IT202200000242A1 - Eolico ad eliche autorotanti - Google Patents

Description

EOLICO AD ELICHE AUTOROTANTI

Riassunto

Turbina eolica innovativa che impiega un sistema con diverse eliche, ciascuna a due pale, su uno stesso asse orizzontale, autorotanti e inserite su una struttura a palo verticale. Caratterizzato dal fatto che ogni elica agisce in modo da permettere una stessa rotazione del sistema, per qualsiasi direzione del vento: quando una pala si trova in posizione verticale, quindi con il massimo sfruttamento energetico del vento, l?altra opposta si trova in posizione orizzontale, quindi con il minimo impegno. Le rotazioni avranno blocchi di fine corsa per permettere a ciascuna pala una rotazione entro un range tra 0? e 90?, con uno sfasamento tra le due pale di 90?, con un sistema di bilanciamento e con ammortizzatori a riduzione acustica. Il trovato a dimensioni contenute, specie riguardo all?altezza, trova impieghi in particolare nel residenziale, nell?agreste e nella nautica.

DESCRIZIONE :

STATO DELL?ARTE :

Attualmente esistono varie tipologie di turbine sia per piccole che per alte produzioni di energia. In genere le pale o le eliche si muovono con un solo movimento orizzontale o verticale. La direzione del vento talvolta penalizza l?efficienza energetica nelle turbine tradizionali. Inoltre le turbine con eliche impiegate in verticale necessitano di notevoli altezze per gli ingombri strutturali. Le capacit? di ricavo energetico risultano spesso simili per le varie tipologie e confrontabili alle eliche tradizionali.

PROBLEMA TECNICO DA RISOLVERE:

Lo studio che ? stato intrapreso era svolto a trovare un sistema a geometria variabile con lo scopo di sfruttare al meglio l?energia eolica, anche per piccoli spostamenti d?aria, riducendo le dimensioni a parit? di prestazioni, in particolare per impieghi residenziali, con costi di produzione molto contenuti per la semplicit? costruttiva.

BREVE DESCRIZIONE:

Nella presente domanda di brevetto si ? studiato un particolare sistema a doppia rotazione: orizzontale e verticale al contempo. Tale innovazione permette una pi? performante efficienza energetica sia per piccole turbine, per impianti microeolici da utilizzare in ambienti domestici, che per turbine di maggiori dimensioni posizionabili in situazioni ambientali con presenza di correnti di masse d?aria superiori. In ogni caso si ritiene che il trovato vada a sfruttare al meglio l?energia cinetica. Attualmente la ricerca di soluzioni avanzate sul tema dell? impiego di energie alternative trova un largo consenso nel tentativo di ridurre sempre di pi? le emissioni di gas serra collegate a tutti gli effetti deleteri che conosciamo.

Nella fattispecie il sistema vuole emulare la forma di un albero stilizzato dove i rami rappresenterebbero le eliche dalla forma preferibilmente allungata e rastremate alle estremit?. Le due strutture tipiche che possono essere considerate sono:

-una soluzione ad albero con le eliche sostanzialmente su tutto il tronco di supporto conferendo alla struttura un portamento che potremmo definire a pi? piani vedi Fig.1 , una soluzione invece a portamento ombrelliforme vedi Fig.2.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI:

La figura 1 mostra la vista assonometrica del dispositivo con una struttura di sostegno esagonale (1) a 6 eliche (3) inserita in una base ruotante (2) con configurazione ?ad albero? a pi? piani.

La figura 2 mostra la vista assonometrica del presente dispositivo assimilabile ?ad albero? a 3 eliche.

La figura 3 mostra la vista assonometrica dall?alto del presente dispositivo. Con evidenziata la direzione del vento (vedi freccia) con aperture e chiusure relative alla direzione stessa.

La figura 4 mostra la vista assonometrica del dispositivo con la sezione dell?elemento a palo (1) con le due pale di elica (9 e 9?) disposte ortogonalmente l?una rispetto all?altra con elementi a contrappeso (11 e 11?).

La figura 5 mostra la vista assonometrica del dispositivo con il sistema vincolato a una rotazione tra 0? e 90? dell?elica.

La figura 6 mostra la vista assonometrica del dispositivo con una soluzione a martinetto per l?abbattimento acustico di fine corsa della rotazione dell?elica.

La figura 7 mostra la vista assonometrica del dispositivo con un sistema a contrappeso interno al palo di sostegno.

La figura 8 mostra la vista assonometrica del dispositivo con un sistema di ammortizzamento bilanciante durante la rotazione dell?elica.

La figura 9 mostra la vista assonometrica del dispositivo con un contrappeso auto-bilanciante.

La figura 10 mostra la vista assonometrica del dispositivo con un sistema auto-bilanciante regolabile.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA:

Dal disegno della Fig.1 si evince la tipica struttura, sommariamente descritta, caratterizzata da un elemento verticale a tronco, di robusta costruzione come ad esempio in acciaio aisi 304 (1) fissato su una base ruotante (2) e da alcune eliche (3) di materiale resistente e leggero, come ad esempio in fibra di carbonio , in titanio ecc.

La Fig. 4 mostra l?elica composta da due pale (9 e 9?) assemblate su un?asta preferibilmente a sezione circolare (8) passante all?interno del fusto portante, e inserita in posizione centrale. L?elica risulta composta da due pale che risultano ruotate l? una rispetto all?altra di un angolo di 90?, lungo l?asse dell?asta cilindrica. La particolarit? di questa soluzione sta nel fatto che quando una pala risulta posizionata verticalmente (9), offrendo quindi una superficie totale di esposizione rispetto agli effetti del vento per ?l?effetto vela?, l?altra (9?) si trova in una posizione orizzontale, offrendo cosi una minima resistenza all?azione del vento. Ciascuna pala ? stata studiata per poter ruotare entro un range tra 0? a 90?, con un sistema di blocco per ogni pala, con uno sfasamento continuo di una con l?altra di 90?. Si evidenziano i sistemi a contrappeso (11 e 11?) di congrua dimensione preferibilmente posizionati lungo tutto l? asse delle singole pale, essi rispetto ad altri sistemi, che pi? avanti elencheremo, nelle posizioni verticali delle pale offriranno un ulteriore contributo per ? l?effetto vela ? delle stesse, aumentando la superficie agli effetti del vento. I contrappesi saranno fondamentali perch?, bilanciando le eliche per ogni rotazione, permetteranno una ottima efficienza attivandosi anche per venti di minima entit?.

Il sistema di blocco accennato, Fig.5 ? stato studiato per far s? che il movimento dell?asse di supporto delle pale possa ruotare entro un range tra 0? e 90?. Quando una pala, che agisce in coppia con l?altra, si colloca in posizione orizzontale, l?altra risulta bloccata nella posizione verticale. Per chiarezza specifichiamo che all?apertura a vento dell?una corrisponde la chiusura dell?altra, pi? avanti andremo ad analizzare il doppio meccanismo che permette i blocchi iniziale e finale. Il meccanismo descritto di apertura/chiusura consente la movimentazione delle pale delle eliche per la differenza di impatto al vento risultante per ogni posizione delle stesse. Viene mostrata una curvatura a deflettore (10 e 10?) nella parte finale delle relative pale. Queste rappresentano una soluzione efficace per consentire una migliore movimentazione orizzontale del sistema, in quanto si va a creare un effetto spoiler nel momento in cui l?asse dell?elica va a trovarsi in linea con la direzione del vento, favorendo una migliore movimentazione rotazionale.

Abbiamo fino ad ora preso in considerazione una sola elica, ovviamente dovremmo implementare le eliche permettendo cosi una completa e fluida rotazione dell?intero sistema dell?eolico. La struttura verticale portante (1) ? stata dimensionata opportunamente con una sezione esagonale in modo da poter far operare tre o sei eliche inserite all?interno della struttura verticale in posizioni scalate per evitare contatti tra le parti. Una variante pu? rappresentare una sezione diversa dalla esagonale descritta in quanto sar? possibile anche una sezione quadrata per due eliche, ma anche una sezione ottagonale per quattro eliche, o per sezioni con un maggior numero di lati o a sezione circolare. Una caratteristica interessante sta nel fatto che per ogni tipo di direzione del vento la turbina in oggetto si muover? sempre con la stessa rotazione, oraria o antioraria secondo il criterio di progettazione scelto. Nella Fig. 3 viene disegnata la struttura della turbina eolica a tre eliche vista dall?alto. In figura viene evidenziata con la freccia la direzione con verso del vento. Le pale sono rappresentate delle relative eliche in posizioni verticali (4) impegnate totalmente agli effetti del vento, mentre le pale (6) sono posizionate orizzontalmente in modo da offrire una minima resistenza al vento. Infine (5 e 5?) mostrano le pale in posizioni di rotazioni intermedie, praticamente in direzione del vento pronte ad una prossima rotazione. Il sistema descritto in Fig.3 quindi ruoter? in modo orario, e questo accadr? sempre per qualsiasi direzione del vento. Nel caso di una configurazione speculare, rispetto a quest?ultima, la rotazione sar? invece antioraria, sempre per ogni direzione del vento.

Per questioni tecniche legate al bilanciamento delle pale al fine di rendere uniforme la rotazione al minimo sforzo si ? pensato di creare un contrappeso preferibilmente posto nelle vicinanze della struttura verticale , per ogni pala, assicurando un perfetto bilanciamento lungo l?asse. Tale contrappeso pu? essere considerato in due aspetti: fisso, quindi studiato ad hoc, per la dimensione, per il materiale e per il peso della pala (21). Che potr? essere anche presente su tutta la lunghezza della pala, come precedentemente ? stato descritto. Oppure con un sistemi di pesi aggiuntivi di varie dimensioni e distanze dall?asse delle pale, in modo da verificarne puntualmente la congrua efficacia (22). Una interessante soluzione di contrappesi, sia posizionabili internamente alla struttura verticale che esternamente, sta nel fissare all?asse di ogni pala un pistone (18) preferibilmente a gas, agganciato all?elemento a linguetta (19) fissato all?asse della pala, e con l?altra estremit? fissato alla struttura verticale (20). Si evidenzia un semplice sistema di contrappeso (22) che pu? essere tarato a seconda delle posizioni, bloccabili tramite bulloni, in vari fori dedicati, o in alternativa tramite blocchi di contrappesi. Anche in questo caso internamente o esternamente a secondo del dimensionamento e del peso delle pale e della dimensione del tronco verticale di supporto. Abbiamo preso in esame anche un sistema a contrappesi pendente (17), di un determinato numero, che riduce il problema dell?aggetto del sistema, e quindi dell?ingombro, sia nel posizionamento esterno che in quello interno alla struttura verticale e posizionabile sia nelle immediate vicinanze dell?asse delle pale che in prossimit? della base della struttura utilizzando un cavo di opportuna lunghezza. Riteniamo che in uno studio ben determinato, specie per importanti turbine, la soluzione a contrappeso fisso (21) preferibilmente ad angoli smussati, risulta pi? idoneo per migliorare gli effetti sia aerodinamici che acustici.

Entrando nel merito del sistema di blocco delle rotazioni, accennato precedentemente, prendiamo in esame la Fig.5 Tav.2 dalla quale schematicamente (12) si nota il posizionamento di un cuscinetto a sfere, di congrue dimensioni, inglobato nella struttura verticale. Per ogni elica evidentemente saranno presenti due cuscinetti, uno per lato, questi saranno fondamentali per diminuire drasticamente gli attriti e quindi la rumorosit?. Potranno essere con chiusura di protezione e potranno essere impiegati anche cuscinetti magnetici ad induzione, i quali non necessitano di lubrificazioni e rendono minimo l?attrito interno non presentando particolari problematiche dovute agli effetti termici anche estremi. L? elemento a linguetta di battuta (13) permette la rotazione dell?asse, limitata a 90?, di ogni pala nelle due posizioni verticale ed orizzontale grazie all?elemento di blocco (14) che alle estremit? vede collocate due elementi di battuta di materiale gommoso che fungono da ammortizzatori finali, (15 e 15?) ad alte prestazioni. In alternativa ai blocchi di battuta descritti possono esserci anche altri sistemi a molle o a pistoni, per assolvere la funzione di ammortizzamento per i fine corsa, come si ? disegnato al (16) che rappresenta un martinetto ad arresto graduale che garantisce un miglioramento anche dal punto di vista acustico nell?evitare il rumore d?urto di fine corsa. Una variante al martinetto descritto risulta l?impiego di una valvola di fine corsa ad aria o ad olio. Questo tipo di eolico, con la turbina innovativa descritta, trova la migliore applicazione nell?utilizzo di un moltiplicatore di giri, in tal modo avremo una velocit? di rotazione del sistema molto ridotta e un minor numero di rotazioni delle eliche a parit? di prestazioni. I vantaggi di questo trovato risultano molteplici, in primis la possibilit? di essere utilizzato anche in abitazioni o edifici di varie dimensioni, in ambienti agresti, nella nautica in quanto risulta ridotto l?ingombro in verticale rispetto alle pale eoliche tradizionali e risulta avere una migliore efficienza energetica rispetto a quest?ultime. Dal momento che il sistema descritto risulterebbe avere una migliore performance, in relazione ad uno studio prototipale effettuato, potrebbe anche essere impiegato in ambiente marino/fluviale inserendolo o sul fondale del mare o del fiume o addirittura su isolotti dedicati ovviamente con posizione ribaltata, immersi in acqua, sfruttando le correnti alla stessa stregua di altre tipologie di turbine eoliche impiegate per stessi scopi.

APPLICAZIONI INDUSTRIALI:

Le applicazioni industriali troveranno varie soluzioni in ambienti residenziali, come ad esempio sui tetti/terrazzi di edifici per l?integrazione della fornitura elettrica condominiale. In ambienti agresti potr? essere validamente impiegata come soluzione alternativa alle tradizionali eliche su tralicci metallici. Nel settore nautico per imbarcazioni/yacht per rendere gestibile la produzione di energia elettrica anche durante la navigazione. Un impiego importante sta anche nell?utilizzo del particolare eolico solo con sfruttamento meccanico, quindi non elettrico, per permettere il prelievo dell? acqua da pozzi tramite pompe meccaniche, specie in ambienti a maggior necessit?. La turbina eolica ad eliche autorotanti oggetto della domanda, potr? essere industrializzata con materiali di congrua robustezza, per quanto riguarda la struttura verr? impiegato preferibilmente l?acciaio inox, in alternativa il titanio o altri materiali o leghe di solida robustezza. Per quanto riguarda le pale delle eliche preferibilmente sar? utilizzata la fibra di carbonio o fibra di nylon o similari. Data la semplicit? e la robustezza del sistema si ritiene che i costi sia di produzione che di manutenzione siano molto competitivi, per cui sar? possibile anche una produzione a larga scala.

Claims (6)

RIVENDICAZIONI

1) Turbina eolica ad eliche autorotanti con due o pi? eliche, comprendente una struttura ad albero con eliche inserite in posizione mediana dell?elica nella struttura e libere alle estremit?, caratterizzata dal fatto che rispetto alle eliche tradizionali ? comporta da due pale, in posizioni ruotate opposte rispetto al centro asse per ciascuna elica Fig.1 e Fig.2. Ogni asse, comprendente l?elica, Fig.4, risulta inserito centralmente all?interno del palo verticale di supporto con l?impiego di coppie di cuscinetti a sfera per la riduzione degli attriti (12). Le estremit? libere delle eliche presentano una opportuna angolazione ad effetto spoiler (10 e 10?) performante nello sfruttamento energetico del vento per le posizioni diagonali. Le pale sono sfalsate di 90? in modo che quando l?una ? in posizione verticale (9), l?altra (9?) risulta in posizione orizzontale.

La turbina presenta degli elementi di blocchi, Fig.5, relativi alla rotazione delle pale, posizionati sul palo di supporto o internamente ad esso. Con blocco di rotazione secondo un range tra 0? e 90? per ogni pala con uno sfasamento di 90? tra le due pale presenti sullo stesso asse. Ogni blocco avr? un fine corsa congruo per la riduzione degli effetti acustici impiegando preferibilmente martinetti a controllo d?urto (16). Inoltre saranno presenti degli elementi di contrappeso bilancianti preferibilmente lungo l?asse delle pale in posizione opposta alla pala stessa, aumentando ?l?effetto vela? per una maggiore superficie di impatto (11 e 11?).

2) Come da rivendicazione precedente, la turbina eolica ad eliche autorotanti caratterizzata da un sistema di blocco, per ciascuna elica con elementi di fine corsa preferibilmente a martinetto con sistema frenante a fine corsa (16) ad attenuazione d?urto, o in alternativa con sistemi meccanici a molla o con materiali ad assorbenza d?urto (15 e 15?).

3) Come da una o entrambe le rivendicazioni precedenti, la turbina eolica ad eliche autorotanti ? caratterizzata dalla presenta di sistemi di bilanciamento delle pale che impiegano preferibilmente pistoni a gas, o a molla, di congruo dimensionamento posizionabili sul palo strutturale verticale sia al suo esterno (18) che anche internamente allo stesso (17) di opportune dimensioni.

4) Come da una o pi? rivendicazioni precedenti, la turbina eolica ad eliche autorotanti caratterizzata da una configurazione ad ? albero ramificato ? con pi? piani di gruppi di eliche per un migliore sfruttamento dell?energia eolica ed un migliore impatto ambientale Fig.1, volendo simulare alberi e piante.

5) Come da una o pi? rivendicazioni precedenti, la turbina eolica ad eliche autorotanti ? caratterizzata dalla presenza di pale piane con la parte finale libera senza curvatura a spoiler.

6) Come da una o pi? rivendicazioni precedenti, la turbina eolica ad eliche autorotanti ? caratterizzata da eliche a doppia curvatura, una per ogni pala, con una conseguente curvatura longitudinale degli assi delle pale. Queste non risulteranno quindi piane ma concave.

Quanto scritto, disegnato e rivendicato per gli scopi brevettuali predefiniti.