ITBO20100545A1 - Turbina eolica ad asse verticale - Google Patents

Description

Descrizione

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 apparecchiature, che sono in grado di sfruttare una fonte di energia cosiddetta rinnovabile, à ̈ 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 à ̈ 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 à ̈ costante, à ̈ necessario che l’organo propulsore sia in grado di ruotare integralmente attorno a un asse verticale, in modo da disporsi 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 à ̈ 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.

Un esempio di turbina eolica ad asse verticale à ̈ illustrato nella domanda di brevetto US 2007/0779028, che riguarda una apparecchiatura comprendente un albero rotore e una pluralità di pale ad esso collegate. Ciascuna pala presenta una porzione anteriore e una porzione posteriore fulcrate l’una all’altra in corrispondenza di un asse verticale di incernieramento. Più precisamente, durante il funzionamento la porzione posteriore à ̈ atta a ruotare 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.

Le turbine ad asse verticale note presentano tuttavia non pochi inconvenienti, principalmente connessi alla sicurezza in caso di forti venti o di anomalie di funzionamento. Attualmente le turbine di tipo noto dispongono di dispositivi di arresto di tipo elettronico, atti a comandare l’arresto della turbina in caso di emergenza. Tuttavia tali dispositivi non sono affidabili nel caso in cui lo stato di emergenza provochi l’interruzione dell’energia elettrica, necessaria per il loro funzionamento.

Presentazione dell’invenzione

Il compito della presente invenzione à ̈ quello di risolvere i problemi citati, escogitando una turbina eolica ad asse verticale che consenta un funzionamento affidabile in qualsiasi condizione.

Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di fornire una turbina eolica ad asse verticale di semplice concezione costruttiva e funzionale, dotata di funzionamento sicuramente affidabile, 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.

Secondo la presente invenzione, la turbina eolica oggetto dell’invenzione prevede un rotore ad asse verticale, comprendente una pluralità di pale, atte ad essere collegate a un organo generatore centrale mediante mezzi di supporto, nonché un dispositivo di frenatura meccanico, atto ad arrestare il moto rotazionale della turbina eolica in caso di emergenza. Il dispositivo di frenatura meccanico interviene autonomamente nel caso in cui la velocità aumenta oltre un valore massimo predeterminato di soglia oppure su comando esterno, garantendo in tale modo la completa affidabilità del sistema. Più precisamente à ̈ il superamento stesso del citato valore massimo predeterminato, cioà ̈ l’energia cinetica della stessa turbina che attiva il dispositivo di frenatura senza richiedere, per intervenire in tale evento di emergenza, fonti di energia esterne.

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 secondo l’invenzione, illustrata a titolo indicativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 mostra una vista in prospettiva della turbina eolica in oggetto;

la figura 2 mostra una vista in prospettiva di una porzione della turbina eolica secondo l’invenzione, parzialmente priva dell’involucro di protezione;

la figura 3 mostra una vista in prospettiva di un particolare del dispositivo di frenatura impiegato nella medesima turbina eolica;

la figura 4 mostra una vista in sezione secondo un piano mediano longitudinale del particolare illustrato in figura 3;

la figura 5 mostra una vista in sezione trasversale del particolare del dispositivo di frenatura secondo più piani trasversali paralleli;

la figura 6 mostra una vista posteriore parzialmente in sezione del medesimo particolare.

Forme di realizzazione dell’invenzione

Con particolare riferimento a tali figure, si à ̈ indicato nell’insieme con 1 la turbina eolica ad asse verticale secondo l’invenzione. La turbina eolica 1 comprende un organo generatore 2 atto a convertire un moto rotazionale in energia elettrica, e installato all’estremità di un’apposita struttura di sostegno 3, quale ad esempio un’asta di sostegno.

Preferibilmente l’organo generatore 2 à ̈ racchiuso in un involucro 2a avente foggia ad esempio ricurva, tale da presentare un’interferenza minima con il vento.

La turbina eolica à ̈ provvista di un gruppo rotore 4, connesso girevole all’organo generatore 2 e atto ad essere movimentato dal vento in modo da produrre un moto rotazionale attorno a un asse di rotazione verticale. Il gruppo rotore 4 comprende una pluralità di mezzi di supporto 5, ad esempio orizzontali, atti a essere connessi girevoli all’organo generatore 2 e a supportare una pluralità di pale 6.

Il gruppo rotore 4 à ̈ dunque dotato di una pluralità di pale 6 connesse alle estremità dei mezzi di supporto 5, e atte a ricevere la pressione del vento. Preferibilmente le pale 6 presentano un profilo alare biconvesso oppure pianoconvesso, e presentano una curvatura a elica, cioà ̈ siano “svergolati†, in maniera tale da presentare la minima resistenza aerodinamica (si veda figura 1).

Nell’esempio illustrato, le pale 6 sono in numero di tre, ma à ̈ possibile prevedere un numero qualsiasi di pale 6 a seconda delle esigenze.

Il fissaggio dei mezzi di supporto 5 delle pale 6 all’organo rotore 4 avviene ad esempio mediante flange di attacco 7 distribuite radialmente attorno all’asse di rotazione della turbina 1 in corrispondenza di una campana 9 porta pale.

La turbina eolica 1 comprende altresì un dispositivo di frenatura 10 di tipo meccanico fissato alla struttura di sostegno e attivabile meccanicamente mediante elementi di attivazione 11 solidali alle parti rotanti della turbina 1, ad esempio alla campana 9. Più precisamente la campana 9 reca perifericamente una pluralità di masse di attivazione 11 distribuite angolarmente e interposte alle flange di attacco 7. Le masse di attivazione 11 sono fulcrate alla suddetta campana 9 secondo rispettivi assi paralleli all’asse di rotazione della turbina 1, e dunque sono soggette a una oscillazione di apertura per effetto della forza centrifuga generata dalla rotazione dell’organo rotore 4. Tale rotazione à ̈ contrastata da mezzi elastici a molla 12, in modo tale che a turbina ferma le masse di attivazione 11 si presentano in posizione chiusa sulla periferia della campana 9, mentre quando la turbina 1 à ̈ in funzione le masse di attivazione 11 tendono ad aprirsi verso l’esterno, giungendo fino ad una configurazione di massima apertura a un valore massimo predeterminato della velocità angolare dell’organo rotore 4, per il quale il dispositivo di frenatura 10 viene attivato automaticamente per l’arresto della turbina 1, come meglio descritto in seguito. Il dispositivo di frenatura 10 comprende altresì un disco di frenatura 13 recato solidale e disposto coassiale alla campana 9, e un gruppo di azionamento 14 atto ad agire sul disco di frenatura 13 per operare l’arresto dell’organo generatore 2 in modo controllato oppure quando à ̈ raggiunto il citato valore massimo predeterminato di velocità angolare.

Il gruppo di azionamento 14 comprende infatti un corpo di frenatura 15 solidale alla struttura di sostegno 3, conformante una apertura trasversale 8 atta a ricevere con gioco una porzione periferica del disco di frenatura 13. Nel corpo di frenatura 15 à ̈ prevista una prima camera 16 per l’alloggiamento di un cassetto mobile 17 atto ad agire su un lato del disco di frenatura 13, ad esempio sul lato inferiore. In particolare, il cassetto mobile 17 reca una pastiglia 18 in moto alternativo tra una posizione inattiva, in cui la pastiglia 18 à ̈ discosta e non interferisce con il moto del disco di frenatura 13 intercettato dal corpo di frenatura 15, e una posizione attiva, in cui la pastiglia 18 à ̈ compressa con forza contro la suddetta porzione, producendone l’arresto per attrito.

La prima camera 16 serve a contenere un liquido atto ad esercitare sul cassetto mobile 17 la spinta necessaria per la frenatura del disco 13.

Il corpo di frenatura 15 comprende altresì una seconda camera 19 in comunicazione con la prima camera 16, all’interno della quale à ̈ disposto scorrevole un pistone 20. In particolare in tale seconda camera 19 à ̈ definito un meato per il suddetto liquido, tra la superficie esterna del pistone 20 mobile, la parete interna di una appendice cava 21 conformata dal corpo di frenatura 15, e organi di tenuta 22 di tipo noto posti anteriormente e posteriormente. Il citato liquido di spinta à ̈ atto a occupare sia la prima camera 16 che il meato della seconda camera 19. Nella forma di realizzazione illustrata l’appendice cava 21, la prima camera 16 e la seconda camera 19 hanno conformazione sostanzialmente cilindrica. Inoltre la seconda camera 19 si sviluppa in modo sostanzialmente perpendicolare all’asse della prima camera 16 (fig. 3-5). Tuttavia, differenti conformazioni possono essere ugualmente possibili.

Il pistone 20 à ̈ portato scorrevolmente all’interno dell’appendice cava 21 su contrasto di mezzi elastici a molla 23, alternativamente tra una posizione arretrata, in cui il meato della seconda camera 19 presenta il volume massimo per ricevere il liquido di spinta e di conseguenza la prima camera 16 presenta il volume minimo, e una posizione avanzata, in cui la seconda camera 19 ha volume minimo e viceversa la prima camera 16 ha volume massimo. Tra una posizione e l’altra il liquido esercita corrispondenti spinte sul corpo mobile 17 recante la pastiglia 18 per la corrispondente attivazione o disattivazione della frenatura dell’organo rotore 4.

Il gruppo di azionamento 14 comprende altresì una leva di aggancio 24 atta ad azionare il pistone 20. La leva di aggancio 24 à ̈ inserita posteriormente al pistone 20 all’interno di un manicotto di azionamento 25, a sua volta inserito scorrevole assialmente nell’appendice cava 21. La leva di aggancio 24 à ̈ incernierata a un’estremità del manicotto di azionamento 25 contrapposta al pistone 20, su un perno di estremità 26. All’estremità libera la leva di aggancio 24 reca un gancio 27 sagomato atto a intercettare opportunamente una corrispondente sede di aggancio 28 opportunamente sagomata, ricavata posteriormente al pistone 20. La leva di aggancio 24 à ̈ mobile tra una posizione di disimpegno, in cui il gancio 28 à ̈ sganciato dalla sede di aggancio 28 lasciando libero il pistone 20 all’azione di richiamo della molla 23, e una posizione di impegno ruotata in cui il gancio 28 impegna la sede di aggancio 28 e trattiene il pistone 20 in posizione arretrata nell’appendice cava 21.

Il gruppo di azionamento 14 reca altresì un grilletto di comando 29 incernierato esternamente all’appendice cava 21 in corrispondenza di un perno trasversale 30. Il grilletto di comando 29 conforma un braccio operativo 31 atto ad essere intercettato e ruotato attorno al perno trasversale 30 dalla massa di attivazione 11 fino alla rispettiva posizione di massima apertura, per operare il disimpegno a scatto della leva di aggancio 24 dal pistone 20, e un braccio di contrasto 32 sul quale sono atti ad agire mezzi di contrasto a molla 33. In particolare le masse di attivazione 11 sono conformate e disposte in modo tale da produrre in virtù della sola forza centrifuga la rotazione di apertura necessaria a intercettare e ruotare in misura opportuna la leva operativa 29 quando l’organo rotore 4 supera il citato valore massimo predeterminato di velocità rotazionale.

All’interno dell’appendice cava 21, il perno trasversale 30 à ̈ montato solidale a un distanziale 34 che reca eccentricamente una spina 35. La spina 35 à ̈ a sua volta inserita in un’asola di guida 36 longitudinale ricavata nella leva di aggancio 24 in modo da consentirne lo spostamento corrispondente al disimpegno del pistone 20, in seguito alla rotazione del grilletto 29 attorno all’asse del perno trasversale 30.

Il gruppo di azionamento 14 comprende altresì mezzi ausiliari di azionamento 37 per la frenatura dell’organo rotore 4 nel caso in cui il citato valore massimo di velocità rotazionale non sia raggiunto, ma sia comunque richiesto di arrestare la turbina 1.

I mezzi ausiliari di azionamento 37 del dispositivo di frenatura 10 comprendono un organo motoriduttore 38 e un ingranaggio di trasmissione 39 costituito preferibilmente da un pignone azionato dal motoriduttore 38 e da una cremagliera associata a una porzione del manicotto di azionamento 25, per operare lo spostamento assiale del pistone 20 senza l’intervento attivo del grilletto di comando 29. Il motoriduttore 38 à ̈ alimentato attraverso mezzi di connessione 40 da mezzi di alimentazione elettrica.

Il funzionamento della turbina eolica ad asse verticale secondo la presente invenzione risulta facilmente comprensibile dalla descrizione che precede.

Quando la turbina eolica 1 à ̈ in funzione, l’organo rotore 4 ruota attorno all’asse verticale della struttura di sostegno 3 e mediante l’organo generatore 2 viene prodotta energia elettrica, trasformando l’energia cinetica rotazionale trasferita dal vento alle pale 6. In tale condizione il pistone 20 à ̈ in posizione arretrata, con il gancio 27 della leva di aggancio 24 in posizione di impegno sulla sede di aggancio 28, in modo da trattenere il pistone 20 in tale posizione.

Nel caso in cui la velocità rotazionale dell’organo generatore 2 superi il valore massimo predeterminato, il dispositivo di frenatura 10 interviene automaticamente per effetto della sola forza centrifuga agente sulle masse di attivazione 11. Infatti le masse 11 portate in rotazione si aprono gradualmente fino a quando una di esse urta contro il grilletto di comando 29 operandone la rotazione attorno al perno trasversale 30. A seguito di tale rotazione, anche la spina 35 ruota rispetto al perno 26, disimpegnando il gancio 27 dalla sede di aggancio 28 del pistone 20. Per effetto dell’azione di contrasto operata dai mezzi a molla 23 il pistone 20 avanza assialmente, producendo contestualmente lo spostamento del liquido di spinta dal meato della seconda camera 19 alla prima camera 16. Tale spostamento provoca l’innalzamento del cassetto mobile 17 e dunque la compressione della pastiglia 18 contro il disco di frenatura 13 solidale alla rotazione dell’organo rotore 4. Di conseguenza, la turbina 1 viene arrestata per attrito.

Quando invece à ̈ richiesto l’arresto della turbina per ragioni diverse dal raggiungimento della velocità rotazionale massima predeterminata, la centralina di comando della turbina 1 invia un segnale di attivazione al motoriduttore 38. L’ingranaggio di trasmissione 39 viene quindi azionato producendo l’avanzamento del manicotto di comando 25 e quindi il disimpegno della sede di aggancio 28. Il pistone scatta in avanti 20 come nel caso precedente, producendo la spinta della pastiglia 18 contro il disco di frenatura 13 e di conseguenza l’arresto della turbina 1.

Sia in un caso che nell’altro, per riarmare il dispositivo di frenatura 10 la centralina di comando aziona il motoriduttore 38, operando l’avanzamento del manicotto di comando 25 fino a quando la leva di aggancio 24 accede alla sede di aggancio 28 del pistone 20. Successivamente viene comandato l’azionamento inverso del motoriduttore 38, in modo da operare l’arretramento del manicotto di comando 25 fino a una posizione arretrata di finecorsa. Nel caso illustrato tale posizione di finecorsa à ̈ indicata dal riscontro di una boccola di guida 41 dei mezzi a molla 23 contro l’appendice cava 21 del corpo di frenatura 15. Il riarmo del dispositivo di frenatura 10 può essere impostato automaticamente dopo un intervallo di tempo prefissato dall’attivazione del pistone 20.

La turbina eolica in oggetto raggiunge lo scopo di consentire un funzionamento affidabile in qualsiasi condizione. Tale risultato à ̈ ottenuto in particolare grazie all'idea inventiva di dotare la turbina del dispositivo di frenatura 10 ad attivazione automatica al raggiungimento della velocità rotazionale considerata limite. Infatti i mezzi di attivazione 11 sono attivati in modo sicuro in virtù della sola azione centrifuga generata dal moto rotazionale dell’organo rotore 4. In altre parole non sono richieste fonti di alimentazione esterne per attivare il dispositivo 10 a garanzia della totale affidabilità del sistema di frenatura. In particolare, anche nel caso in cui la corrente elettrica sia interrotta accidentalmente, il dispositivo di frenatura 10 viene attivato in modo sicuro secondo i parametri di velocità limite impostati.

Una prerogativa dell’invenzione à ̈ data dal fatto che il dispositivo 10 può intervenire in qualsiasi condizione di funzionamento, indipendentemente dalla velocità rotazionale della turbina 1, grazie alla presenza dei mezzi di azionamento ausiliari 37. Il motoriduttore 38 infatti può essere attivato in modo opportuno in qualsiasi momento per produrre l’attivazione del pistone 20 e dunque la spinta della pastiglia 18 contro il disco di frenatura 13.

E’ particolarmente efficiente la forma di realizzazione dell’invenzione in cui il dispositivo di frenatura 10 agisce direttamente sulla campana 9 recante le pale 6, a monte del riduttore epicicloidale e dell’organo generatore 2 della turbina 1. In tale caso, infatti, l’intervento del dispositivo 10 à ̈ più diretto e immediata la conseguente frenatura operata sul disco 13.

Infine un ulteriore aspetto vantaggioso dell’invenzione à ̈ dato dal fatto che il dispositivo di frenatura 10 può essere riarmato in modo agevole e rapido, anche impostando nella centralina di comando della turbina 1, un intervallo di tempo prefissato per il riarmo a partire dall’attivazione del pistone 20.

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 (7)

1. Rivendicazioni 1) Turbina eolica ad asse verticale, comprendente un organo generatore (2) disposto alla sommità di una struttura di sostegno (3) e atto a convertire un moto rotazionale in energia elettrica; un gruppo rotore (4) con asse di rotazione verticale, connesso a detto organo generatore (2), caratterizzata dal fatto che comprende un dispositivo di frenatura (10) meccanico atto ad arrestare automaticamente detto moto rotazionale di detto gruppo rotore (4) al superamento di un predeterminato valore massimo di velocità rotazionale.
2. 2) Turbina eolica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto dispositivo di frenatura (10) comprende un gruppo di azionamento (14) fisso a detta struttura di sostegno (3) e almeno una massa di attivazione (11) recata da detto organo rotore (4) in modo mobile e atta ad attivare detto gruppo di azionamento (14) per effetto della forza centrifuga agente su detta massa di attivazione (11) stessa.
3. 3) Turbina eolica secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto dispositivo di frenatura (10) comprende un disco di frenatura (13) solidale a detto organo rotore (4) e detto gruppo di azionamento (14) comprende una pastiglia frenante (18) atta ad essere spinta contro detto disco di frenatura (13) su attivazione di detta massa di attivazione (11).
4. 4) Turbina eolica secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto gruppo di azionamento (14) comprende una prima camera (16) e una seconda camera (19) disposte in comunicazione e atte a contenere un liquido per la spinta di detta pastiglia (18) contro detto disco di frenatura (13), un pistone (20) mobile all’interno di detto gruppo di azionamento (14) per spingere detto liquido tra detta prima camera (16) e detta seconda camera (19), un grilletto di comando (29) mobile su attivazione di detta massa di attivazione (11) tra una posizione di impegno di detto pistone (20), in corrispondenza della quale detto pistone (20) à ̈ trattenuto in una posizione arretrata inattiva, e una posizione di disimpegno di detto pistone (20), in corrispondenza della quale detto pistone (20) à ̈ rilasciato a scatto per operare la spinta di detto liquido contro detta pastiglia (18) e la frenatura di detto disco di frenatura (13).
5. 5) Turbina eolica secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detto gruppo di azionamento (14) comprende una leva di aggancio (24) connessa in modo mobile a detto grilletto di comando (29) per operare detto impegno e detto disimpegno di detto pistone (20).
6. 6) Turbina eolica secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detto gruppo di azionamento (14) comprende ulteriormente mezzi di azionamento ausiliari (38) atti a operare su detta leva di aggancio (24) per l’azionamento elettrico di detto pistone (20).
7. 7) Turbina eolica secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di azionamento ausiliari (37) comprendono un motoriduttore (38) elettrico e un ingranaggio di trasmissione (39) per l’azionamento di detta leva di aggancio (24) atta a impegnare e disimpegnare opportunamente detto pistone (20).