ITAN20130118A1

ITAN20130118A1 - DEVICE FOR THE CAPTURE OF WIND ENERGY AND CONVERSION IN ELECTRICITY

Info

Publication number: ITAN20130118A1
Application number: IT000118A
Authority: IT
Inventors: Vicario Nicoletta Del
Original assignee: Del Vicario Engineering Srl
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-29

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo attached to a patent application for INDUSTRIAL INVENTION having the title

DISPOSITIVO DI CAPTAZIONE DI ENERGIA EOLICA E WIND ENERGY COLLECTION DEVICE E

DI CONVERSIONE IN ENERGIA ELETTRICA OF CONVERSION INTO ELECTRICITY

Il presente trovato concerne un dispositivo di captazione di energia eolica e di conversione in energia elettrica. The present invention relates to a device for capturing wind energy and converting it into electrical energy.

Nel settore dell’energie rinnovabili è noto impiegare delle miniturbine eoliche ad asse verticale (del tipo noto anche come turbine “Savonius”) che, benché largamente diffuse, presentano numerosi inconvenienti: ad esempio di tipo fluidodinamica, che ne limitano l'interesse sotto il profilo strettamente energetico; e/o di tipo impiantistico, che ne limitano anche la possibilità di utilizzazione ad esempio in ambienti urbani e/o residenziali. In the renewable energy sector it is known to use vertical axis mini wind turbines (of the type also known as "Savonius" turbines) which, although widespread, have numerous drawbacks: for example of the fluid dynamics type, which limit their interest under the strictly energetic profile; and / or plant engineering, which also limit the possibility of use, for example in urban and / or residential environments.

Dette turbine, infatti presentano, in particolare: una bassa efficienza aerodinamica ed una bassa densità volumetrica di energia prodotta; un’elevata rumorosità legata alla scarsa qualità aerodinamica delle superfici rotoriche e all’elevato numero di giri di rotazione; e forme proprie difficilmente integrabili in ambienti di edilizia urbana convenzionale e residenziale. In fact, said turbines have, in particular: a low aerodynamic efficiency and a low volumetric density of energy produced; a high noise level linked to the poor aerodynamic quality of the rotor surfaces and the high number of revolutions of rotation; and their own forms that are difficult to integrate into conventional and residential urban building environments.

Principale compito del presente trovato è pertanto quello di ovviare a questi inconvenienti attraverso la realizzazione di un dispositivo di captazione di energia eolica e di conversione in energia elettrica che si qualifichi per una superiore efficienza aerodinamica e per la sua capacità di produrre energia anche a bassa velocità e/od anche in condizioni di ridotta ventosità, nonché con minima produzione di rumore di esercizio. The main aim of the present invention is therefore to obviate these drawbacks by providing a device for capturing wind energy and converting it into electrical energy which qualifies for superior aerodynamic efficiency and for its ability to produce energy even at low speed. and / or even in conditions of reduced wind, as well as with minimal production of operating noise.

In accordo con l’invenzione, questi ed altri obiettivi sono raggiunti da un dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni allegate. In accordance with the invention, these and other objectives are achieved by a device according to one or more of the attached claims.

Le caratteristiche e i vantaggi del presente trovato saranno più chiaramente comprensibili dalla descrizione di una particolare, sebbene non unica, forma di attuazione che è data nel seguito mediante un esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui: The characteristics and advantages of the present invention will be more clearly understandable from the description of a particular, although not unique, embodiment which is given below by means of a non-limiting example with reference to the attached drawings, in which:

- la figura 1 è una vista in prospettiva assonometrica d'insieme di un dispositivo conforme all'invenzione; - figure 1 is an axonometric perspective view of the whole of a device according to the invention;

- la figure 2 e 3 sono rispettivamente una vista in alzato ed una vista in pianta dall'alto del dispositivo di figura 1; Figures 2 and 3 are respectively an elevation view and a top plan view of the device of Figure 1;

- le figure 4 e 5 sono rispettivamente una vista in alzato ed una vista in pianta dall'alto di un particolare modulo per la costruzione del dispositivo; - la figura 6 è una vista prospettica d'insieme di una variante di realizzazione del dispositivo; - figures 4 and 5 are respectively an elevation view and a top plan view of a particular module for the construction of the device; Figure 6 is an overall perspective view of a variant embodiment of the device;

- le figure 7 e 8 sono rispettivamente una vista in alzato ed una vista in pianta dall'alto della variante del dispositivo rappresentata in figura 6. - Figures 7 and 8 are respectively an elevation view and a top plan view of the variant of the device shown in Figure 6.

Con riferimento alle figure degli uniti disegni con 1 si identifica un dispositivo di captazione di energia eolica e conversione in energia elettrica che sostanzialmente comprende, assemblati in una struttura d'insieme a prevalente sviluppo verticale: un rotore 2, un generatore 11 ed un supporto 12. With reference to the figures of the accompanying drawings, 1 identifies a device for capturing wind energy and converting it into electrical energy which substantially comprises, assembled in an overall structure with prevalently vertical development: a rotor 2, a generator 11 and a support 12 .

Nelle figure 1, 2 e 3 si nota che il rotore 2 essenzialmente comprende un albero 3 con linea d'asse 6 verticale ed una palettatura 4 portata solidalmente dall'albero 3. La palettatura 4 è provvista di pale 5, preferibilmente in numero di tre, le quali sono distribuite a passo nell'intorno dell'albero 3, dal quale aggettano in direzione sostanzialmente radiale. In Figures 1, 2 and 3 it can be seen that the rotor 2 essentially comprises a shaft 3 with axis line 6 vertical and a blade 4 carried integrally by the shaft 3. The blade 4 is provided with blades 5, preferably three in number , which are distributed stepwise around the shaft 3, from which they project in a substantially radial direction.

Le pale 5 sono provviste di profili sostanzialmente elicoidali. Detti profili sono svergolati nella direzione d'asse 6 dell'albero 3, ovvero sono gradualmente ed angolarmente sfasati intorno all'asse 6, man mano che ci si sposta longitudinalmente all'asse 6 medesimo. The blades 5 are provided with substantially helical profiles. Said profiles are twisted in the direction of the axis 6 of the shaft 3, that is, they are gradually and angularly out of phase around the axis 6, as one moves longitudinally to the axis 6 itself.

Nelle figure 4 e 5 si nota in particolare che il rotore 2 può presentare vantaggiosamente una struttura modulare che, a partire da una posizione prossimale al generatore 11, può svilupparsi costruttivamente, mediante assemblaggio in verticale di moduli successivi. In figures 4 and 5 it is noted in particular that the rotor 2 can advantageously have a modular structure which, starting from a position proximal to the generator 11, can develop constructively, by means of vertical assembly of successive modules.

Sfruttando tale concetto, il rotore 2 di figura 1, è ottenibile ad esempio -mediante sovrapposizione ed assemblaggio in allineamento verticale di due moduli, del tipo indicato in figura 4. By exploiting this concept, the rotor 2 of Figure 1 can be obtained, for example, by overlapping and assembling in vertical alignment of two modules, of the type indicated in Figure 4.

E' ovvio che ampie gamme di rotori 2 di diverse lunghezze sono ottenibili combinando - secondo la propria linea d'asse 6 - vari moduli e/o angoli di svergolamento più o meno ampi, per unità di lunghezza del modulo. It is obvious that wide ranges of rotors 2 of different lengths can be obtained by combining - according to its axis line 6 - various modules and / or more or less wide warping angles, per unit length of the module.

I rotori 2 delle figure 1,2 e 4 hanno profili elicoidali aventi inviluppo sostanzialmente cilindrico nella direzione verticale - ovvero nella direzione d'asse 6 dell'albero 3 - inviluppo che è delimitato tra una sezione di base, indicata con 7, ed una sezione sommitale indicata con 8. Più in particolare, la sezione di base individua una sezione di ingresso 7, tripartita, attraverso la quale il flusso eolico entra nel rotore 2 con direzione sostanzialmente assiale. La sezione sommitale 8 individua invece una sezione di uscita 8, tripartita, attraverso la quale il flusso eolico fuoriesce dal rotore 2, ancora in direzione sostanzialmente assiale. The rotors 2 of Figures 1, 2 and 4 have helical profiles having a substantially cylindrical envelope in the vertical direction - that is, in the direction of axis 6 of the shaft 3 - envelope which is delimited between a base section, indicated by 7, and a section top indicated with 8. More particularly, the base section identifies a tripartite inlet section 7, through which the wind flow enters the rotor 2 with a substantially axial direction. The top section 8, on the other hand, identifies a tripartite outlet section 8, through which the wind flow exits from the rotor 2, again in a substantially axial direction.

Nelle figure 6 e 7 è rappresentata una variante costruttiva del rotore 2, nella quale i profili elicoidali hanno inviluppo che (almeno nella parte sommitale rastremata del rotore 2) è sostanzialmente conico, nella direzione d'asse 6 dell'albero 3. Figures 6 and 7 show a construction variant of the rotor 2, in which the helical profiles have an envelope which (at least in the tapered top part of the rotor 2) is substantially conical, in the axis direction 6 of the shaft 3.

Costruttivamente parlando la palettatura 4 è ottenuta mediante assemblaggio all'albero 3 di costolature 9 e di una superficie 10 di guida del flusso eolico ad esse associata. Structurally speaking, the blading 4 is obtained by assembling ribs 9 and a wind flow guide surface 10 associated with them to the shaft 3.

Più in particolare, le costolature 9 aggettano dall'albero 3 trasversalmente alla direzione d'asse 6 del rotore 2. More specifically, the ribs 9 project from the shaft 3 transversely to the axis direction 6 of the rotor 2.

Nella direzione d'asse 6, dell'albero 3, le costolature 9 si susseguono longitudinalmente a passo, a distanze regolari l'una dall'altra. Nell'intorno dell'asse 6 le costolature 9 sono invece sfasate, in senso circonferenziale, di passi angolari la cui ampiezza è predeterminata e definita in funzione dell'angolo di svergolamento desiderato per la palettatura 4. In the direction of axis 6, of shaft 3, the ribs 9 follow each other longitudinally in pitch, at regular distances from each other. Around the axis 6 the ribs 9 are instead offset, in a circumferential sense, by angular steps whose amplitude is predetermined and defined as a function of the desired twist angle for the blading 4.

La superficie 10 di guida del flusso eolico è supportata dalle costolature 9 e presenta sviluppo continuo, dalla sezione d'ingresso 7 alla sezione d'uscita 8, per l'intero sviluppo della linea d'asse 6 dell'albero 3. The surface 10 for guiding the wind flow is supported by the ribs 9 and has a continuous development, from the inlet section 7 to the outlet section 8, for the entire development of the axis line 6 of the shaft 3.

Nelle figure, le costolature 9 appaiono supportare la superficie 10 di guida con la propria superficie di estradosso, ovvero dette costolature 9 riscontrano la superficie 10 di guida collocandosi all'interno della parte concava di quest'ultima. In the figures, the ribs 9 appear to support the guiding surface 10 with their own extrados surface, ie said ribs 9 meet the guiding surface 10 and are located inside the concave part of the latter.

Una tale impostazione costruttiva deve intendersi del tutto indicativa e non limitativa, poiché è possibile che le costolature 9 siano integrate nello spessore della superficie 10 di guida (senza creare resistenze concentrate al flusso eolico evolvente) oppure che siano collocate in modo da riscontrare la parte convessa di quest'ultima, ovvero siano collocate all'esterno della superficie di guida, sul lato della stessa che non è lambito dal flusso eolico. In corrispondenza delle sezioni 7 e 8 di ingresso e di uscita del rotore 2 le costolature 9 sono interconnesse strutturalmente tra loro con sfasamento angolare di 120°, come chiaramente evidenziato dalle figure. Such a constructive approach must be understood as entirely indicative and not limiting, since it is possible that the ribs 9 are integrated into the thickness of the guide surface 10 (without creating concentrated resistances to the involute wind flow) or that they are positioned so as to meet the convex part of the latter, or they are placed outside the guide surface, on the side of the same that is not lapped by the wind flow. In correspondence with the inlet and outlet sections 7 and 8 of the rotor 2 the ribs 9 are structurally interconnected with each other with an angular phase shift of 120 °, as clearly shown in the figures.

Al di sotto del rotore 2 si colloca il generatore 11 elettrico. Below the rotor 2 is the electric generator 11.

Questo è condotto in rotazione dall'albero 6 che, a sua volta trae la propria energia meccanica di rotazione dalle pale 5 sulle quali si esercita l'azione di spinta del flusso eolico. This is driven in rotation by the shaft 6 which, in turn, draws its own mechanical rotation energy from the blades 5 on which the thrust action of the wind flow is exerted.

Nelle figure 1 e 2 si rileva che al di sotto della sezione d'ingresso 7 del flusso eolico si colloca il supporto 12 che sostiene il rotore 2 con orientamento verticale del proprio asse 6. Figures 1 and 2 show that below the inlet section 7 of the wind flow is the support 12 which supports the rotor 2 with a vertical orientation of its axis 6.

La forma di detto supporto 12 è determinata di volta in volta a seconda delle condizioni di installazione del dispositivo 1, ovvero delle localizzazioni d'impianto del medesimo. The shape of said support 12 is determined from time to time according to the installation conditions of the device 1, or to the locations of its installation.

A titolo di esempio nelle figure 6 e 7 è mostrato un supporto 12 che include un montante verticale conformato a traliccio, al di sopra dell'estremità superiore del quale si colloca il rotore 2. By way of example, Figures 6 and 7 show a support 12 which includes a vertical upright in the shape of a lattice, above the upper end of which the rotor 2 is placed.

Una tale strutturazione, consente vantaggiosamente di poter disporre di una struttura idonea a molti usi. Tra questi, particolarmente utile potrebbe essere - ad esempio - quello di sostenere tabelloni informativi, insegne pubblicitarie, in particolare luminosi, alimentati elettricamente anche con una parte della stessa energia elettrica che è generata dalla conversione dell'energia eolica in energia meccanica di rotazione dell'albero 6 operata nel rotore 2. Such a structure advantageously allows to have a structure suitable for many uses. Among these, it could be particularly useful - for example - to support information boards, advertising signs, in particular luminous, electrically powered even with a part of the same electrical energy that is generated by the conversion of wind energy into mechanical rotation energy of the shaft 6 operated in rotor 2.

Il dispositivo 1 secondo il trovato si è rivelato essere particolarmente efficiente sotto il profilo aerodinamico potendo esso produrre energia a basso numero di giri e in condizioni di ventosità minima. Ciò risulta di particolare interesse sia sotto il profilo energetico, sia sotto il profilo del ridotto impatto ambientale. Infatti, la bassa velocità di rotazione e, il ridotto rumore che ne deriva, consentono vantaggiosamente di poter collocare il dispositivo anche in ambiente urbano e con una elevata integrabilità dello stesso nel patrimonio edilizio esistente. The device 1 according to the invention has proved to be particularly efficient from an aerodynamic point of view as it can produce energy at a low number of revolutions and in conditions of minimal wind. This is of particular interest both in terms of energy and in terms of reduced environmental impact. In fact, the low speed of rotation and the reduced noise that derives from it, advantageously allow the device to be placed even in an urban environment and with a high degree of integration of the same in the existing building heritage.

Le prove sperimentali condotte su prototipo nella galleria del vento hanno dimostrato che il dispositivo è in grado di produrre ben 1,8 Watt di potenza con vento di soli 5,3 m/s e con velocità angolare di soli 10 RPM. The experimental tests conducted on the prototype in the wind tunnel have shown that the device is capable of producing a good 1.8 Watts of power with a wind of only 5.3 m / s and with an angular speed of only 10 RPM.

Il trovato così concepito è suscettibile di evidente applicazione industriale; può essere altresì oggetto di numerose modifiche e varianti, equivalenti, tutte rientranti nell'ambito della presente invenzione. The invention thus conceived is susceptible of evident industrial application; it can also be subject to numerous modifications and variations, equivalent, all falling within the scope of the present invention.

Inoltre i materiali usati per fabbricare il dispositivo secondo il trovato, così come le forme e le dimensioni individuali delle parti componenti, possono essere scelti in modo tale da conseguire appropriatamente ogni specifico requisito del trovato medesimo senza per questo fuoriuscire dall'ambito della presente idea di soluzione. Furthermore, the materials used to manufacture the device according to the invention, as well as the individual shapes and dimensions of the component parts, can be chosen in such a way as to appropriately achieve each specific requirement of the same invention without thereby departing from the scope of the present idea of solution.

Una possibile miglioria del trovato è rinvenibile dalla osservazione delle stesse figure 4 e 5. Da queste si rileva che il trovato preferibilmente comprende, in corrispondenza di una o di entrambe le sezioni di ingresso 7 e di uscita 8 del rotore 2, una parete 13, conformata a disco circolare, la cui presenza - parzialmente o totalmente occlusiva delle sezioni di transito 7 e/o 8 del flusso eolico soprattutto uscente - è atta ad indurre nel flusso eolico transitante attraverso, e all’interno del rotore 2, una sovrappressione che aumenta l’efficienza fluidodinamica del rotore 2 medesimo, incrementando l’intensità e la durata della spinta che si esercita sulla palettatura 4. A possible improvement of the invention can be seen from the observation of the same figures 4 and 5. From these it can be seen that the invention preferably comprises, in correspondence with one or both of the inlet 7 and outlet 8 sections of the rotor 2, a wall 13, shaped as a circular disc, the presence of which - partially or totally occlusive of the transit sections 7 and / or 8 of the wind flow above all outgoing - is capable of inducing in the wind flow passing through, and inside the rotor 2, an overpressure which increases the fluid dynamic efficiency of the rotor 2 itself, increasing the intensity and duration of the thrust exerted on the blading 4.

Claims

CLAIMS 1. Device for capturing wind energy and converting it into electrical energy comprising a rotor (2) provided with a shaft (3) with axis line (6) and with a blade (4) carried by said shaft (3); said device (1) being characterized by the fact that said blading (4) comprises at least two blades (5) distributed in pitch around said shaft (3) and provided with helical profiles, twisted in the direction of axis (6) of said tree (3).

2. Device, according to claim 1, characterized in that said blading (4) comprises three said blades (5).

3. Device, according to claim 1 or 2, characterized in that said helical profiles have a substantially cylindrical envelope in the axis direction (6) of said shaft (3).

4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that said helical profiles have an envelope, at least in part, substantially conical in the axis direction (6) of said shaft (3).

5. Device according to any one of the preceding claims characterized in that said helical profiles have continuous development for the entire length of the axis (6) of said shaft (3).

6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said rotor (2) is provided with inlet (7) and outlet (8) sections which can be crossed by the wind flow passing through said rotor (2).

7. Device according to claim 6, characterized in that it comprises, in correspondence with at least one of said inlet (7) and outlet (8) sections of the rotor (2), a partially or totally occlusive wall (13) suitable to induce an overpressure in the passing wind flow which increases the thrust exerted by said flow on the blades (4).

8. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said blading (4) includes ribs (9) which project from said shaft (3) transversely to the axis of the rotor (2); which are distributed in the axis direction (6) of said shaft (3) and which are angularly displaced around the said axis direction (6); a surface (10) for guiding the wind flow being supported by said ribs (9).

9. Device according to claim 8, characterized in that said ribs (9) are integrated in the thickness of said guide surface (10).

10. Device according to claim 8, characterized in that said ribs (9) are external to said guide surface (10).

11. Device according to claim 6, characterized in that said ribs (9) are structurally interconnected to each other in correspondence with at least one of said inlet and outlet sections (7,8) of the rotor (2).

12. Device according to claim 1, characterized in that it comprises an electric generator (11) driven in rotation by said shaft (3).

13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a support (12) for supporting the rotor (2) with vertical orientation of its axis (6).

14. Device according to claim 13, characterized in that said support (12) includes an upright structure, at the top of which said rotor (2) is supported.

15. Device according to claim 14, characterized in that said upright structure is shaped like a lattice.