ITBO20080657A1

ITBO20080657A1 - Turbina eolica ad asse verticale

Info

Publication number: ITBO20080657A1
Application number: IT000657A
Authority: IT
Inventors: Ernesto Benini
Original assignee: Linz Electric S R L
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-04-28

Description

TURBINA EOLICA AD ASSE VERTICALE

Campo tecnico

La presente invenzione ha per oggetto una turbina eolica ad asse verticale.

Arte nota

Sono note turbine eoliche atte a convertire l’energia cinetica del vento in altre forme di energia, ad esempio in energia elettrica. L’interesse per tali tipi di apparecchaiture, che sono in grado di sfruttare una fonte di energia cosiddetta rinnovabile, è cresciuto in modo considerevole negli ultimi decenni, in ragione del continuo aumento del fabbisogno energetico mondiale e la conseguente preoccupazione per l’esaurimento delle fonti energetiche non rinnovabili più diffusamente impiegate, quali principalmente quelle rappresentate dai combustibili fossili.

Più precisamente, in una turbina eolica l’energia cinetica del vento è convertita in energia rotazionale utilizzata per azionare in rotazione un rotore di una macchina elettrica, per generare in tal modo energia elettrica. Le turbine eoliche note si distinguono nelle due tipologie principali ad asse orizzontale e ad asse verticale. Le turbine eoliche ad asse orizzontale comprendono usualmente un organo propulsore a elica montato su una struttura di supporto e atto a ruotare attorno a un asse orizzontale connesso alla macchina elettrica mediante mezzi di trasmissione. Dato che la direzione del vento non ha una direzione costante, è necessario che l’organo propulsore sia in grado di ruotare integralmente attorno a un asse verticale, in modo da predisporsi nella direzione ottimale per operare la conversione energetica. Il continuo adattamento alla direzione del vento comporta pertanto una notevole usura dei mezzi di supporto volvente dell’organo propulsore ed espone le strutture di supporto a problemi di stabilità non trascurabili. Oltre a ciò occorre rilevare che le turbine eoliche ad asse orizzontale risultano molto rumorose e richiedono la collocazione in siti molto ventosi. Per questo motivo esse vengono generalmente installate in posizioni distanti dai centri abitati e rendono necessarie onerose installazioni ausiliarie per il trasporto dell’energia elettrica prodotta.

Le turbine ad asse verticale presentano una pluralità di pale disposte in modo sostanzialmente verticale attorno a un asse verticale che coincide con l’asse di rotazione del rotore di una macchina elettrica oppure è connesso ad esso mediante l’interposizione di idonei mezzi di trasmissione. Rispetto alle turbine eoliche ad asse orizzontale, le turbine ad asse verticale presentano innanzitutto il vantaggio di funzionare efficacemente per qualsiasi direzione del vento. Di conseguenza esse non richiedono alcun adattamento nell’orientamento delle pale rispetto alla corrente ventosa. Inoltre le turbine eoliche ad asse verticale sono in grado di fornire quantità modeste di potenza e quindi risultano particolarmente adatte nei casi in cui l’energia elettrica viene prodotta e fornita direttamente in loco.

Una delle prime turbine eoliche di questo tipo è illustrata dal brevetto US 1,835,018 a nome Darrieus, relativo a una turbina ad verticale dotata di una pluralità di pale di forma sostanzialmente semicircolare. Le estremità di ciascuna pala sono rigidamente vincolate a rispettive porzioni distanziate longitudinalmente di un albero rotore ad asse verticale atto a ruotare per effetto dell’interazione tra le pale e la corrente ventosa. La turbina illustrata presenta una notevole semplicità costruttiva rispetto alle turbine ad asse orizzontale e una discreta efficienza, ma comporta alcuni inconvenienti di importanza non secondaria. Infatti tale tipo di turbina, come altre turbine note ad asse verticale, presenta un’inerzia considerevole, che ne rende difficoltoso l’utilizzo quando la corrente ventosa ha velocità bassa. In tali casi è dunque necessario predisporre un gruppo di alimentazione ausiliario, usualmente un motore elettrico, per avviare il moto di rotazione della turbina.

Un ulteriore esempio di turbina eolica ad asse verticale è illustrato dalla domanda di brevetto US 2008/0213083, che riguarda una apparecchiatura comprendente un albero rotore e una pluralità di pale ad esso vincolate. Ciascuna pala presenta una porzione anteriore e una porzione posteriore fulcrate l’una all’altra in corrispondenza di un asse longitudinale di incernieramento. Più precisamente, durante il funzionamento la porzione posteriore è atta a ruotare alternativamente rispetto alla porzione anteriore, tra una posizione aperta e una posizione chiusa, per ottimizzare il moto di rotazione attorno all’albero rotore a seconda della velocità del vento.

Il brevetto US 5,405,246 illustra ancora una turbina eolica ad asse verticale comprendente due o più pale allungate vincolate a un rotore a torre. La torre definisce un asse vertiale di rotazione ed è connessa preferibilmente mediante l’interposizione di un gruppo di trasmissione o di altri mezzi di conversione della coppia fornita, all’albero di un generatore elettrico. Ciascuna pala è svergolata in modo tale che la porzione di attacco inferiore risulta spostata angolarmente rispetto alla rispettiva prozione terminale superiore. La distanza radiale di ciascuna pala dall’asse di rotazione varia preferibilmente dalla porzione terminale inferiore alla porzione terminale superiore, in modo tale da assumere una configurazione cosiddetta “troposkein”, definita dalla forma di una corda vincolata alle rispettive estremità e ruotata rispetto a un asse passante attraverso le estremità stesse.

Le turbine ad asse verticale note presentano tuttavia non pochi inconvenienti, fra i quali in particolare l’elevata rumorosità manifestata durante il funzionamento. Tale aspetto ne pregiudica fortemente l’installazione proprio nelle aree urbane, in cui per contro tali turbine troverebbero l’impiego più vantaggioso, data la possibilità di sfruttamento dell’energia prodotta immediatamente a valle della turbina.

Inoltre per consentire rendimenti soddisfacenti rispetto alle esigenze di utilizzo, le turbine ad asse verticale di tipo noto richiedono generalmente l’installazione di motori ausiliari di avviamento e fanno ricorso a soluzioni costruttive piuttosto complesse e pertanto costose.

Presentazione dell’invenzione

Il compito della presente invenzione è quello di risolvere i problemi citati, escogitando una turbina eolica ad asse verticale di impiego efficace e affidabile in ogni condizione, in particolare alle basse velocità della corrente ventosa.

Nell’ambito di tale compito, è ulteriore scopo della presente invenzione quello di fornire una turbina eolica ad asse verticale che minimizzi le emissioni sonore. Un altro scopo della presente invenzione è fornire una turbina eolica ad asse verticale dotata di un rendimento ottimale.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire una turbina eolica ad asse verticale di semplice e compatta costruzione, di impiego versatile, nonché di costo relativamente economico.

Gli scopi citati vengono raggiunti, secondo la presente invenzione, dalla turbina eolica ad asse verticale secondo la rivendicazione 1.

Breve descrizione dei disegni

I particolari dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita della turbina eolica ad asse verticale, illustrata a titolo indicativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 mostra una vista in prospettiva assonometrica di una turbina eolica secondo l’invenzione;

la figura 2 mostra una vista frontale della turbina eolica in oggetto;

le figure 3 e 4 mostrano viste in sezione della medesima turbina secondo i piani rispettivamente di traccia III e IV in figura 2;

la figura 5 mostra una vista in pianta della medesima turbina;

la figura 6 mostra una vista assonometrica di una differente forma di realizzazione della turbina eolica secondo l’invenzione;

la figura 7 mostra una vista frontale di una pala di una turbina eolica secondo l’invenzione;

le figure 8a, 8b, 8c mostrano rispettive viste in sezione secondo il piano di traccia VIII in figura 7 secondo differenti forme di realizzazione dell’invenzione;

le figure 9, 10, 11 mostrano rispettive viste assonometriche di differenti forme di realizzazione di turbine eoliche secondo l’invenzione.

Forme di realizzazione dell’invenzione

Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato nell’insieme con 1 la turbina eolica ad asse verticale secondo l’invenzione. La turbina eolica 1 comprende un gruppo rotore 2 atto ad essere disposto con asse di rotazione A verticale alla sommità di mezzi di supporto 3 e ad essere connesso mediante mezzi di attacco 4 a un organo generatore 5 posto alla sommità degli stessi mezzi di supporto 3. Più precisamente il gruppo rotore 2 comprende almeno una coppia di pale 6 disposte in modo assialsimmetrico rispetto al suddetto asse di rotazione A coincidente con l’asse longitudinale di sviluppo dei mezzi di supporto 3. Nel caso illustrato le pale 6 sono tre (si veda fig. 1), ma possono ovviamente essere in numero diverso, a seconda delle esigenze. Le pale 6 sono preferibilmente disposte in modo equamente distanziato attorno al suddetto asse di rotazione A, che in uso è collocato verticalmente.

I mezzi di attacco 4 che connettono in modo amovibile le pale 6 all’organo generatore 5 sono preferibilmente costituiti da organi tiranti a foggia di staffe. Gli organi tiranti 4 possono essere costituiti da elementi tubolari o profilati a sezione chiusa, rettangolare, ellittica, circolare, a profilo aerodinamico oppure a sezione aperta, ad esempio a L, C, T. Per ciascuna pala 6 possono essere previsti uno o più organi tiranti 4 opportunamente incernierati alla superficie interna delle pale 6 stesse in corrispondenza di una porzione centrale o di una porzione prossima alle estremità (si veda ancora fig. 1) e vincolati all’estremità opposta all’organo generatore 5. I punti di incernieramento 10 degli organi tiranti 4 alle pale 6 hanno la caratteristica particolare di giacere su una medesima superficie ovoidale 7 definita geometricamente da una prima porzione 7a semisferica e da una seconda porzione 7b a sezione longitudinale semiellittica, raccordate in corrispondenza di una circonferenza C comune alle due citate porzioni 7a, 7b, in modo tale che nella detta circonferenza C la tangente alla superficie ovoidale 7 sia disposta parallelamente all’asse di rotazione A della turbina 1. Di conseguenza le pale 6 sono conformate in modo tale da risultare distese su tale superficie ovoidale 7, preferibilmente secondo una disposizione svergolata. Tale svergolatura si riferisce più precisamente al fatto che le contrapposte estremità di ciascuna pala 6 sono preferibilmente distanziate angolarmente su piani ortogonali all’asse di rotazione A della turbina 1, in un intervallo angolare compreso tra 0 e 180°. In caso di sve rgolatura, le pale 6 hanno pertanto uno sviluppo sostanzialmente elicoidale. Ad esempio in fig. 6 è illustrata una differente forma di realizzazione in cui le pale 6 sono svergolate di un angolo pari a 180°.

Ciascuna pala 6 ha preferibilmente profilo aerodinamico. In pratica le pale 6 presentano pertanto una sezione trasversale 8 a forma di goccia, cosiddetta alare. La conformazione del profilo o sezione alare 8 può essere ad esempio del tipo noto con la denominazione NACA, oppure può essere di foggia progettata a seconda delle esigenze. La sezione 8 presenta una linea longitudinale media 9 di estensione sostanzialmente costante lungo lo sviluppo della pala 6 (si veda fig. 9) oppure, in alternativa, variabile. In quest’ultimo caso, è ad esempio possibile prevedere che la linea media 9 sia maggiore in corrispondenza di una porzione centrale della pala 6 e minore in corrispondenza delle porzioni di estremità (si veda fig.1). Inoltre è possibile prevedere che la sezione alare 8 sia simmetrica oppure asimmetrica, ad andamento rettilineo, come è visibile in figura 8a, oppure curvo, con concavità rivolta verso l’asse di rotazione A oppure verso l’esterno della turbina 1, come visibile rispettivamente in fig. 8b e fig. 8c. Nel caso di linea media 9 curva, è possibile prevedere che essa abbia un andamento ad esempio circolare, parabolico o ellittico.

Come visibile dalle sezioni di fig.3 e fig.4, per ciascun piano ortogonale all’asse di rotazione A della turbina 1, le sezioni 8 alari sono distese su una corrispondente circonferenza ortogonale al medesimo asse e appartenente alla superficie ovoidale 7 definita in precedenza.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione della turbina 1, le pale 6 possono altresì conformare delle appendici 11 aerodinamiche atte a ridurre le perdite vorticose alle estremità. Le appendici 11 possono essere ad esempio a foggia di aletta, rivolte verso l’asse di rotazione A (si veda fig. 10), oppure all’esterno (si veda fig.11).

L’organo generatore 5 della turbina 1, che usualmente è del tipo a magneti permanenti, è disposto centralmente rispetto alla superficie ovoidale 7. L’organo generatore 5 è contenuto all’interno di un involucro di copertura 12 preferibilmente a forma ovoidale, di dimensioni ridotte rispetto alla superficie ovoidale 7. L’involucro 12 può comprendere una pluralità di cavità distribuite 13 atte a facilitare lo smaltimento del calore sviluppato dall’organo generatore 5. È altresì possibile prevedere che le pale 6 siano distese su due o più superficie 7 parallele di forma ovoidale, sviluppate in maniera concentrica intorno all’organo generatore 5.

Il funzionamento della turbina eolica ad asse verticale secondo l’invenzione è il seguente.

Una volta installata la turbina 1 in un idoneo sito, se il gruppo rotore 2 è investito da una corrente ventosa anche a bassa velocità, ha luogo una interazione dinamica tra la corrente ventosa e le pale 6. Più precisamente, la corrente investe frontalmente una prima pala 6, attraversa il gruppo rotore 2 ed esce dalla parte opposta in corrispondenza di una seconda pala 6. Da tale interazione si sviluppa sulla prima pala 6 e sulla seconda pala 6 una componente di spinta ortogonale all’asse di rotazione A, che è in grado di avviare la turbina e di sostenerne utilmente la rotazione. L’organo generatore 5 produce quindi in uscita energia elettrica utilizzabile.

La turbina eolica secondo l’invenzione raggiunge pertanto lo scopo di funzionare in modo efficace e affidabile in ogni condizione, in particolare alle basse velocità della corrente ventosa. Tale risultato è dovuto sostanzialmente alla particolare conformazione del gruppo rotore 2 avvolto sulla superficie ovoidale 7. Tale conformazione, oltre che di costruzione assai semplice e compatta, riduce notevolmente l’inerzia del gruppo rotore 2, consentendo alla turbina 1 di avviarsi autonomamente in ogni condizione di utilizzo. Non è dunque necessario dotare la turbina 1 di apparecchiature motrici ausiliarie.

Tale conformazione determina al contempo un aumento del rendimento della turbina 1, aumentando la potenza meccanica estratta in rapporto alla potenza ottenibile dalla corrente ventosa.

Un importante vantaggio della turbina eolica secondo l’invenzione risiede nella ridotta rumorosità, anch’essa dovuta principalmente alla conformazione della superficie ovoidale 7 sulla quale sono distese le pale 6, ma anche alla foggia aerodinamica delle stesse. Tale aspetto vantaggioso consente l’installazione anche nei siti in cui le normative vigenti impongono limiti assai restrittivi alle emissioni sonore, in particolare nei centri urbani.

È inoltre da rilevare che la turbina secondo l’invenzione risulta di semplice costruzione e, pertanto anche economica rispetto alle più complesse soluzioni tecniche note.

Nella pratica attuazione dell’invenzione, i materiali impiegati, nonché la forma e le dimensioni, possono essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

Laddove le caratteristiche tecniche menzionate in ogni rivendicazione siano seguite da segni di riferimento, tali segni di riferimento sono stati inclusi al solo scopo di aumentare la comprensione delle rivendicazioni e di conseguenza essi non hanno alcun valore limitativo sullo scopo di ogni elemento identificato a titolo d’esempio da tali segni di riferimento.

Claims

Rivendicazioni 1) Turbina eolica ad asse verticale comprendente un organo generatore (5) disposto alla sommità di mezzi di supporto (3) e atto a convertire un moto rotazionale in energia elettrica; e un gruppo rotore (2) disposto con asse di rotazione (A) verticale in corrispondenza di detto organo generatore (5), caratterizzata dal fatto che detto gruppo rotore (2) comprende una pluralità di pale (6) vincolate mediante mezzi di attacco (4) a detto organo generatore (5) e distese su una superficie (7) di forma ovoidale sviluppata intorno a detto organo generatore (5).
2) Turbina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta superficie (7) di forma ovoidale è definita da una prima porzione (7a) semisferica e da una seconda porzione (7b) a sezione assiale semiellittica avente asse maggiore coincidente con detto asse di rotazione (A), dette prima e seconda porzione (7a, 7b) essendo raccordate e tangenti in corrispondenza di una circonferenza (C) disposta ortogonalmente a detto asse di rotazione (A).
3) Turbina secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che dette pale (6) hanno le opposte estremità distanziate angolarmente su piani ortogonali al detto asse di rotazione (A) della turbina 1, in maniera da risultare svergolate con sviluppo sostanzialmente elicoidale.
4) Turbina secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che dette opposte estremità delle pale (6) sono distanziate angolarmente in un intervallo compreso tra 0 e 180°.
5) Turbina secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che dette pale (6) presentano sezione traversale (8) a profilo alare.
6) Turbina secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detta sezione (8) alare è asimmetrica ad asse ricurvo.
7) Turbina secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detta sezione (8) alare è simmetrica ad asse rettilineo.
8) Turbina secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che dette pale (6) conformano alle estremità appendici (11) aerodinamiche atte a ridurre le perdite vorticose.
9) Turbina secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detto organo generatore (5) presenta un involucro di copertura (12) di forma ovoidale.
10) Turbina secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette pale (6) sono distese su superficie (7) parallele di forma ovoidale, sviluppate in maniera concentrica intorno a detto organo generatore (5).