IT202100021182A1 - Apparato di recupero di energia elettrica in un impianto idraulico - Google Patents

Description

Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo: ?APPARATO DI RECUPERO DI ENERGIA ELETTRICA IN UN IMPIANTO IDRAULICO?.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un apparato di produzione di energia elettrica di recupero in un impianto idraulico, in particolare sfruttando i salti geodetici (piezometrici) dell?acqua disponibili in impianti di acquedotti, impianti di fognature, impianti di irrigazione, ecc?

Spesso gli impianti idraulici destinati alla collettivit?, come acquedotti, fognature e grandi impianti di irrigazione, comprendono vasche per l?acqua disposte ad altezze differenti e collegate tra loro, canalizzazioni, pompe, sistemi di controllo, ecc.; in pratica tra le vasche ? presente un salto geodetico, spesso inferiore a 150 metri, che in passato non ? stato sfruttato per produrre energia elettrica: l?acqua fluisce per gravit? dalle vasche pi? in alto alle vasche pi? in basso.

Recentemente, per?, nell?ottica di minimizzare i costi sostenuti dai gestori di questi impianti per l?acquisto di energia elettrica dalla rete, sono state proposte soluzioni tecniche che prevendono il recupero di una parte dell?energia potenziale dell?acqua, cio? prevedono lo sfruttamento dei salti geodetici o piezometrici, anche se di modesta entit?, appunto corrispondenti in genere a 150 metri, per la produzione di energia elettrica in situ.

L?intento non ? rendere indipendente l?impianto idraulico, compensando i consumi di energia elettrica con l?autoproduzione ? risultato questo che pu? essere ottenuto in alcuni casi quando il salto geodetico lo permette ? bens? consentire la produzione di energia elettrica che possa compensare anche solo una parte dei consumi.

L?azienda tedesca , nota come KSB Aktiengesellschaft, da qualche anno propone apparati di produzione di energia elettrica che sfruttano i salti geodetici disponibili negli impianti idraulici sopra menzionati. Come accennato in un comunicato stampa del 2008, scaricabile al link http://www.ksb.com/ksb-en/Press/Press-Archive/Press-Archive-2008/11158/turbine-systems-for-energygeneration.html, tali apparati prevedono di far funzionare come turbine le pompe normalmente presenti negli impianti idraulici per il pompaggio dell?acqua da una vasca a quota inferiore verso una vasca a quota maggiore. In sostanza l?idea di fondo ? collegare un generatore elettrico alle pompe, e quando l?acqua cade per gravit? le pompe vengono fatte ruotare al contrario rispetto al senso di rotazione previsto per pompare l?acqua verso l?alto, cio? in modo tale che l?acqua entri nella mandata della pompa ed esca dall?aspirazione. L?espressione comunemente utilizzata dagli addetti ai lavori per identificare le pompe usate come turbine ? ?Pump as Turbine? (PaT). La domanda di brevetto internazionale WO 86/03260 descrive un esempio di pompa usata come turbina.

Ogni pompa ? caratterizzata da corrispondenti curve di funzionamento, chiamate curve caratteristiche: salto geodetico H vs. portata Q, potenza P vs. portata Q, rendimento ? vs. portata Q, coppia C vs. portata Q. Le curve caratteristiche sono rilevate dal costruttore all?interno di un intervallo del regime di rotazione della pompa tipicamente compreso tra 1200 e 3100 giri al minuto (rpm), per il normale funzionamento della pompa. I costruttori di pompe non mettono a disposizione le curve caratteristiche per la pompa usata come turbina, perch? si tratta in fin dei conti di un funzionamento non previsto in fase di progettazione. In pratica sono i progettisti di impianti con PaT che rilevano le curve caratteristiche delle pompe per scegliere quella di volta in volta pi? adatta a lavorare come turbina in un dato impianto.

Il minore costo di una pompa rispetto ad una turbina, a parit? di taglia, ? uno dei motivi che rendono preferibile utilizzare una PaT al posto di una tradizionale turbina. Il costo di una PaT pu? essere minore di oltre il 50% il costo di una turbina di pari taglia.

Per contro, l?efficienza massima di una PaT ? certamente sensibilmente minore rispetto all?efficienza massima di una turbina di pari taglia, ed ? minore di circa il 3%-8% rispetto all?efficienza massima della stessa macchina usata come pompa.

Le PaT possono essere inserite sia lungo le grandi adduttrici che portano l?acqua dalle sorgenti verso i centri abitati, per fronteggiare dislivelli topografici, sia all?interno degli impianti idraulici come quelli descritti sopra, in sostituzione delle valvole di regolazione/riduzione della portata e della pressione. Nel primo caso la coppia salto-portata risulta piuttosto costante nel tempo, perch? ? generalmente costante la portata che circola negli acquedotti esterni. Nel secondo, invece, la variabilit? delle condizioni idrauliche ? ampia; inoltre, a causa del legame fra portata e perdite di carico nelle canalizzazioni, la curva che descrive il salto disponibile per il recupero energetico in funzione della portata ? monotona decrescente.

In pratica, quindi, la regolazione di un apparato di produzione di energia elettrica basato sull?utilizzo di PaT ? in particolare quando la PaT sostituisce le valvole di regolazione/riduzione della portata o della pressione nell?impianto idraulico ? pu? non essere affatto semplice.

Tale tipologia di apparati ? descritta nel documento brevettuale n. BS2015A000023.

Ne consegue che le prestazioni ottenibili dagli apparati noti spesso non sono ottimali.

Pertanto, tali apparati sono suscettibili di ulteriori perfezionamenti volti a migliorarne le prestazioni in termini di produzione energetica.

? auspicabile invece disporre di un apparato di recupero di energia elettrica che permettano di ottenere le massime prestazioni possibili in ogni condizione operativa, con una regolazione semplice.

Il compito principale della presente invenzione ? pertanto quello di mettere a disposizione un apparato per il recupero di energia elettrica in impianti idraulici caratterizzati da salti geodetici dell?acqua non elevati, sfruttando una PaT, che permetta di ottenere sempre la massima produzione possibile di energia elettrica, anche al variare delle condizioni operative, ad esempio al variare della portata dell?acqua.

Un altro scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione un metodo per produrre energia elettrica con una PaT sfruttando i salti geodetici dell?acqua a disposizione in impianti idraulici come acquedotti, fognature, impianti di irrigazione, ecc., che permetta di ottenere le migliori prestazioni desiderate dal gestore dell?impianto e risulti semplice da regolare in qualsiasi situazione operativa.

Pertanto, in un suo primo aspetto la presente invenzione concerne un apparato secondo la rivendicazione 1, per la produzione di energia elettrica a partire da energia potenziale gravitazionale di una massa d?acqua, ad esempio acqua in un impianto idraulico come un acquedotto.

In particolare, l?apparato comprende almeno una pompa, ad esempio centrifuga, radiale, assiale monostadio, multistadio, a flusso misto, ecc., predisposta per funzionare come turbina per sfruttare il salto geodetico a disposizione dell?acqua. In pratica l?acqua in caduta si immette nella pompa in corrispondenza della relativa mandata.

Un generatore di corrente, alternata o continua, asincrono o sincrono, ? azionato dalla pompa preferibilmente direttamente, o in alternativa per mezzo di un riduttore.

Il generatore ? a sua volta dotato di un inverter, che pu? essere a frequenza variabile se il generatore ? a corrente alternata, oppure a frequenza fissa se il generatore ? a corrente continua. L?inverter pu? funzionare secondo due configurazioni, passando istantaneamente dall?una all?altra e viceversa, in base alle condizioni operative nelle quali si trova ad operare in un dato istante.

In una prima configurazione, chiamata drive, l?inverter pu? intervenire nella regolazione del regime di rotazione del generatore di corrente e, quindi, della pompa ad esso collegata, agendo come motore e accelerando il sistema pompa-generatore elettrico. In questa configurazione l?inverter assorbe corrente dalla rete alla quale il generatore ? collegato.

In una seconda configurazione, chiamata regenerative, l?inverter pu? intervenire nella regolazione del regime di rotazione del generatore di corrente e, quindi, della pompa ad esso collegata, agendo come freno magnetico; l?inverter impedisce al sistema pompa-generatore di corrente di superare un valore di soglia della velocit? di rotazione e, come spiegato pi? sotto, tale valore viene di volta in volta stabilito in base alle esigenze del gestore dell?apparato.

Durante il funzionamento, non appena la coppia fornita dall?acqua alla pompa supera il valore di soglia impostato per mantenere il regime di rotazione imposto per la configurazione drive, ad esempio 3000 giri al minuto, l?inverter passa automaticamente alla configurazione regenerative per recuperare potenza elettrica.

L?apparato comprende inoltre un sensore del numero di giri del generatore elettrico e/o del numero di giri della pompa.

Opzionalmente, e a titolo precauzionale, l?apparato ? provvisto anche di un sensore di pressione configurato per rilevare la differenza di pressione (differenziale) dell?acqua all?ingresso e all?uscita dalla pompa PaT.

Preferibilmente, ma non necessariamente, l?apparato comprende anche almeno un sensore di portata predisposto per rilevare i valori della portata dell?acqua alimentata alla mandata della pompa. Tale sensore non ? necessario se l?impianto idraulico al quale l?apparato ? associato opera con portata dell?acqua costante, impostata dal gestore e quindi nota a priori. Viceversa, il sensore di portata ? necessario se la portata dell?acqua varia nel tempo.

Come spiegato pi? avanti, i sensori sono logicamente connessi ad un?unit? di controllo, che raccoglie ed elabora i segnali forniti dai sensori stessi. Preferibilmente, ma non necessariamente, l?apparato comprende anche almeno una valvola di regolazione della portata dell?acqua a monte della pompa. La valvola, pure connessa all?unit? di controllo oppure azionabile manualmente da un operatore, permette di realizzare una regolazione fine della portata d?acqua, parzializzare o interrompere completamente il flusso di acqua.

Come accennato sopra, l?apparato comprende un?unit? di controllo dell?inverter e del sensore del numero di giri e, se presenti, del sensore di portata, del sensore di pressione e della valvola di regolazione. L?unit? di controllo ? preferibilmente di tipo elettronico ed ? provvista di mezzi a programma comprendenti una memoria nella quale sono caricate le curve caratteristiche della pompa usata come turbina.

Come si ? detto, le curve caratteristiche vengono rilevate di volta in volta dal progettista e caricate nella memoria dell?unit? di controllo che le utilizza per far funzionare nel modo pi? appropriato tutte le componenti dell?apparato.

Secondo la presente invenzione l?unit? di controllo ? programmata per controllare l?apparato ed ottenere:

a) la massima produzione di energia elettrica in ogni condizione operativa, regolando il regime di rotazione della pompa attraverso l?inverter, in retroazione sulla base del numero di giri rilevato dall?apposito sensore.

Grazie alla presenza dell?inverter e del sensore del numero di giri, l?apparato ? in grado di ottimizzare la funzione a) in ogni condizione operativa. Al contrario gli apparati tradizionali non permettono tanta versatilit? e sono decisamente pi? difficili da regolare, pi? rigidi.

Pi? in dettaglio, la massima produzione di energia elettrica di cui al punto a) ? ottenuta con una delle seguenti modalit?:

a1) la portata d?acqua ? sostanzialmente costante e nota a priori e si procede campionando il numero di giri della pompa o del generatore elettrico, per mezzo del corrispondente sensore, confrontando tali valori campionati con le curve caratteristiche caricate in memoria e azionando l?inverter per regolare il regime di rotazione del generatore elettrico e, quindi, il regime di rotazione della pompa ad esso collegata, e mantenerlo stabile al numero di giri corrispondente alla massima produzione di energia elettrica,

oppure,

a2) la portata e/o la pressione dell?acqua sono variabili, l?apparato comprende il sensore di portata e/o il sensore di pressione, e si procede campionando per mezzo di tali sensori i valori di portata e/o i valori di pressione dell?acqua alimentata dalla pompa, confrontando tali valori campionati con le curve caratteristiche caricate in memoria e azionando l?inverter per regolare il regime di rotazione del generatore elettrico e, quindi, il regime di rotazione della pompa ad esso collegata, e mantenerlo stabile al numero di giri corrispondente alla massima produzione di energia elettrica per i valori di portata e/o pressione rilevati.

Durante le fasi a1) e a2) ? l?inverter che regola il numero di giri della pompa PaT. Se ? presente la valvola di regolazione della portata d?acqua ? anche possibile ottenere una regolazione fine del numero di giri, e/o della portata, azionando la valvola di regolazione della portata d?acqua a monte della pompa.

Il campionamento del numero di giri della pompa o del generatore elettrico corrisponde in pratica anche al campionamento della coppia, dato che ad un determinato numero di giri corrisponde un univoco valore della coppia del generatore elettrico o della pompa PaT, in base alle curve caratteristiche.

La frequenza del campionamento viene scelta utilizzando il teorema di Nyquist in base alla frequenza con la quale cambia la portata d?acqua nell?impianto idraulico. ? un dato non particolarmente rilevante, considerato che negli impianti idraulici descritti sopra la portata dell?acqua viene mantenuta circa costante dal gestore.

Come si ? gi? detto, opzionalmente l?apparato ? provvisto anche del sensore di portata e l?unit? di controllo ? programmata anche per ottenere, in aggiunta alla regolazione di cui alla fase a):

b) una determinata portata d?acqua che attraversa la pompa.

Tale regolazione ? attuata in retroazione sulla base del numero di giri della pompa o del generatore elettrico, se la portata dell?acqua ? costante e nota a priori oppure, se la portata dell?acqua ? variabile o comunque non nota a priori, in base al valore di portata misurato dal sensore di portata, ed ? ottenuta per mezzo di una tra:

b1) regolando l?inverter per mezzo dell?unit? di controllo, per portare al numero di giri desiderato il generatore di corrente e, quindi, la pompa ad esso collegata, dimodoch? attraverso la pompa che ruota al numero di giri desiderato possa passare solamente la portata d?acqua desiderata;

b2) se ? presente la valvola di regolazione della portata d?acqua a monte della pompa: regolando per mezzo dell?unit? di controllo di tale valvola;

b3) se ? presente la valvola di regolazione della portata d?acqua: regolando per mezzo dell?unit? di controllo sia la valvola di regolazione sia l?inverter, cio? attuando una regolazione mista tra b1) e b2).

Se l?apparato viene dotato anche del sensore di pressione, l?unit? di controllo ? programmabile anche per ottenere nell?impianto idraulico la seguente regolazione, in aggiunta alla regolazione di cui alla fase a) e in aggiunta o in alternativa alla regolazione di cui alla fase b):

c) una determinata pressione dell?acqua in uscita dalla pompa.

La regolazione di cui al punto c) ? attuata in retroazione sulla base del valore di pressione misurato dal sensore di pressione, ed ? ottenuta per mezzo di una tra:

c1) regolando l?inverter per mezzo dell?unit? di controllo, per portare al numero di giri desiderato il generatore di corrente e, quindi, la pompa ad esso collegata, dimodoch? attraverso la pompa che ruota al numero di giri desiderato possa passare solamente la portata d?acqua desiderata, corrispondente alla pressione desiderata in base alle curve caratteristiche caricate nella memoria dell?unit? di controllo;

c2) se ? presente la valvola di regolazione della portata dell?acqua: regolando per mezzo dell?unit? di controllo tale valvola, dimodoch? la portata d?acqua impostata corrisponda alla pressione desiderata in base alle curve caratteristiche della pompa;

c3) regolando per mezzo dell?unit? di controllo sia la valvola di regolazione sia l?inverter, cio? attuando una regolazione mista tra c1) e c2). Vantaggiosamente, quindi, l?apparato permette di ottenere sempre la migliore regolazione in base alle esigenze del gestore.

Un?altra possibilit? di regolazione offerta dall?apparato della presente invenzione concerne il livello dell?acqua nel serbatoio o bacino che alimenta la pompa usata come turbina. Preferibilmente l?apparato comprende un sensore di livello predisposto per misurare il livello dell?acqua nel serbatoio e l?unit? di controllo ? programmata per attuare una qualsiasi delle regolazioni b1), b2) o b3) in retroazione sulla base del valore rilevato dal sensore di livello, per mantenere costante nel tempo il livello dell?acqua nel serbatoio. Questa funzione risulta particolarmente utile quando il gestore dell?impianto idraulico ha la necessit? di preservare la scorta d?acqua in un bacino di raccolta.

In un suo secondo aspetto la presente invenzione concerne un metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-14 per produrre energia elettrica in un impianto idraulico, in modo semplice ed efficace in ogni condizione operativa.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno meglio evidenziati dall?esame della seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, illustrata a titolo indicativo e non limitativo, col supporto dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 ? una vista schematica di un impianto idraulico nel quale ? installato un apparato secondo la presente invenzione;

- la figura 2 ? una vista concettuale e schematica di un apparato secondo la presente invenzione;

- le figure dalla 3 alla 13 sono diagrammi di flusso che spiegano il funzionamento dell?apparato secondo la presente invenzione;

- la figura 14 ? un grafico portata/potenza di un apparato secondo la presente invenzione;

- la figura 15 ? un grafico portata/salto geodetico di un apparato secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla figura 1, un impianto idraulico di piccole dimensioni, ad esempio un acquedotto, comprende un bacino 1 di raccolta dell?acqua. Una condotta idrica 2 veicola l?acqua dal bacino 1 ad una pompa 3 usata come turbina, cio? alimentata con acqua alla sua mandata. Alla pompa 3 ? accoppiato un generatore elettrico G, a sua volta connesso ad una rete elettrica esterna oppure ad una rete interna dell?impianto, chiamata isola. L?acqua turbinata nella pompa 3 viene scaricata in un secondo bacino 4. Vantaggiosamente, il generatore elettrico G ? a magneti permanenti.

Il generatore elettrico G ? accoppiato alla pompa 3 direttamente o per tramite di un riduttore di velocit?.

Il salto geodetico a disposizione dell?acqua ? indicato con la lettera H.

Con riferimento alla figura 2, un apparato 100 secondo la presente invenzione comprende una pompa 3 usata come turbina, cio? una PaT, predisposta lungo la condotta idrica 2 e collegata ad un generatore G.

Secondo il trovato, il generatore G ? un generatore a magneti permanenti. Vantaggiosamente, il generatore G ? di tipo asincrono.

In alternativa, il generatore G ? di tipo sincrono.

Preferibilmente, il generatore G ? a corrente continua.

In accordo con una prima forma di realizzazione l?inverter 5 ? a frequenza fissa, in questo caso il generatore G ? a corrente continua.

In alternativa, l?inverter 5 ? a frequenza variabile, in questo caso, invece, il generatore G ? a corrente alternata.

A questo proposito, l?inverter 5 ? configurato per regolare il regime di rotazione del generatore G e della pompa 3 che ? collegata al suo albero di rotazione.

Opzionalmente, come mostrato in figura, una valvola 6 di regolazione della portata d?acqua intercetta la condotta 2 a monte della pompa 3. Un sensore di pressione 7 e un sensore di portata 8, pure opzionali, intercettano la condotta 2 a monte della pompa 3 per rilevare rispettivamente la pressione e la portata dell?acqua in ingresso alla pompa 3. Per ragioni di sicurezza e di manutenzione pu? essere montato un circuito bypass (non mostrato) con un sistema di valvola a monte della pompa 3, ad esempio un sistema a valvola manuale o servoattuato, che permetta la deviazione del flusso di acqua quando l?apparato deve essere fermato per effettuare una manutenzione, oppure in caso di guasto della pompa 3.

La gestione della valvola 6 e dell?eventuale valvola di bypass pu? avvenire manualmente, tramite intervento diretto di un operatore umano, ma di preferenza avviene automaticamente come spiegato sotto.

Un sensore 9 rileva istantaneamente il numero di giri del generatore elettrico G e, quindi, il numero di giri della pompa 3 che ruota con esso. Un?unit? di controllo ECU, preferibilmente di tipo elettronico a programma, ? logicamente connessa ai sensori 7 e 8 (se presenti), al sensore 9, alla valvola 6 (se presente) e all?inverter 5, per controllarne il funzionamento, ed ? connessa ad una rete elettrica esterna per tramite della connessione 10 o all?isola, ad esempio una rete interna dell?impianto idraulico che alimenta le utenze interne per tramite della connessione 11. L?unit? di controllo ECU conosce le curve caratteristiche della pompa 3, che sono state caricate in una memoria.

Verr? ora descritto il funzionamento dell?apparato in relazione allo stato della pompa 3.

L?apparato 100 ? in standby e la pompa 3 ? pronta per partire ed attende il segnale di avvio da parte dell?unit? di controllo. Il segnale di avvio pu? essere fornito da un operatore o pu? essere subordinato al verificarsi di una condizione dell?impianto idraulico o di altri componenti dell?apparato 100. Ricevuto il segnale di avvio, l?unit? di controllo ECU sblocca eventuali sistemi di frenatura meccanica della pompa 3 o del generatore G, e comanda all?inverter 5 di spingere in rotazione l?alternatore G e, quindi, la pompa 3 fino al regime impostato, dipendente dalla curva di potenza/pressione/portata della pompa 3 usata come turbina PaT caricata in memoria. In questa fase l?inverter 5 agisce come motore elettrico che assorbe corrente dalla rete esterna o dall?isola.

Una volta che il regime di rotazione desiderato, ad esempio 1500 giri, viene raggiunto, la pompa 3 viene fatta funzionare come turbina PaT, facendo turbinare l?acqua in caduta lungo la condotta 2, e mantenuta stabile a queste condizioni.

Verificato che la pompa 3 funziona stabilmente, cio? i relativi parametri operativi rimangono sostanzialmente stabili nel tempo, ? possibile immettere nella rete elettrica o nell?isola interna dell?impianto idraulico l?energia elettrica prodotta dal generatore G. L?unit? di controllo ECU ? programmata per controllare l?apparato e perseguire una strategia tra quella a), b) ed eventualmente c) descritte sopra.

Durante la procedura di spegnimento il gruppo formato dalla pompa 3 e dal generatore G viene gradualmente rallentato e poi definitivamente fermato per non danneggiare nessun componente. La girante della pompa 3 viene bloccata e, se ? presente il circuito di bypass, l?acqua viene deviata per bypassare la pompa 3. Il rallentamento ? operato dall?inverter 5 che pu? funzionare anche da freno magnetico, come descritto sopra.

Nella circostanza in cui l?unit? di controllo ECU rileva una condizione anomala nei componenti controllati, procede ad interrompere subito l?immissione di potenza alla rete esterna o all?isola, e fermare il gruppo pompa-generatore come spiegato sopra o in alternativa tramite frenatura istantanea (come nel caso di mancanza di alimentazione all?apparato). L?unit? di controllo ECU ? preferibilmente dotata di una batteria tampone per poter operare anche in mancanza di alimentazione elettrica dall?esterno. L?unit? di controllo ECU genera un segnale di allarme. Se necessario per garantire l?approvvigionamento idrico, ad esempio in un acquedotto, l?unit? di controllo ECU predispone il bypass della pompa 3 per far continuare il flusso d?acqua. Anche quando la girante della pompa 3 ? bloccata, la pompa 3 consente il passaggio di gran parte dell?acqua: la portata attraverso la pompa 3 ferma dipende dal modello di pompa e pu? essere in generale maggiore o minore rispetto alla portata con pompa in rotazione.

Contemporaneamente durante le procedure descritte sopra l?unit? di controllo ECU continua ad elaborare i segnali in arrivo dai sensori 7 (se presente) e 8-9 per verificare che la pompa 3 funzioni correttamente come desiderato dal gestore dell?impianto e che non si verifichino anomalie.

Verr? ora descritto il funzionamento dell?apparato 100 in relazione alla massima prestazione desiderata dal gestore.

A) Massima produzione di energia elettrica

Quando il gestore dell?apparato 100 desidera ottenere la massima produzione di energia elettrica dal generatore G, questo ? ottenuto in due modi dall?unit? di controllo ECU.

La figura 3 ? un diagramma di flusso relativo ad una prima modalit? a1). Da una situazione di attesa, l?unit? di controllo ECU comanda all?inverter 5 di trascinare in rotazione il generatore elettrico G fino al raggiungimento del numero di giri corrispondente alla massima produzione di energia elettrica (rpm impostato); questo dato ? fornito dal costruttore del generatore G e comunque corrisponde univocamente ad un valore di potenza nelle curve caratteristiche della pompa 3 usata come turbina PaT memorizzate nell?unit? di controllo ECU. L?inverter 5 assorbe corrente per funzionare come motore del generatore G.

L?acqua viene fatta turbinare nella pompa 3. Se ? presente la valvola 6 di regolazione della portata d?acqua, questa pu? essere utilizzata per ottenere una regolazione fine del numero di giri della pompa 3. Una volta raggiunto il numero di giri di massima produzione di energia elettrica, il generatore G produce elettricit? e l?unit? di controllo ECU ne predispone l?immissione in rete o la distribuzione all?isola interna all?impianto idraulico, disponendo contemporaneamente l?inverter in modalit? regenerative.

L?unit? di controllo ECU verifica costantemente (con una determinata frequenza di campionamento) tramite il sensore 9 del numero di giri se la potenza massima della pompa 3 ? stata ottenuta. In caso affermativo continua con l?immissione di energia elettrica in rete, come appena descritto, altrimenti effettua una nuova regolazione del numero di giri della pompa 3 per mezzo dell?inverter 5 in modalit? drive.

In pratica l?unit? di controllo ECU effettua una regolazione fine del regime di rotazione della pompa 3, tramite l?inverter 5, in retroazione sulla base del segnale generato dal sensore 9.

La figura 4 ? un diagramma di flusso relativo ad una ulteriore modalit? di regolazione che in aggiunta a quanto previsto in a1) prevede che l?unit? di controllo ECU agisca anche sulla valvola 6 di regolazione della portata d?acqua per ottenere una regolazione fine del numero di giri, e/o della portata.

B) Opzionale: regolazione della portata dell?acqua che attraversa la pompa Quando il gestore dell?apparato 100 desidera ottenere una determinata portata di acqua nella condotta 2, ad esempio perch? il bacino a valle 4 non pu? ricevere una portata superiore ad una portata nominale, oppure perch? si desidera ottenere uno svuotamento o riempimento graduale di uno dei bacini 1 o 4, questo ? ottenuto in tre modi dall?unit? di controllo ECU. La regolazione b) ? ottenibile in aggiunta alla regolazione a), cio? il gestore pu? impostare la portata e l?apparato 100 si regola per ottenere la massima produzione di energia elettrica a quella portata.

La figura 5 ? un diagramma di flusso relativo ad una prima modalit? b1). Da una situazione di attesa, l?unit? di controllo ECU comanda all?inverter 5 di trascinare in rotazione il generatore elettrico G fino al raggiungimento del numero di giri (rpm impostato) corrispondente alla portata d?acqua desiderata attraverso la pompa 3; l?unit? di controllo ECU ricava questo dato dalle curve caratteristiche della pompa 3 usata come turbina PaT memorizzate. L?inverter 5 assorbe corrente per funzionare come motore del generatore G.

La regolazione del numero di giri viene effettuata in continuo dall?unit? di controllo ECU per mezzo dell?inverter 5 in retroazione sulla base del valore della portata d?acqua rilevata dal sensore 8. Quando la portata dell?acqua corrisponde al valore desiderato, l?unit? di controllo ECU comanda l?immissione della corrente elettrica in rete e l?inverter 5 passa in modalit? regenerative.

La figura 6 ? un diagramma di flusso relativo ad una seconda modalit? b2) che si differenzia dalla modalit? b1) per il fatto che la regolazione fine della portata d?acqua che attraversa la pompa 3 ? attuata non solamente agendo sull?inverter 5, ma anche agendo sulla valvola 6, se presente, di regolazione della portata d?acqua nella condotta 2. La regolazione ? sempre in retroazione da parte dell?unit? di controllo ECU.

La figura 7 ? un diagramma di flusso relativo ad una terza modalit? b3) che corrisponde ad una regolazione mista tra le modalit? b1) e b2), cio? ? prevista da parte dell?unit? di controllo ECU la regolazione sia del numero di giri della pompa 3 che del grado di apertura della valvola 6 di regolazione della portata.

C) Opzionale: regolazione della pressione dell?acqua che attraversa la pompa

Quando il gestore dell?apparato 100 desidera ottenere una determinata pressione dell?acqua nella condotta 2, questo ? ottenuto opzionalmente in tre modi dall?unit? di controllo ECU collegata da un sensore 7 di pressione, assoluto o differenziale, in grado di rilevare la differenza di pressione a monte e a valle della pompa 3. La regolazione c) ? ottenibile in aggiunta alla regolazione a), e in alternativa o in aggiunta alla regolazione b), cio? il gestore pu? impostare la pressione e l?apparato 100 si regola per ottenere la massima produzione di energia elettrica a quella pressione.

La figura 8 ? un diagramma di flusso relativo ad una prima modalit? c1). Da una situazione di attesa, l?unit? di controllo ECU comanda all?inverter 5 di trascinare in rotazione il generatore elettrico G fino al raggiungimento del numero di giri (rpm impostato) corrispondente alla pressione desiderata attraverso la pompa 3; l?unit? di controllo ECU ricava questo dato dalle curve caratteristiche della pompa 3 usata come turbina PaT memorizzate. L?inverter 5 assorbe corrente per funzionare come motore del generatore G. La regolazione del numero di giri viene effettuata in continuo dall?unit? di controllo ECU per mezzo dell?inverter 5, in retroazione sulla base del valore della pressione rilevata dal sensore 7. Quando la pressione dell?acqua corrisponde al valore desiderato, l?unit? di controllo ECU comanda l?immissione della corrente elettrica in rete e l?inverter 5 passa in modalit? regenerative.

La figura 9 ? un diagramma di flusso relativo ad una seconda modalit? c2) che si differenzia dalla modalit? c1) per il fatto che la regolazione della pressione dell?acqua che attraversa la pompa 3 ? attuata non agendo sull?inverter 5, e quindi sul numero di giri, ma agendo sulla valvola 6, se presente, di regolazione della portata d?acqua nella condotta 2. La regolazione ? sempre in retroazione da parte dell?unit? di controllo ECU. La figura 10 ? un diagramma di flusso relativo ad una terza modalit? c3) che corrisponde ad una regolazione mista tra le modalit? c1) e c2), cio? ? prevista da parte dell?unit? di controllo ECU la regolazione sia del numero di giri della pompa 3 che del grado di apertura della valvola 6 di regolazione della portata.

Quando il gestore dell?apparato 100 desidera mantenere un determinato livello dell?acqua nel bacino 1, questo ? ottenuto in tre modi dall?unit? di controllo ECU.

Le figure 11-13 sono diagrammi di flusso che spiegano come ottenere questo risultato. In pratica i diagrammi delle figure 11-13 corrispondono rispettivamente ai diagrammi delle figure 5-7; l?unica differenza consiste nel fatto che la retroazione ? basata sul valore del livello dell?acqua presente nel bacino 1 rilevato da un apposito sensore connesso all?unit? di controllo ECU:

Esempio pratico

Si ipotizza un impianto idraulico con portata massima di 14 l/s lungo la condotta 2 e salto geodetico H pari a 100 m.

La figura 14 ? un grafico di alcune curve caratteristiche della pompa 3, con la portata dell?acqua in ascisse e la potenza in ordinata. Dalle curve di figura 14 si evince che la potenza massima ottenibile dal generatore G a 2900 giri al minuto ? circa 5,9 kW.

Le curve sono tutte caricate nella memoria dell?unit? di controllo ECU, che le utilizza continuamente per calcolare i parametri operativi ottimali in base alla prestazione da ottimizzare scelta dal gestore.

Si ipotizzi che, per esigenze di disponibilit? idrica ? ad esempio per la mancanza d?acqua conseguente ad un periodo di siccit?, o semplicemente minore richiesta dall?utenza ? la portata disponibile venga ridotta a 6,5 l/s. In questo caso per ottenere la massima potenza l?unit? di controllo ECU dovr? ridurre il regime di rotazione a 2200 rpm.

La figura 15 ? un grafico di alcune curve caratteristiche della pompa 3, con la portata dell?acqua in ascisse e il salto geodetico in ordinata. Dalle curve di figura 15 si evince che il salto H utilizzato dalla pompa 3 a 6,5 l/s a 2200 rpm ? pari a circa 26 m. In questa nuova configurazione la pompa 3 eroga circa 640 W, che corrisponde alla massima potenza erogabile nell?intervallo 1200 ? 2900 rpm. In questo punto le curve di portata le si incrociano, ed ? preferibile regolare l?apparato 100 in modo che la pompa 3 mantenga la minima velocit? di rotazione a parit? di produzione.

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

In particolare, si sottolinea che l?accorgimento di prevedere un generatore a magneti permanenti consente di ottimizzare la produzione di energia elettrica rispetto all?impiego di altre tipologie di generatori.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1) Apparato (100) di produzione di energia elettrica a partire da energia potenziale gravitazionale di una massa d?acqua, comprendente:

- almeno una pompa (3) predisposta per funzionare come turbina per sfruttare il salto geodetico (H) a disposizione dell?acqua;

- un generatore (G) di corrente azionato dalla pompa (3),

- un inverter (5) funzionalmente collegato al generatore di corrente (G), - un sensore (9) del numero di giri del generatore elettrico e/o del numero di giri della pompa (3), e

- un?unit? ECU di controllo dell?inverter (5) e del sensore (9) del numero di giri, provvista di mezzi a programma comprendenti una memoria nella quale sono caricate le curve caratteristiche della pompa (3) usata come turbina,

in cui l?unit? di controllo (ECU) ? programmata per controllare l?apparato (100) ed ottenere:

a) la massima produzione di energia elettrica in ogni condizione, regolando il regime di rotazione della pompa (3) attraverso l?inverter (5), in retroazione sulla base del numero di giri rilevato dal sensore (9); caratterizzato dal fatto che detto generatore (G) ? un generatore a magneti permanenti.

2) Apparato (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto generatore (G) ? di tipo asincrono.

3) Apparato (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto generatore (G) ? di tipo sincrono.

4) Apparato (100) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto generatore (G) ? a corrente continua.

5) Apparato (100) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto detto inverter (5) ? a frequenza fissa, detto generatore (G) essendo a corrente continua.

6) Apparto (100) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto inverter (5) ? a frequenza variabile, detto generatore (G) essendo a corrente alternata.

7) Apparato (100) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto inverter (5) ? configurato per regolare il regime di rotazione di detto generatore (G) e di detta pompa (3).

8) Apparato (100) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la massima produzione di energia elettrica di cui al punto a) ? ottenuta:

a1) in condizioni di portata dell?acqua costante e nota a priori, campionando il numero di giri rilevati dall?apposito sensore (9), confrontando tali valori campionati con le curve caratteristiche in memoria e azionando l?inverter (5) per regolare il regime di rotazione del generatore elettrico (G) e, quindi, il regime di rotazione della pompa (3), e mantenerlo stabile al numero di giri corrispondente alla massima produzione di energia elettrica per il valore di portata noto,

oppure

a2) in condizioni di portata a/o pressione dell?acqua variabili nel tempo, o comunque non noti a priori, dove l?apparato (100) comprende almeno sensore (8) di portata e/o un sensore (7) di pressione, si procede campionando per mezzo di tali sensori (7, 8) i valori di portata e/o i valori di pressione dell?acqua alimentata dalla pompa (3), confrontando tali valori campionati con le curve caratteristiche in memoria e azionando l?inverter (5) per regolare il regime di rotazione del generatore elettrico (G) e, quindi, il regime di rotazione della pompa (3) ad esso collegata, e mantenerlo stabile al numero di giri corrispondente alla massima produzione di energia elettrica per i valori di portata e/o pressione rilevati.

9) Apparato (100) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno una valvola (6) di regolazione della portata d?acqua alimentata a detta pompa (3), azionata da detta unit? di controllo (ECU) per ottenere la regolazione fine del numero di giri di detta pompa (3) e/o della portata d?acqua.

10) Apparato (100) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta unit? di controllo (ECU) ? programmata per ottenere:

b) una determinata portata d?acqua che attraversa la pompa (3),

e tale regolazione ? ottenuta utilizzando le curve caratteristiche in memoria, in retroazione:

- sulla base del numero di giri rilevato dall?apposito sensore (9), in condizioni di portata d?acqua costante e nota a priori, oppure

- sulla base del valore di portata misurato da un sensore (8) di portata, in condizioni di portata d?acqua variabile nel tempo o comunque non nota a priori,

per mezzo di una tra:

b1) regolando l?inverter (5) da parte dell?unit? di controllo (ECU), per portare al numero di giri desiderato il generatore di corrente (G) e, quindi, la pompa (3) ad esso collegata, dimodoch? attraverso la pompa (3) che ruota al numero di giri desiderato possa passare solamente la portata d?acqua desiderata;

oppure

b2) l?apparato comprende una valvola (6) di regolazione della portata dell?acqua a monte della pompa (3) e si procede regolando da parte dell?unit? di controllo (ECU) tale valvola con o senza l?intervento dell?inverter (5) sulla pompa (3); o

b3) regolando da parte dell?unit? di controllo (ECU) sia la valvola di regolazione (6) sia l?inverter (5), cio? attuando una regolazione mista tra b1) e b2).