IT202200001685U1 - Centrale idroelettrica sommersa - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Del brevetto per modello di utilit? dal titolo:

"Centrale idroelettrica sommersa"

Il presente trovato concerne un sistema per produrre energia elettrica sfruttando la differenza di potenziale contenuta nei bacini idrici, mari laghi dighe ecc., trasformandola in energia cinetica utile per far girare una turbina collegata ad un generatore elettrico. Nello specifico la presente invenzione si riferisce a un'unit? di micro centrali idroelettriche collocate in profondit? su di un bacino idrico statico. Il presente trovato non necessita di un dislivello tra la turbina e il punto di scarico. Per mezzo di un "compressore idraulico" e tramite una valvola di scarico ad azionamento pneumatico posizionata a valle delle turbine, ? possibile restituire in modo semplice ed efficace le masse d'acqua utilizzate per l?azionamento delle turbine stesse all'ambiente circostante.

Nel campo della produzione dell'energia elettrica ? ben noto il ricorso a turbine idrauliche che convertono l'energia idraulica dell'acqua in energia meccanica resa disponibile all'albero della turbina stessa e a sua volta convertita in energia elettrica mediante un generatore elettrico.

Tali sistemi sono basati sulla conversione dell'energia dell'acqua che viene convogliata in caduta lungo una condotta a partire da un bacino di raccolta superiore, in genere originato mediante una diga posizionata in corrispondenza di un corso d' acqua.

Sebbene le centrali idroelettriche possano avere indubbi vantaggi rispetto alle centrali termoelettriche o nuclearitermoelettriche, non sono esenti da inconvenienti. In primo luogo, il requisito di un dislivellc tra il bacino e le turbine limita la scelta dei possibili siti per l'installazione degli impianti. In secondo luogo, la necessit? di creare un bacino artificiale influisce fortemente sui costi di costruzione dell'impianto. In terzo luogo, le dighe che bloccano le gole fluviali, bloccano il trasporto solido dei fiumi (sabbie e ghiaie) fino al mare dove, a causa del deposito solido ridotto o nullo, si verifica il fenomeno dell'erosione costiera. Infine, i grandi bacini idroelettrici possono avere impatti ambientali e socio-economici di forte entit? o gravita sulle aree circostanti a causa della modifica del paesaggio e della distruzione degli habitat naturali, dei movimenti di popolazione, della perdita di aree agricole e cos? via.

Al fine di risolvere i problemi legati alla necessit? di disponibilit? di grandi masse d'acqua e di una differenza di altezza tra il bacino idrico e le turbine, ? stata considerata la realizzazione di centrali idroelettriche subacquee, in cui una paratoia trasporta l'acqua dalla superficie alle turbine posizionate in profondit?.

L'installazione di centrali idroelettriche sul fondo del mare, di grandi laghi o di bacini idrici simili di grandi dimensioni elimina la necessit? di creare bacini artificiali e mette a disposizione risorse idriche quasi illimitate per l'impianto. L'impostazione di una centrale idroelettrica realizzata nelle profondit? di un bacino idrico naturale pone il problema dello smaltimento dell'acqua che scorre dalle turbine, perch? la massa d'acqua utilizzata per azionare la turbina deve essere in qualche modo espulsa o meglio ancora restituita nel bacino idrico circostante.

? conosciuto allo scrivente la tecnologia con numero di brevetto WO2021015664A1 la quale sfrutta la differenza di altitudine presente in acque profonde per mettere in moto una turbina la quale ? collegata ad un generatore. Per far defluire l'acqua in ingresso e permettere una costante produzione di elettricit? si utilizza un complicato sistema. L'acqua a valle della turbina entra in una camera d'aria, tramite una valvola in ingresso. Un sistema galleggiante attua la chiusura del foro in ingresso e contestualmente aria compressa prodotta separatamente da un compressore alimentato da pannelli solari ecc., viene immessa nella camera d'aria. Un secondo sistema complicato di sensori apre la valvola di fuoriuscita e acqua fuoriesce.

Il sistema descritto nel suddetto trovato non ? autosufficiente in quanto aria ? prodotta da un compressore alimentato a corrente elettrica. Inoltre il sistema di valvole sensori galleggianti e finecorsa, non rendono affidabile suddetto trovato .

Altres? sono conosciuti allo scrivente:

a) il brevetto DE102010005342 descrive un sistema dotato di una linea di alimentazione disposto in un bacino idrico sotto la superficie dell'acqua in cui una turbina ? soggetta ad un flusso di acqua per convertire l'energia meccanica dell'acqua in energia elettrica. Il dispositivo ? dotato di una pompa posizionata all'interno di una zona di estremit? di una sezione di alimentazione che trasferisce l'acqua entro il bacino idrico;

b)il brevetto UA23002 descrive un impianto idroelettrico sommerso che ha un corpo di cemento entro il quale sono alloggiati attrezzature tecniche, turbine, contenitori, generatori. Il corpo ? ermetico ed ? posto ad una determinata profondit? entro l'acqua ed ? collegato mediante un condotto con l'atmosfera;

c)il brevetto US2008159855 descrive una turbina ad acqua sommersa, in cui il flusso attraverso la turbina ? fornito da molteplici camere che si svuotano e si riempiono in sequenza. Ciascuna camera ? dotata di un cilindro statico ed un cilindro mobile che scorre nel cilindro statico. L'acqua viene immessa da una valvola di immissione e viene espulsa attraverso un tubo flessibile da una valvola di uscita.

Il presente trovato descrive una soluzione nuova ed originale al problema conversione dell'energia potenziale immagazzinata in un corpo idrico statico in energia cinetica ed energia elettrica utilizzando per lo smaltimento dell'acqua che scorre dalla turbina della centrale idroelettrica sommersa una pompa idraulica conosciuto come "trompe".

Un trompe ? un compressore d'aria alimentato ad acqua.

L'oggetto principale della presente invenzione ? quello di fornire un'unit? subacquea di centrale idroelettrica in grado di smaltire facilmente ed efficacemente le masse d'acqua che sgorgano dalle turbine.

Grazie alla presenza di una pompa idraulica o "trompe" in seguito dettagliatamente descritta, e tramite una valvola di scarico ad azionamento pneumatico posizionato a valle delle turbine, ? possibile restituire in modo semplice ed efficace le masse d'acqua utilizzate per l'azionamento delle turbine stesse all'ambiente circostante per la generazione dell'energia elettrica.

La presente invenzione si riferisce inoltre a una centrale idroelettrica subacquea modulare che comprende una pluralit? di tali unit?.

La modularit? dell 'impianto per la produzione di energia elettrica cosi ottenuta consente il funzionamento continuo della centrale elettrica secondo l'invenzione, anche in caso di guasto, malfunzionamento, manutenzione e/o sostituzione di singole unit?.

L'unit? secondo l'invenzione utilizza il principio di funzionamento delle centrali idroelettriche tradizionali e comprende una paratoia che comporta una "testa" di H metri, che trasporta la massa d'acqua dalla superficie di un bacino idrico fino alla turbina posta in profondit? sotto la superficie del bacino stesso.

L'energia potenziale dell'acqua ? trasmessa cos? alla turbina e trasformata in energia cinetica e per mezzo di un alternatore in energia elettrica.

La produzione di energia elettrica ? costante, in quanto la tecnologia fornita con il presente trovato, permette di scaricare efficacemente nell'ambiente circostante le masse d'acqua utilizzate per il funzionamento delle turbine stesse.

In particolare, un tubo verticale ? collocato a valle della turbina, all'interno del quale l'acqua proveniente dalla turbina cade per costrizione.

L'energ?a dell'acqua in caduta crea un vuoto parziale all'interno del tubo che viene compensato dall'aria proveniente dall'atmosfera esterna fornita attraverso l'aspirazione da una porta esterna per effetto Venturi.

Man mano che l'aria sotto forma di bolle scende lungo il tubo verticale essa viene compressa dalla pressione dell'acqua circostante .

Il tubo discendente termina in una camera di separazione.

La sezione del tubo discendente in prossimit? di suddetta camera ? maggiorata in modo da ridurre la velocit? dei due fluidi ed incrementarne la pressione, conformemente all'equazione di Bernulli.

Nella camera di separazione le bolle di aria trattenute dall'acqua salgono in alto mentre essa si deposita sul fondo. Nella parte superiore della camera di separazione ? collocato un tubo di mandata che aziona un cilindro pneumatico monodirezionale con molla di ritorno. Il fondo della camera di separazione ? dotata di una botola azionata mediante suddetto cilindro .

Il gradiente di pressione dell'aria nella camera di separazione raggiunge quello utile ad azionare il cilindro pneumatico; la botola si apre permettendo la fuoriuscita dell'acqua nel bacino idrico di provenienza in quanto la pressione raggiunta nella camera di separazione ? maggiore rispetto alla pressione esercitata dalla massa d'acqua circostante ,

Il presente trovato in conformit? alla normativa vigente, non ? altro che una invenzione di combinazione avente per oggetto una soluzione ad un problema tecnico tramite il coordinamento di mezzi o elementi noti.

Per un esperto del settore ? facile notare che la tecnologia utilizzata in questo trovato per espellere la massa d'acqua impiegata per azionare la turbina idroelettrica ? quella dei cd. Trompe che gi? nel 1878 brevett?. Il termine "trompe" ? stato generalmente applicato per descrivere la classe di sistemi che realizzano la compressione dell'aria a seguito del trascinamento di bolle d'aria da una colonna d'acqua che scorre verso il basso.

Nel presente trovato un "trompe" azionato per mezzo delle masse d'acqua che defluisco dalla turbina idroelettrica, ? utilizzato per produrre aria compressa utile allo smaltimento della stessa acqua impiegata per azionare suddetta turbina.

Pertanto il presente trovato, convoglia l'acqua immagazzinata a valle della turbina, in un tubo discendente e ad una certa altezza, per mezzo di una strozzatura ed una discontinuit? del tubo discendente l'aria si mescola con l'acqua, i due formano una miscela eterogenea. Secondo il principio Venturi, quando aumenta l'altezza tra la superf?cie dell'acqua in caduta a monte e la strozzatura, aumenta il flusso d'aria aspirata. L'aria che scende lungo il tubo, ? pressurizzata proporzionalmente alla testa idraulica, cio? l'altezza della colonna d'acqua nel tubo.

Il rapporto aria/acqua ha una grande influenza sulla pressione dell'aria: quando il rapporto aria/acqua aumenta, la pressione dell'aria diminuisce. Dissociando l'altezza di caduta dall?altezza della colonna d'acqua, si possono avere gradienti d'aria ad alta pressione qualunque sia l'altezza di caduta. Nella tavola 1 ? mostrato un bacino idrico statico fig. 1 al cui interno ? immerso il modulo fig. 2.

Il modulo ? di forma cilindrica ed ? preferibilmente in realizzato in alluminio. La lunghezza complessiva del modulo ? di 33 metri mentre la sezione ? di 40 cm.

Il modulo ? ancorato su una griglia metallica galleggiante non mostrata in figura e l'estremit? superiore di detto modulo ? in comunicazione con l'aria a pressione ambiente.

All'interno del modulo ? collocata una turbina idroelettrica fig 3, retta da un albero motore fig. 4, opportunamente calettato su dei cuscinetti fig. 5, i cui supporti sono collegati all'estremit? superiore del modulo.

L'albero che trasmette il moto meccanico della turbina ? opportunamente collegato ad un generatore elettrico non mostrato in figura, anch'esso collocato sul supporto metallico galleggiante.

In fig. 6 ? mostrato un condotto di mandata, la cui estremit? superiore ? sotto il pelo libero dell'acqua mentre l'estremit? inferiore ? posta in collegamento con la turbina, dimodoch? l'acqua in ingresso dalla estremit? superiore del condotto di mandata azioni la turbina posta all'interno del modulo e in profondit? nel bacino idrico.

La lunghezza del condotto di mandata determina il salto idroelettrico. In una forma di realizzazione preferita, il salto ? di 29 metri.

La sezione del condotto di mandata determina la portata d'acqua alla turbina. In una forma di realizzazione preferita la portata d'acqua ? di 0.38 mq/s.

A valle della turbina come mostrato in fig. 7 ? presente una piastra lungo tutta la circonferenza interna del modulo. Detta piastra ? collocata a 0,8 metri a valle dalla turbina.

In fig. 8 ? mostro un condotto verticale la cui estremit? superiore ? elevata al disopra della turbina e la cui estremit? inferiore ? fissata alla piastra in fig. 7, questo condotto che da ora in poi verr? denominato presa d'aria consente l'aspirazione di aria a pressione ambiente nel tubo discendente di seguito descritto.

La fig. 9 mostra un condotto discendente al cui interno ? convogliata per costrizione la massa d'acqua proveniente dalla turbina. Questo condotto discendete ha una lunghezza di 2,2 metri e una sezione paria alla sezione del condotto di mandata, dimodoch? l'intera portata d'acqua impiegata per azionare la turbina defluisca in un istante nel condotto discendente.

La fig. 10 mostra un secondo condotto discendente di diametro maggiorato di 1/3 rispetto al condotto in fig. 9, con una lunghezza di 7 metri la cui estremit? superiore si inserisce a formare un imbuto. In questo tratto si realizza per effetto venturi l'aspirazione dell'aria a pressione ambiente proveniente dalla presa d' aria. Nel secondo tratto di condotto discendente si realizza la compressione dell'aria precedentemente aspirata .

Il condotto mostrato in figura 10 termina in una camera di separazione fig. 12 con una maggiorazione della sezione fig. 11. La maggiorazione della sezione consente all'acqua di depositarsi nel fondo della camera e permette alle bolle d'aria di risalire nella superficie alta di suddetta camera.

Parte dell'aria compressa presente nella camera di separazione ? impiegata per azionare l'attuatore pneumatico mono-direzionale con molla di ritorno, fig. 13.

In fig. 14 ? mostrata una botola azionata tramite suddetto attuatore .

La sezione della botola ? opportunamente dimensionata dimodoch? all'apertura avvenga la fuoriuscita dell'intera massa d'acqua contenuta nella camera.

L'altezza di caduta che genera l'aria compressa, nel presente trovato ? di 9,2 metri, il flusso d'acqua in mq/s e di 0.38, il valore medio di aria compressa fornita nella camera di separazione e di 6 bar.

La camera di separazione ? opportunamente dimensionata, in particolare la sua altezza e di 2,2 metri mentre base superiore e base inferiore hanno un diametro di 25 centimetri.

Il volume della camera di separazione ? di 0.43 m3.

La camera di separazione ? posta a 40 metri in profondit? nel bacino idrico.

A tale profondit? il gradiente di pressione esercitato dall'acqua e di 5 atmosfere per cui la pressione dell'aria nella camera di separazione ? sufficientemente elevata per espellere l'acqua presente in essa a tali profondit?.

La singola unit? secondo il presente trovato, considerata una efficienza complessiva del 96%, ? in grado di produrre 100 kw. Una serie di 10 unit? collocate su una determinata superficie acquifera, sono in grado di produrre 1 MW di potenza.

Claims (2)

RIVENDICAZIONI Del brevetto per modello di utilit? dal titolo: "Centrale idroelettrica sommersa"

1. L'unit? di una centrale idroelettrica sommersa, adatta ad

essere collocata sott'acqua in un bacino idrico, comprende:

un bacino idrico statico;

- una piattaforma galleggiante posata su detto bacino idrico;

- un modulo di sezione e lunghezza definiti, collocabile in

detta piattaforma, immerso in detto bacino idrico, la cui

estremit? superiore ? in contatto con la pressione atmosferica;

una turbina idroelettrica collocata all'interno di detto

modulo, collegata ad un albero motore.

- un generatore elettrico collegabile a detto albero;

- un condotto di mandata utile ad azionare la turbina posta

all'interno del modulo e in profondit? nel bacino idrico;

- una presa d'aria e un condotto discendente collocato a valle della turbina, all'interno del quale l'acqua proveniente dalla turbina cade per costrizione;

- un sistema di aspirazione dall'aria proveniente dall'atmosfera per effetto Venturi collocato in detto condotto discendente;

- una camera di separazione con una posta di scarico collocata sul fondo di detta camera;

- un cilindro pneumatico mono-direzionale con molla di ritorno azionato dall'aria compressa presente nella camera di separazione, collegato a suddetta porta;

2.L'unit? di una centrale idroelettrica sommersa (1) ? caratterizzato dal fatto che comprende una pluralit? di unit? per la produzione di energia elettrica .