ITBZ20110029A1 - WIND POWER PLANT WITH WIND CONVERTERS. - Google Patents

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ITBZ20110029A1
ITBZ20110029A1 IT000029A ITBZ20110029A ITBZ20110029A1 IT BZ20110029 A1 ITBZ20110029 A1 IT BZ20110029A1 IT 000029 A IT000029 A IT 000029A IT BZ20110029 A ITBZ20110029 A IT BZ20110029A IT BZ20110029 A1 ITBZ20110029 A1 IT BZ20110029A1
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Hans Guenter Czaolun
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Czaloun Hans Guenter
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Description

Titolo: Impianto a energia eolica con convertitori eolici Title: Wind power plant with wind converters

La presente invenzione riguarda un impianto a energia eolica in cui una pluralità di convertitori eolici vengono portati da funi portanti che a loro volta risiedono su sostegni. The present invention relates to a wind power plant in which a plurality of wind converters are carried by load-bearing ropes which in turn reside on supports.

La caratteristica comune in impianti a energia eolica attualmente noti à ̈ il sostegno singolo, alla cui sommità si trova rispettivamente un convertitore eolico che à ̈ costituito sostanzialmente da una girante eolica e da un generatore collegato con essa attraverso diversi elementi di trasmissione. Sostegni singoli dal punto di vista statico sono supporti unilateralmente incastrati che vengono sollecitati da forze eoliche forti, agenti in corrispondenza dell'estremità superiore, con un momento flettente crescente dall'alto verso il basso. Il massimo del momento flettente si verifica in corrispondenza del punto di incastro nella fondazione sul terreno. Conciò concetti tradizionali richiedono costruzioni molto massicce e corrispondentemente costose sia relativamente al fusto del sostegno sia anche alle fondazioni appartenenti. The common feature in currently known wind power plants is the single support, at the top of which there is respectively a wind converter which basically consists of a wind impeller and a generator connected to it through different transmission elements. From the static point of view, single supports are unilaterally interlocked supports that are stressed by strong wind forces, acting at the upper end, with a bending moment increasing from top to bottom. The maximum bending moment occurs at the point of engagement in the foundation on the ground. Conciò traditional concepts require very massive and correspondingly expensive constructions both in relation to the shaft of the support and also to the foundations belonging to it.

Nel caso di sostegni singoli à ̈ anche difficilmente possibile configurare più favorevole la statica con funi tiranti, in quanto queste entrerebbero in collisione con la girante eolica. In the case of single supports, it is also difficult to configure the static with tie ropes more favorable, as these would collide with the wind turbine.

La presente invenzione si prefigge lo scopo, di non porre come usualmente ogni convertitore eolico su un sostegno apposito, ma di montare una pluralità di essi su funi portanti che risiedono su pochi sostegni ampiamente fra loro distanziati. Così si ottiene, a seconda delle condizioni locali, che il numero dei sostegni comporta a titolo di esempio soltanto un quarto del numero dei convertitori eolici. The purpose of the present invention is not to place, as usual, each wind converter on a suitable support, but to mount a plurality of them on load-bearing ropes which reside on a few widely spaced supports. In this way, according to local conditions, it is obtained that the number of pylons implies by way of example only a quarter of the number of wind converters.

Inoltre i convertitori eolici possono essere disposti in modo che le funi tiranti non possono entrare in collisione con la girante eolica. Nel concetto secondo l'invenzione possono essere impiegati sostegni ancorati che permettono rispetto a sostegni singoli liberamente disposti risparmi nel dimensionamento del fuso del sostegno e della fondazione. Furthermore, the wind converters can be arranged so that the tie ropes cannot collide with the wind turbine. In the concept according to the invention, anchored supports can be used which allow savings in the dimensioning of the spindle of the support and of the foundation compared to freely arranged single supports.

Fondamentalmente possono trovare impiego tutti i tipi costruttivi usuali per la vera e propria girante eolica. Preferibilmente nel concetto secondo l'invenzione sono però adatte giranti eoliche con assi verticali, quindi per esempi tali che funzionano secondo il principio di Darrieus. Con un certo onere supplementare di questo tipo qui però possono essere impiegate anche giranti eoliche prevalentemente impiegate con assi orizzontali. Basically, all the usual types of construction can be used for the actual wind turbine. Preferably in the concept according to the invention, however, wind impellers with vertical axes are suitable, therefore for examples such as operating according to the Darrieus principle. With a certain additional cost of this type, however, wind turbines mainly used with horizontal axes can also be used here.

Sistemi portanti con funi sono sensati soltanto nel caso in cui i carichi da portare non superano determinati ordini di grandezza. I convertitori eolici attualmente usuali, corredati singoli con trasmissioni, generatori e diversi gruppi secondari, superebbero qui un limite di peso tecnicamente ed economicamente compatibili. Quindi qui bisogna cercare di evitare il più possibile queste componenti o di installarle sul terreno solido. Supporting systems with ropes are only sensible if the loads to be carried do not exceed certain orders of magnitude. Currently usual wind converters, equipped individually with transmissions, generators and various secondary units, would here exceed a technically and economically compatible weight limit. So here you have to try to avoid these components as much as possible or to install them on solid ground.

Secondo l'invenzione questo viene raggiunto per il fatto che le trasmissioni di energia dalla girante eolica al terreno non avviene come usualmente per via elettrica, ma con acqua sotto pressione o aria compressa come mezzo di trasmissione. Così viene a meno il generatore normalmente accoppiato attraverso una trasmissione con la girante eolica e gli appartenenti componenti elettrici, gruppi di raffreddamento, ecc. o rispettivamente questi vengono sostituiti da una pompa sostanzialmente più leggera e anche più economica. Inoltre una pompa direttamente azionata dato il suo funzionamento puramente meccanico e meno sensibile a carichi rapidamente cambianti e a un sovraccarico nel caso di tempesta, nel caso del numero di giri basso à ̈ data un'alta affidabilità e durata di vita. According to the invention this is achieved due to the fact that the energy transmissions from the wind turbine to the ground do not take place as usually electrically, but with pressurized water or compressed air as the transmission medium. This eliminates the generator normally coupled through a transmission with the wind turbine and the related electrical components, cooling units, etc. or respectively these are replaced by a substantially lighter and also cheaper pump. Furthermore a directly driven pump given its purely mechanical operation and less sensitive to rapidly changing loads and overload in the event of a storm, in the case of low rpm it is given a high reliability and lifespan.

La pompa à ̈ preferibilmente regolabile, cioà ̈ la portata per ogni giro può essere adattata preferibilmente in continuo al sorgere di vento momentaneo, per cui può essere ampliato il campo delle velocità di vento utilizzabili. The pump is preferably adjustable, ie the flow rate for each revolution can preferably be adapted continuously to the rising momentary wind, so that the range of usable wind speeds can be expanded.

Fondamentalmente le pompe impiegate devono funzionare secondo il principio dello spostamento del fluido da trasportare, in quanto queste non sono legate al numero di giri costanti, come esse non verrebbero praticamente da rispettare nel caso di giranti eoliche. Basically, the pumps used must work according to the principle of moving the fluid to be transported, as these are not linked to the number of constant revolutions, as they would practically not be respected in the case of wind turbines.

A riguardo del tipo costruttivo della pompa possono essere impiegati diversi sistemi di per sé noti come per esempio pompe radiali o a stantuffi assiali in cui la corsa del pistone à ̈ regolabile. Una ulteriore possibilità per la variazione della portata per giro sarebbe quella di impiegare più pompe non regolabili di differente dimensione di questo tipo, che possono essere collegate o disinserite a seconda dell'insorgere del vento. Parimenti potrebbero essere inseriti soltanto singoli cilindri – o disinseriti o una parte di cilindri singoli potrebbero funzionare nel corto circuito, per cui questa parte non partecipa alla trasmissione dell'energia. Regarding the construction type of the pump, different systems known per se can be used, such as radial pumps or axial piston pumps in which the piston stroke is adjustable. A further possibility for varying the flow rate per revolution would be to use several non-adjustable pumps of different sizes of this type, which can be connected or disconnected according to the onset of the wind. Likewise, only single cylinders could be inserted - or disconnected or a part of individual cylinders could function in the short circuit, so this part does not participate in the transmission of energy.

Fondamentalmente l'adattamento alla offerta di vento momentanea invece con variazione della portata potrebbe avvenire anche con variazione della pressione del fluido di trasmissione. Basically, the adaptation to the momentary wind supply, on the other hand, with a variation in the flow rate, could also occur with a variation in the pressure of the transmission fluid.

Un vantaggio del concetto secondo l'invenzione consiste nel fatto che acqua sotto pressione, prodotta insieme dai convertitori eolici, o flussi di aria compressa, vengono raccolti in un condotto sotto pressione comune e tutti utilizzati in una centrale sul terreno attraverso una unica macchina motrice con generatore collegato per la produzione di corrente elettrica. Anche nel caso di impianti con numerosi convertitori eolici non à ̈ così necessario un numero uguale di generatori, trasmissioni ecc. ma soltanto un unico generatore. Questo può funzionare inoltre con regolazione della quantità di uscita del fluido di trasmissione con pressione costante indipendentemente dall'offerta di vento con un numero di giri costante, il ché permette l'impiego di gneratori robusti ed economici o rispettivamente rendono superflua una onerosa elettronica di potenza. La regolazione della quantità di uscita può avvenire per esempio nel caso di turbine Pelton in modo noto con variazione della sezione trasversale sull'ugello di uscita per mezzo di un semplice ago di regolazione. An advantage of the concept according to the invention consists in the fact that pressurized water, produced together by the wind converters, or compressed air streams, are collected in a common pressure duct and all used in a power plant on the ground through a single driving machine with connected generator for the production of electricity. Even in the case of systems with numerous wind converters, an equal number of generators, transmissions, etc. is not so necessary. but only a single generator. This can also work with regulation of the output quantity of the transmission fluid with constant pressure regardless of the wind supply with a constant number of revolutions, which allows the use of robust and economical generators or respectively make an expensive electronic control superfluous. power. The adjustment of the output quantity can take place for example in the case of Pelton turbines in a known way with variation of the cross section on the output nozzle by means of a simple adjustment needle.

Il concetto per la trasmissione della potenza di una pluralità di convertitori eolici ad un'unica macchina motrice comune con generatore collegato ovviamente può essere applicato anche nel caso in cui i convertitori eolici si trovano in maniera tradizionale su sostegni singoli. The concept for transmitting the power of a plurality of wind converters to a single common driving machine with connected generator can obviously also be applied in the case in which the wind converters are traditionally located on single supports.

Ulteriori caratteristiche e dettagli risultano dalle rivendicazioni e dalla seguente descrizione di una preferita forma di realizzazione, rappresentata nel disegno, in cui nella Further characteristics and details result from the claims and from the following description of a preferred embodiment, shown in the drawing, in which in

Figura 1 Ã ̈ schematicamente rappresentato un impianto a energia eolica secondo l'invenzione con giranti eolici secondo il principio di Darrieus. Figure 1 schematically represents a wind power plant according to the invention with wind impellers according to the Darrieus principle.

Il sistema portante a funi à ̈ costituito da almeno una fune portante superiore e da almeno una inferiore, la cui distanza verticale nel caso di giranti eoliche con asse verticale 1 à ̈ leggermente maggiore rispetto alla altezza della girante eolica o rispettivamente nel caso di giranti eoliche con asse orizzontale (qui non disegnato) leggermente maggiore rispetto al suo diametro. The carrying cable system consists of at least one upper and at least one lower carrying cable, whose vertical distance in the case of wind impellers with vertical axis 1 is slightly greater than the height of the wind impeller or respectively in the case of wind turbines with horizontal axis (not drawn here) slightly larger than its diameter.

La grande distanza verticale fra i piani delle funi portanti assicura la stabilità della girante eolica contro un ribaltamento. Nell'esempio rispettivamente due funi portanti disposte in un piano, sono previste sul lato superiore 2 e rispettivamente sul lato inferiore 3. Le funi portanti condotte parallelamente l'una accanto all'altra sono collegate nella zona del supporto della girante eolica mediante gioghi 4. The large vertical distance between the planes of the supporting ropes ensures the stability of the wind turbine against overturning. In the example, two carrier ropes arranged in one plane are provided on the upper side 2 and respectively on the lower side 3. The supporting ropes run parallel to each other are connected in the area of the wind turbine bearing by means of yokes 4.

Rotori eolici secondo il principio di Darrieus o simili concetti di funzionamento portano qui a costruzioni particolarmente semplici, in quanto le estremità dell'asse di rotazione possono essere supportate direttamente nel piano di fune superiore e rispettivamente in quella inferiore. Inoltre rotori per esempio tipo Darrieus non richiedono una attrezzatura per seguire il vento, in quanto il loro funzionamento à ̈ indipendente dalla direzione di vento. Wind rotors according to the Darrieus principle or similar operating concepts lead here to particularly simple constructions, since the ends of the rotation axis can be supported directly in the upper and lower cable plane respectively. In addition, rotors such as Darrieus type do not require equipment to follow the wind, as their operation is independent of the wind direction.

Le giranti eoliche 1, rappresentate nell'esempio, sono così supportate girevolmente fra un piano di fune superiore 2 e uno inferiore 3. The wind turbines 1, represented in the example, are thus rotatably supported between an upper 2 and a lower 3 cable plane.

Nell'esempio rappresentato l'asse non à ̈ presente passante dal supporto superiore fino a quello inferiore, in quanto nella zona delle tre pale queste possono esse stesse assumere funzioni di un asse. In the example shown, the axis is not present passing from the upper support to the lower one, since in the area of the three blades these can themselves assume the functions of an axis.

E' però ovviamente possibile prevedere fra il supporto inferiore e quello superiore un asse passante (qui non disegnato). However, it is obviously possible to provide a through axis between the lower and upper supports (not drawn here).

al posto di giranti eoliche con asse verticale possono essere impiegate anche tali con asse orizzontale (principio ad elica). In questo caso il collegamento fra il piano di fune superiore e quello inferiore deve essere realizzato da un telaio rigido, in cui vengno supportate le giranti eoliche rotanti (qui non disegnate). instead of wind turbines with a vertical axis they can also be used with a horizontal axis (helix principle). In this case the connection between the upper and lower cable planes must be made by a rigid frame, in which the rotating wind turbines are supported (not shown here).

Le funi portanti vengono sostenute dai sostegni 5 a distanze determinate, per cui la lunghezza totale dell'impianto viene suddivisa in una pluralità di campi di ancoraggio 6, in cui sono disposti rispettivamente più convertitori eolici. The supporting ropes are supported by the supports 5 at determined distances, so that the total length of the plant is divided into a plurality of anchoring fields 6, in which several wind converters are respectively arranged.

I sostegni vengono preferibilmente stabilizzati da funi serranti 7 contro forze laterali, per cui il fusto dei sostegni viene sollecitato sostanzialmente soltanto da pressione. The supports are preferably stabilized by clamping ropes 7 against lateral forces, so that the shaft of the supports is substantially stressed only by pressure.

Le estremità delle funi portanti normalmente vengono tirate dai sostegni terminali obliquamente verso il basso e ancorate per esempio da ancoraggi 8 da perforazione sul terreno. The ends of the supporting ropes are normally pulled by the end supports obliquely downwards and anchored for example by drilling anchors 8 on the ground.

Il numero dei sostegni o rispettivamente campi di ancoraggio 6 può essere notevole, cosicché sono realizzabili lunghezze di impianto di più chilometri. The number of supports or respectively anchor fields 6 can be considerable, so that plant lengths of several kilometers are achievable.

Il basso numero dei sostegni relativamente al numero dei convertitori eolici à ̈ in particolare di vantaggio nel caso in cui sono presenti fondazioni gravose, come per esempio nel caso di impianti eolici offshore. The low number of supports relative to the number of wind converters is particularly advantageous in the case of heavy foundations, as for example in the case of offshore wind farms.

Ovviamente – come accennato nel disegno – possono essere disposte qualsiasi numerose strutture portanti a fune parallelamente l'una accanto all'altra. Anche nel caso di questa disposizione l'energia di pressione contenuta nel fluido di trasmissione, può essere riunita da tutti i convertitori eolici, preferibilmente in una centrale comune 11 e essere trasformata ivi da un'unica macchina motrice 12 con generatore collegato 13 in energia elettrica. Obviously - as mentioned in the drawing - any numerous rope-bearing structures can be arranged parallel to one another. Also in the case of this arrangement, the pressure energy contained in the transmission fluid can be gathered by all the wind converters, preferably in a common power plant 11 and transformed there by a single driving machine 12 with connected generator 13 into electrical energy. .

Le pompe 9, presenti in ogni convertitore eolico, sono collegate parallelamente con i condotti di alimentazione o rispettivamente di asportazione 10 che realizzano il collegamento con l'edificio della centrale 11. Con il collegamento in parallelo singoli convertitori eolici possono essere inseriti o rispettivamente disinseriti senza pregiudicare quelli restanti secondo l'esigenza. Nel caso di acqua come fluido di trasmissione esiste un circuito chiuso, cioà ̈ l'acqua, con eccezione di perdite eventuali, rimane sempre la stessa. Così vengono evitate inclusioni abrasive che significano nel caso di macchine ad energia d'acqua frequentemente un problema di usura. The pumps 9, present in each wind converter, are connected in parallel with the supply or removal ducts 10 which make the connection with the building of the power plant 11. With the parallel connection, individual wind converters can be connected or disconnected without affect the remaining ones as needed. In the case of water as the transmission fluid there is a closed circuit, that is, the water, with the exception of any leaks, always remains the same. In this way, abrasive inclusions are avoided, which in the case of water-powered machines frequently means a problem of wear.

Sulla base della notevole differenza di altezza fra pompa e macchina motrice la pressione atmosferica normalmente non sarebbe sufficiente per impedire sul lato di aspirazione un distacco della colonna acqua. Questo problema può essere risolto per esempio per il fatto che l'acqua sul lato di aspirazione o viene alimentata per mezzo di una pompa o ché nel corpo della turbina per mezzo di un compressore viene realizzata una pressione d'aria aumentata. On the basis of the considerable difference in height between the pump and the driving machine, the atmospheric pressure would normally not be sufficient to prevent a detachment of the water column on the suction side. This problem can be solved, for example, by the fact that the water on the suction side is either supplied by means of a pump or because an increased air pressure is created in the turbine housing by means of a compressor.

Nel caso di aria compressa à ̈ sufficiente un condotto sotto pressione, in quanto l'aria viene aspirata dalla pompa direttamente dall'atmosfera o rispettivamente scaricata dopo scarico nella macchina motrice nuovamente nell'atmosfera. In the case of compressed air, a pressurized duct is sufficient, as the air is sucked in by the pump directly from the atmosphere or discharged back into the atmosphere after being discharged into the driving machine.

Una ulteriore possibilità nel collegamento con l'invenzione sarebbe quello di trasformare in energia elettrica l'acqua sotto pressione o rispettivamente l'aria compressa proveniente dai convertitori eolici non direttamente per mezzo di una turbina e di un generatore, ma di accumulare in un primo momento il fluido di trasmissione. L'accumulatore potrebbe essere nel caso di acqua un bacino artificiale disposto più in alto o nel caso di aria compressa, per esempio una caverna. Conciò con il sistema sarebbe realizzata una centrale di accumulo, in cui però sarebbe evitato il percorso supplementare delle centrali di accumulo a pompa attualmente usuali dalla corrente verso l'energia sotto pressione e successivamente dall'energia sotto pressione verso la corrente. A further possibility in connection with the invention would be to transform the pressurized water or compressed air coming from the wind converters into electricity not directly by means of a turbine and a generator, but to accumulate at first the transmission fluid. The accumulator could be in the case of water an artificial basin placed higher up or in the case of compressed air, for example a cave. Conciò with the system an accumulation plant would be created, in which, however, the additional path of the currently usual pump accumulation plants from the current to the energy under pressure and subsequently from the energy under pressure to the current would be avoided.

Elenco dei numeri di riferimento List of reference numbers

1 convertitori eolici 1 wind converters

2 funi portanti 2 carrying ropes

3 funi portanti 3 carrying ropes

4 gioghi 4 yokes

5 sostegni 5 supports

ancoraggi anchors

funi tiranti tie ropes

ancoraggi anchors

pompe pumps

condotti di alimentazione o di asportazione centrale feeding or central removal ducts

turbina turbine

generatore generator

Claims (6)

R I V E N D I C A Z I O N I 1. Impianto ad energia eolica con una pluralità di convertitori eolici (1), caratterizzato dal fatto che questi vengono portati da funi portanti (2, 3) che sono disposte parzialmente al di sopra (2) e parzialmente al di sotto (3) dei convertitori eolici, per cui il peso da portare viene accolto dal punto di fissaggio all'incirca rispettivamente per metà delle funi portanti inferiori e rispettivamente superiori, e che le funi portanti (2, 3) appoggiano su sistemi (5) che suddividono la lunghezza totale di un impianto in una pluralità di campate (6). R I V E N D I C A Z I O N I 1. Wind power plant with a plurality of wind converters (1), characterized in that these are carried by carrying ropes (2, 3) which are arranged partially above (2) and partially below (3) the wind converters, whereby the weight to be carried is accepted by the fixing point approximately respectively by half of the lower and respectively upper load-bearing ropes, and that the load-bearing ropes (2, 3) rest on systems (5) which divide the total length of a plant in a plurality of spans (6). 2. Impianto ad energia eolica secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i singoli convertitori eolici (1) possiedono rispettivamente una o più pompe (9), che attraverso le quali l'energia prodotta viene trasformata in un primo momento in energia sotto pressione che viene raccolta attraverso un fluido di trasmissione liquido o gassoso in un condotto sotto pressione comune (10) e viene trasformata in un altro punto in una centrale (11) da una turbina in comune o una macchina motrice equivalente (12) con generatore accoppiato (13) in energia elettrica. 2. Wind power plant according to claim 1, characterized in that the individual wind converters (1) respectively have one or more pumps (9), which through which the energy produced is initially transformed into energy under pressure which is collected through a liquid or gaseous transmission fluid in a common pressure conduit (10) and is transformed at another point in a power plant (11) by a common turbine or equivalent motive machine (12) with coupled generator ( 13) in electricity. 3. Impianto ad energia eolica secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che la portata delle pompe (9) per ogni giro à ̈ regolabile in modo di per sé noto, continuo, la regolazione avvenendo automaticamente in dipendenza dell'offerta di vento istantanea. 3. Wind power plant according to claims 1 and 2, characterized in that the flow rate of the pumps (9) for each revolution is continuously adjustable in a per se known manner, the regulation taking place automatically depending on the supply of instant wind. 4. Impianto ad energia eolica secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che la quantità del fluido di trasmissione viene regolata per il fatto che più pompe di dimensione differente o singoli cilindri di esse possono essere inserite/i o disinserite/i a seconda dell'esigenza. 4. Wind power plant according to claims 1 and 2, characterized in that the quantity of the transmission fluid is regulated by the fact that several pumps of different size or individual cylinders thereof can be switched on or off depending on the need. 5. Impianto ad energia eolica secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 e 4, caratterizzato dal fatto che la energia sotto pressione nel fluido di trasmissione non viene alimentata direttamente alla turbina (12) con generatore accoppiato (13), ma nel caso di acqua sotto pressione in un primo momento in un bacino artificiale disposto più in alto 5. Wind power plant according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that the pressurized energy in the transmission fluid is not fed directly to the turbine (12) with coupled generator (13), but in the case of water under pressure at first in an artificial basin placed higher up 6. Impianto ad energia eolica secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 e 4, caratterizzato dal fatto che la energia sotto pressione nel fluido di trasmissione non viene alimentata direttamente alla turbina (12) con generatore accoppiato (13), ma nel caso di aria compressa per esempio accumulata in una caverna e soltanto ad un istante successivo viene adottata corrispondentemente alla esigenza per la produzione di corrente.6. Wind power plant according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that the pressurized energy in the transmission fluid is not fed directly to the turbine (12) with coupled generator (13), but in the case of air compressed for example accumulated in a cave and only at a subsequent instant is adopted corresponding to the need for the production of current.
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