; la posizione di V1 e V2 rispetto a VT tiene conto della forza di Coriolis che pu? favorire la circolazione dell?aria nel rotore.

3. Turbina eolica di cui alle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che il dispositivo esterno ? progettato per ridurre fino ad annullare la risultante dei momenti torcenti che insistono sulla turbina prodotti dalla forza cinetica del vento e dalla forza peso al fine di equilibrare il sistema e ridurre e gestire i moti turbolenti prodotti dal vento in uscita dal rotore; le vele V1, V2 e VT possono avere qualsiasi altezza, anche maggiore del rotore, e ognuna di queste pu? essere sostituita da due o pi? vele aventi qualsiasi profilo al fine di una maggiore efficienza globale.

4. Turbina eolica di cui alle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che le vele V1, V2 e VT assolvono anche alla funzione di messa in sicurezza del sistema in caso di venti con velocit? superiore ad una soglia di sicurezza; in questo caso il dispositivo esterno ruoter? nello stesso senso di rotazione del rotore scoprendo parte delle pale di ritorno e coprendo parte delle pale attive; oltre una certa velocit? del vento prestabilita il rotore si stabilizza su una velocit? di rotazione di sicurezza per effetto della rotazione del COREFROM che pu? avvenire anche attraverso dispositivi elettromeccanici comandati da sensori o programmi per esigenze di sicurezza, manutenzione, stabilit? con i venti turbolenti o altro.

5. Turbina eolica di cui alle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che le vele V1, V2 e VT possono avere al loro interno dei pesi mobili, azionabili meccanicamente o elettricamente, che intervengono per regolare ed equilibrare il centro di massa del sistema, per mettere in sicurezza la turbina e/o per ridurre o evitare flessioni dell?asse di rotazione;

6. Turbina eolica di cui alle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che possono essere installati dei dispositivi meccanici e/o elettrici che attraverso sensori o comandi automatici modificano gli angoli

(inclinazione) delle vele V1 e V2 per esigenze di efficienza di funzionamento al variare della velocit? del vento o per la messa in sicurezza del sistema.

7. Turbina eolica di cui alle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che la dinamo per la conversione dell?energia meccanica in elettrica pu? essere installata sotto, sopra o all?interno dell?albero di rotazione; pu? essere installata anche pi? di una dinamo (interna, esterna o combinazione delle due) e in questo caso le stesse potranno intervenire anche separatamente al variare della velocit? del vento o delle condizioni di lavoro per regolare e stabilizzare la velocit? di rotazione del rotore.

8. Turbina eolica di cui alle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che le vele del COREFROM possono essere utilizzate a fini artistici o pubblicitari attraverso loghi, pittogrammi, disegni, immagini o altro utile a trasmettere un messaggio visivo; le dimensioni geometriche delle vele terranno conto di questa esigenza nel rispetto dell?efficienza del sistema e della sicurezza.

9. Turbina eolica di cui alle rivendicazioni 1, 3, 4, 5, 6 e 7 caratterizzata dal fatto che le vele e i bracci del COREFROM possono essere utilizzate a fini energetici installando sulla loro superficie delle celle fotovoltaiche per la conversione della radiazione luminosa in energia elettrica; le vele e i Bracci di sostegno potranno avere qualsiasi dimensione e profilo utile per l?installazione delle celle fotovoltaiche nel rispetto dell?efficienza del sistema e della sicurezza.

10. Turbina eolica di cui alle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto di essere costruita in dimensioni maggiori per lavorare con i venti forti con il rotore e il COREFROM progettati per favorire la generazione di moti ascensionali con l?aria in entrata nel rotore e per questo il rotore pu? avere un profilo anche elicoidale; l?aria in uscita si espander? non solo nella zona in bassa pressione delle vele V1 e V2 ma anche superiormente alla turbina; l?alta velocit? di rotazione del rotore interno produce un effetto giroscopico che in accordo con il dispositivo esterno stabilizza verticalmente il sistema.