ITAN20120089A1 - Turbina eolica ad asse verticale con vele piane ad apertura controllata - Google Patents

Description

DESCRIZIONE e RIVENDICAZIONI

Descrizione dell 'invenzione

avente per TITOLO: TURBINA EOLICA AD ASSE VERTICALE CON VELE PIANE AD APERTURA CONTROLLATA

Testo della Descrizione

L'invenzione si riferisce alle turbine eoliche ad asse verticale.

Nella categoria di turbine eoliche ad asse verticale, la presente invenzione si riferisce prevalentemente a quelle turbine che usano pale piane, piuttosto che pale curve. Le turbine con pale curve usano effetti aerodinamici delicati collegati alla geometria della palla curva; tali effetti aero-dinamici riducono l’efficienza della turbina. Nonostante ciò', la soluzione proposta qui non esclude la possibilità dell'utilizzo della presente invenzione anche nel caso delle turbine ad asse verticale con pale curve.

La turbina eolica ad asse verticale con meccanismo di controllo dell'apertura delle pale ha quattro parti componenti:

-Componente A: Organo di determinazione della direzione del vento

- Componente B: Turbina; meccanismo di controllo dell'apertura delle pale -Componente C: Stabilizzatore della velocita' di rotazione della turbina

-Componente D: Estrattore dell'energia prodotta.

CASO I: Turbina eolica ad asse verticale con meccanismo di controllo dell'apertura delle pale, senza stabilizzatore della velocita'. In questo caso la turbina raggiunge il massimo di efficienza.

- Componente A: Organo di determinazione della direzione del vento.

Consiste da un asse verticale (AV) al quale e' collegata in modo solidale una vela verticale piana (VV). E' previsto che la vela verticale piana (VV) segui la direzione del vento, orientandosi nella direzione del vento.

All'asse verticale (AV) e' collegata, in modo solidale, una ruota dentata (RO) di raggio R, disposta orizzontalmente. L'asse verticale (AV) passa per il centro della ruota dentata (RO). - Componente B: Turbina; meccanismo di controllo dell'apertura delle pale.

Consiste da un sistema di N braci (Bl, B2, .. ,BN) disposti radialmente su un piano orizzontale; due bracci successivi formano tra loro angoli di gradi centesimali 360/N. Tali bracci sono legati tra loro in modo solidale. l'intero sistema di bracci gravita intorno all'asse (AV), che si trova al suo centro.

Ogni braccio (Bi) ha due estremità': un lato, per il quale passa verticalmente l'asse verticale (AV), ed il lato estremo, esterno (Ei).

Su ogni braccio (Bi), i = 1, 2, ..., N , si trova una ruota dentata (Ri), di raggio (R), uguale al raggio della ruota (RO). Sia (Ci) il centro della ruota (Ri), fissato sul braccio (Bi).

Le ruote (RO), (Ri) sono ingranate. Le due ruote dentate hanno lo stesso numero di denti. Al lato estremo del braccio (Ei) si trova un disco orizzontale (Di). Tale disco ha centro nel punto (CDi) del braccio (Bi). Sul disco (CDi) e' fissata, in modo solidale, verticalmente, la pala (vela) (Vi). La vela (Vi) e', preferibilmente, di forma rettangolare, piana, avendo come asse di simmetria la retta verticale passante per il centro (CDi) del disco (Di).

Sulla ruota (Ri) si sceglie un punto (Ai). Sul disco (Di) si sceglie un punto (AAi),vedi Fig. 3. Sia RI la distanza dal punto (Ai) al centro (Ci). Sia R2 la distanza dal punto (AAi) al centro (CDi).

Come caso esemplificativo, ma non esclusivo, si prende:

RI < R2 , Di = L = la distanza tra il punto (Ai) ed il punto (AAi).

- Sia (Li) la leva che congiunge il punto (Ai) con il punto (Aai), vedi Figura 3.

- La lunghezza L della leva (Li) si sceglie uguale alla distanza tra i due centri (Ci) e (Cdi) Il rapporto (R2-R1 )/L si sceglie sufficientemente piccolo.

(Se RI fosse uguale ad R2, i quattro punti (Ci), (Ai), (AAi), (CDi) formerebbero un parallelogramma e dunque i lati opposti sarebbero paralleli. Nel coso illustrato, Rl< R2, e, siccome il rapporto (R2-R1)/L e' piccolo, il quadrilatero (Ci), (Ai), (AAi), (CDi) risulta un quasi-parallelogramma, per cui, i lati opposti di questo quadrilatero rimangono

quasi paralleli.)

Allo scopo di spiegazione, supponiamo che l'osservatore abbia d'avanti a se la turbina eolica e che il vento tiri frontalmente verso l'osservatore. La vela verticale (VV) si orienta nella direzione del vento, verso l'osservatore. Le figure allegate illustrano il caso della turbina con 5 bracci ( i = 1, 2, 3, 4, 5. Vedi Figura 1).

Spieghiamo per primo la sistemazione del meccanismo di controllo dell'apertura della vela (VI), vedi Figura 2 e Figura 3, nella quale si prende i = 1.

Supponiamo che il braccio (Bl) si trovi a destra, in posizione perpendicolare rispetto la direzione del vento (vedi Fig. 1). Chiamiamo questa posizione la posizione iniziale. I punti (Al) e (AAI) sono scelti come nella Fig 2. La vela (VI) e<1>solidale col disco (DI), fissata in un piano parallelo al piano della direzione del vento (e, cioè<1>parallela al piano della vela verticale (VV) ). Questa sara' la sistemazione finale della meccanica relativa al braccio (Bl).

Su tutti gli altri bracci (B2), (B3), (B4), (B5) si riproduce la stessa meccanica che e' stata scelta sul braccio (B 1 ). Per ciò si intende che se il braccio (Bi) verebbe' disposto nella stessa posizione nella quale si trovava il braccio (Bl) della frase precedente, cioè' nella posizione iniziale , allora i corrispondenti punti (Ai), (AAi) verranno scelti nella stessa maniera con la quale sono stati scelti i punti (Al ), (AAI ). La vela (Vi) verrà' sistemata analogamente con la stessa modalità' con la quale e' sta sistemata la vela (VI ).

Rimane da definire la fase di ogni ruota (Ri), i = 2, 3, 4, 5, rispetto la ruota centrale (RO). Anticipanodo il fatto che tale turbina comincera' a ruotare in senso anti-orario, la ruota (R2) verrà' disposta con uno sfasamento di 360/5 gradi = 72 gradi (dipendente dal numero N di bracci), in modo che, quando il braccio (B2) arriverà' nella posizione iniziale (in cui si trovava il braccio (Bl ) ), tutti gli elementi geometrico/meccanici del braccio (B2) saranno identici a quelli definiti sul braccio (Bl ).

Le ruote successive (Ri) verranno predisposte rispettivamente con sfasamenti multipli interi di 72 gradi. In altre parole, quando il braccio (Bi) arriverà' nella posizione iniziale , la disposizione della sua meccanica sara' la stessa, cioè' non dipenderà' dal indice (i) del braccio. Ciò' conclude la definizione della meccanica di controllo dell'apertura delle vele (Vi).

Con questa sistemazione meccanica, come detto, la turbina comincera' a ruotare nel senso anti-orario. Ciò' e' dovuto al fatto che ogni braccio (Bi) quando arriva nel semi-cerchio destro della sua rotazione, la sua vela (Vi) e' quasi parallela alla direzione del vento e dunque l'effetto di spinta del vento su di essa sara' trascurabile. Quando, invece, il braccio (Bi) arriva nel semi-cerchio sinistro della sua rotazione, la sua vela (Vi) si espone al vento creando momento meccanico. Le Figure 2, 4, 5, 6, 7 riproducono l'evoluzione dinamica della turbina a multipli interi, successivi, di 36 gradi in senso anti-orario di rotazione.

In altre parole, la turbina produce momento meccanico nella parte sinistra ed oppone resistenza trascurabile nella parte destra ( rispetto l'osservatore , e la direzione del vento). 5/8 La spiegazione geometrica di questo fenomeno sta nel fatto che gli angoli di rotazione del braccio (Bi) e della sua ruota (Ri) nella parte destra si sottraggono, mantenendo la vela in direzione fissa (parallela al vento), mentre nella parte sinistra tali angoli si sommano, la vela cambia direzione e si espone al vento.

Componente D: Estrattore dell'energia prodotta. L'energia prodotta dalla turbina viene estratta dall'asse comune dei bracci (Bi), che e' co-assiale con l'asse (AV).

CASO li: Turbina eolica ad asse verticale con meccanismo di controllo dell'apertura delle pale, con stabilizzatore della velocita'.

Il CASO I presenta la configurazione geometrico-meccanica della turbina nell'ipotesi di massimo rendimento meccanico. Se invece, pur mantenendo invariata tutta la meccanica descritta prima, ad eccezione della possibilità' di produrre un angolo variabile di rotazione della vela verticale (VV) intorno all'asse (AV), le due zone a destra ed a sinistra di cui si e' parlato sopra si ruoteranno dello stesso angolo, rispetto la direzione del vento. L'effetto di tutto ciò' sara' che la zona a sinistra dell'esposizione al vento delle vele (Vi) vera' ridotta, mentre parte della zona di destra, che era zona di spinta trascurabile, diventerà' parzialmente zona di spinta in direzione oraria, opposta. Ciò' produra' un momento meccanico di segno opposto che ridurrà' l'efficienza della turbina. Con Γ augmentare di tale angolo si produce una maggiore riduzione dell'efficienza della turbina, e dunque un rallentamento della rotazione. Nel CASO II, si introduce la modifica specificata qui sopra e si interpone la -Componente C: Stabilizzatore della velocita' di rotazione della turbina, che determina e modifica l'angolo di rotazione tra la vela (VV) e l'asse (AV).

Lo stabilizzatore della velocita' di rotazione della turbina sara' composto da un'elemento di misurazione della velocita' di rotazione dell'asse dei bracci e da un'elemento esecutore dell'apertura angolare.

L'elemento di misurazione della velocita' dell'asse e l'elemento esecutore dell'apertura angolare potrà' essere meccanico oppure elettro-meccanico. Tra l'elemento di misurazione della velocita’ dell'asse dei bracci e l'elemento esecutore dell'apertura angolare si può' interporre una centrallina elettronica per ottimizzare il processo di stabilizzazione della velocita'.

POSSIBILI MODIFICHE

-gli ingranaggi (RO)-(Ri) potranno essere sostituiti con cinghie dentate, oppure con camme capaci di produrre spinta e attrazione

-le vele (Vi) potranno essere disposte su piani orizzontali diversi

-le leve (Li) potranno essere articolate, in uno o piu' punti, con guide di scorrimento.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI - Si presenta un meccanismo semplice che controlla la posizione delle vele verticali, in relazione alla direzione del vento, minimizzando l'effetto frenante ed augmentando l'effetto di spinta del vento, massimalizzando l'efficienza della turbina - Evitando di applicare l'invenzione nei casi delle pale curve, il calcolo aero-dinamico del l'efficienza della turbina diventa estremamente facile, facilitando la progettazione di tali turbine -La semplicità' del meccanismo di controllo dell'apertura delle pale ha i seguenti vantaggi: -e' di facile realizzazione pratica, considerati i processi industriali technologici necessari per la produzione di tali turbine, la diversità' di materiali utilizzabili, ed il possibile costo di produzione, incluse le difficolta' di progettazzione -il meccanismo proposto massimizza l'efficienza della turbina, ciò' che estende il campo delle applicazioni pratiche, inclusa la possiblita' di utilizzo nel caso di venti molto deboli, -si può' realizzare in piccole o grandi dimensioni geometriche e di potere erogato, allargando il campo applicativo -le turbine proposte potranno essere silenziose e rispettose dell'ambiente -permette un controllo accurato della velocita' della turbina. Il meccanismo di frenaggio proposto e' basato sulla riduzione dell'efficienza e non su meccanismi di freno basati sull'attrito - considerata la semplicità' del meccanismo di controllo dell'apertura delle pale, la turbina eolica proposta avra' costi ridotti di manutenzione. - Il principio di funzionamento della turbina proposta si può' utilizzare per produrre turbine immerse in qualsiasi fluido in movimento (utilizzazioni marine, o fluviali e.g.) -Invertendo i fattori fisici di causa-effetto, il principio di funzionamento della presente invenzione si può' applicare anche per produrre motori di propulsione nel campo nautico.