ITFI20120121A1

ITFI20120121A1 - Turbina eolica con pale a geometria variabile

Info

Publication number: ITFI20120121A1
Application number: IT000121A
Authority: IT
Inventors: Gianfranco Liguri
Original assignee: En Eco S P A
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-12-16

Description

"TURBINA EOLICA CON PALE A GEOMETRIA VARIABILE";

Settore della tecnica

La presente invenzione riguarda una turbina eolica ad asse verticale e con pale capaci di assumere diverse geometrie in relazione alle condizioni del vento. Stato dell’arte

Come è noto, le turbine eoliche presentano rendimenti energetici molti diversi a seconda del regime del vento ovvero in relazione alla intensità del vento e alla sua costanza o meno per periodi più o meno lunghi.

Ad esempio, è noto che per valori della velocità del vento inferiori ad una certa soglia la turbina non ha un rendimento accettabile e che, per valori superiori ad una soglia massima, i rischi connessi alle sollecitazioni meccaniche ed alla gestione della energia ottenuta rendono necessaria la disattivazione della turbina.

Ad esempio per regimi elevarti di velocità del vento è possibile che si verifichino sia surriscaldamenti dell’alternatore o rischi strutturali della turbina dovuti alla eccessiva velocità di rotazione delle pale.

Le turbine ad asse verticale tradizionali presentano pertanto gli inconvenienti ora descritti, che ne limitano le possibilità di impiego e l'efficienza energetica. Scopo dell’invenzione

Con il presente trovato si intende superare gli inconvenienti delle soluzioni già note e proporre una turbina eolica ad asse verticale capace di adattarsi alel condizioni di velocità del vento allo scopo di massimizzare il rendimento energetico complessivo in funzione delle condizioni di vento, e limitare al tempo stesso i rischi connesso con regimi di vento molto forte.

Sommario dell’invenzione

A questi scopi si è pervenuti realizzando una turbina secondo almeno una delle rivendicazioni allegate.

Un primo vantaggio consiste nel fatto che la turbina si adatta alle condizioni del vento sfruttando al meglio le possibilità di conversione energetica a regimi di vento forte: la chiusura parziale delle pale infatti, diminuendo l'efficienza aerodinamica, permette di non ricorrere ad interventi di arresto della turbina ( stress meccanici ad alti giri di rotazione, stress termici dell’alternatore ), incrementando quindi la producibilita’ di energia.

Un secondo vantaggio consiste nella affidabilità meccanica della turbina.

Un terzo vantaggio consiste nel fatto che si minimizza l’impatto visivo della turbina a regimi di vento inferiori almeno alla soglia minima di funzionamento.

Lista dei disegni

Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni, dati quale esempio non limitativo, nei quali:

- la fig.1 mostra una vista schematica in prospettiva di una turbina secondo l’invenzione;

- la fig.2 mostra una vista laterale della turbina di fig.1 ;

- fig.3 mostra una vista dall’alto della turbina di fig.1 ;

- fig.4 mostra tre possibili configurazioni della turbina di fig.1 con pale del tutto chiuse, parzialmente aperte e completamente aperte;

- la fig.5 mostra uno schema a blocchi di un sistema di controllo della turbina; - la fig.6 mostra una forma preferita di realizzazione del cinematismo di apertura e chiusura delle pale;

- le fig.7-9 mostrano rispettivamente una vista in pianta, una vista laterale in configurazione aperta ed una vista laterale in configurazione chiusa di una turbina secondo l’invenzione a cinque bracci.

Descrizione dettagliata

Con riferimento ai disegni allegati viene descritta una turbina eolica secondo l’invenzione.

La turbina comprende un albero di rotazione 1 ad asse verticale connesso a corrispondenti pale 6 a profilo alare 3 tramite una pluralità di bracci 2, ad esempio tre o cinque bracci equispaziati, preferibilmente anch’essi a profilo alare.

I profili 3 presentano un disegno adatto per la migliore resa a seconda dell’applicazione e delle condizioni di impiego e potranno pertanto essere di diverso tipo e geometria a seconda delle circostanze.

Secondo l’invenzione, le pale 6 presentano una dimensione di estensione prevalente in una direzione di sviluppo 5 e sono capaci di compiere un movimento di apertura e chiusura per passare da una configurazione chiusa nella quale si trovano sostanzialmente perpendicolari all’asse di rotazione 1 ad una o più configurazioni aperte nelle quali l’angolo X ( fig. 2 ) tra la direzione prevalente di sviluppo 5 delle pale 6 e l’asse 1 , può avere un valore compreso tra 90° (fig.4).

Nella forma realizzativa descritta, le pale 6 sono composte da due semi parti 8 incernierate con una estremità 4 ad una estremità distale del braccio 2 e che possono aprirsi e chiudersi rispetto al braccio 2 mediante un cinematismo 7 comprende una coppia di bielle 9 vincolate ciascuna con una prima estremità 10 ad un punto di una corrispondente semi parte 8 della pala 6 e scorrevoli con una seconda estremità 11 lungo il braccio 2.

In maggiore dettaglio, con riferimento alla figura 6, il cinematismo di apertura e chiusura 7 potrà prevedere una vite senza fine 26 parallela al braccio lungo la quale può scorrere una boccola filettata 27 impegnata con la vite e con la seconda estremità 11 della biella 9.

Con questa soluzione, ad una rotazione della vite comandata tramite una opportuna motorizzazione, corrisponde uno spostamento lineare della boccola ed un movimento rotatorio della pala alla boccola tramite la biella.

Con riferimento in particolare alla figura 5, in una forma preferita ma non vincolante di realizzazione la turbina comprende un sistema meccanico o idraulico 21 di azionamento del cinematismo 7, controllabile elettronicamente, e capace ad esempio di porre in rotazione la vite senza fine in entrambe le direzioni a seconda del movimento di apertura o di chiusura voluto.

Inoltre, per il funzionamento della turbina sono previsti

un anemometro 12 per la misura della velocità del vento

un alternatore 13 associato alla rotazione dell’albero 1 e provvisto di un eventuale sistema di controllo della temperatura operativa raggiunta 17, un inverter 14 per convertire una tensione continua (ad esempio uscente da un dispositivo raddrizzatore 32 ) in una opportuna tensione alternata destinata alle utenze

un insieme di resistenze di carico 15 collegate in uscita all’alternatore, e una elettronica di controllo a microprocessore 16 operativamente connessa con l’anemometro, l’alternatore, l’inverter e con detto sistema di azionamento, con dette resistenze di carico.

Vantaggiosamente, l’elettronica 16 è programmabile per comandare il movimento di apertura e chiusura delle pale 6 in base a grandezze associate alla velocità del vento e/o alla velocità di rotazione dell’albero 1 rilevate tramite l’anemometro 12 o tramite le condizioni di lavoro dell’alternatore 13.

In particolare, l’elettronica 16 comprende un sistema di controllo a microprocessore 18 collegato al sistema di controllo della temperatura dell’ alternatore 17 e ad un frequenzimetro 22 che misura la velocità di rotazione dell’albero 1.

In base a tali grandezze, ovvero a seconda della velocità di rotazione dell’albero e/o alla temperatura raggiunta dall’alternatore, il sistema 18 è così in grado, tramite un driver di pilotaggio 23, di comandare un movimento di detti profili che ottimizza il rendimento della turbina o la mette in sicurezza da condizioni critiche di funzionamento.

Preferibilmente, il sistema di controllo 18 è anche collegato ad un sistema di controllo 19 delle resistenze di carico 15 in modo da poter comandare una variazione dell’energia emessa dall’alternatore inviata alle resistenze di carico e/o mettere in cortocircuito l’alternatore in base alla velocità di rotazione dell’albero e/o alla temperatura raggiunta dall’alternatore.

Secondo lo schema di figura 5, la turbina può inoltre comprendere un blocco di interfacciamento 20 con un dispositivo elettronico esterno, ad esempio tramite porta USB, interfaccia telefonica, rete LAN, rete WIFI ed un accelerometro 24 in grado di rilevare vibrazioni anomale delle pale e trasmettere un segnale di allerta al sistema di controllo.

Nel funzionamento, la turbina viene collocata in campo di vento, inizialmente con le pale 6 in configurazione chiusa parallela ai bracci 2.

In questa condizione, la velocità del vento viene misurata dall’anemometro che invia i segnali di misura al sistema di controllo 18.

Fino ad una determinata soglia inferiore della velocità del vento, il sistema 18 mantiene chiuse le pale 6, anche per limitare l’impatto visivo della turbina neN’ambiente.

Quando il vento supera la velocità di soglia inferiore, il sistema 18 comanda l’azionamento del cinematismo 7 tramite il driver 23, determinando l’apertura delle pale 6 e l’attivazione della turbina.

In queste condizioni, l’albero 1 è in rotazione e il frequenzimetro 22 comunica al sistema 18 la velocità di rotazione dell’albero che viene utilizzata come parametro per la misura della velocità del vento mentre il controllo della temperatura 17 invia al sistema 18 le informazioni relative alla temperatura di esercizio dell’alternatore 13, che inizia a convertire l’energia eolica raccolta dalle pale 6 in potenza elettrica in forma di una corrente alternata destinata al raddrizzatore 22 e da questo all’inverter 14 fino alla condizione di massima potenza della turbina, nella quale le pale sono completamente aperte e tutta la potenza elettrica fornita dall’alternatore viene inviata all’inverter.

Quando la velocità del vento eccede un valore di soglia superiore e/o la temperatura dell’alternatore è superiore ad un valore limite, la turbina entra in un regime di controllo della potenza che può essere eseguito anche mediante il sistema di controllo 18, che comanda il sistema di controllo del carico 19 a inviare una parte della potenza generata dall’alternatore verso il carico 15 oppure a mettere in corto circuito lo stesso alternatore il quale rimane in corto circuito in caso di assenza di alimentazione di rete 25.

In queste condizioni, il sistema di controllo 18 comanda la chiusura parziale delle pale, fino alla loro chiusura completa, nel qual caso la velocità del vento torna ad essere misurata tramite l’anemometro in attesa di condizioni di esercizio accettabili.

L’invenzione consegue importanti vantaggi, poiché prevede pale ribaltabili della turbina capaci di disporsi parallelamente al vento ed ai bracci di supporto sia a riposo quando la turbina deve essere inattiva, che in “overspeed” ovvero quando la velocità di rotazione delle pale tende ad assumere valori superiori ad un valore limite di sicurezza o di efficienza.

Il meccanismo di movimentazione delle pale potrà inoltre essere un meccanismo passivo, cioè comandato dalle stesse condizioni di funzionamento (velocità delle pale, e/o velocità del vento) o attivo cioè guidato da mezzi esterni (ad esempio guidato da anemometro).

Il presente trovato è stato descritto secondo forme preferite di realizzazione ma varianti equivalenti possono essere concepite senza uscire daN'ambito di protezione accordato.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Turbina eolica per la conversione in energia elettrica della energia eolica raccolta da una distribuzione di profili alari esposti ad un flusso ventoso, comprendente un albero di rotazione ad asse verticale (1) connesso tramite una pluralità di bracci (2) a corrispondenti profili alari (3) aventi una estensione prevalente in una direzione di sviluppo (5) , detti profili (3) essendo provvisti di un movimento di apertura e chiusura per passare tra una configurazione chiusa nella quale la direzione (5) è sostanzialmente perpendicolare all’asse di rotazione (1) ad una o più configurazioni aperte nelle quale la direzione (5) forma un angolo (x) compreso tra 0° e 90° rispetto all’asse di rotazione.
2. Turbina secondo la rivendicazione 1 , in cui detti profili (3) comprendono almeno una pala (6) ruotante rispetto ad un corrispondente braccio (2) mediante un cinematismo di apertura e chiusura (7).
3. Turbina secondo la rivendicazione 2, in cui almeno uno di detti profili (3) comprende una pala (6) composta da due semi parti (8) incernierate con una estremità (4) ad una estremità del corrispondente braccio (2) e detto cinematismo di apertura e chiusura (7) comprende una coppia di bielle (9) vincolate ciascuna con una prima estremità (10) ad un punto di una corrispondente semi parte (8) della pala (6) e scorrevole con una seconda estremità (11) lungo il braccio (2).
4. Turbina secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto cinematismo (7) comprende una vite senza fine parallela ad un braccio (2), ed una boccola filettata scorrevole lungo il braccio, impegnata con la vite e con la seconda estremità (11) di detta biella (9) in modo tale che ad una rotazione della vite corrisponda uno spostamento lineare della boccola ed un movimento rotatorio della palla ad essa collegata tramite la biella.
5. Turbina secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente tre profili alari (3) connessi all’asse (1) tramite bracci (2) spaziati angolarmente di 120°.
6. Turbina secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di misura della velocità del vento (12), ad esempio un anemometro, un alternatore (13) associato alla rotazione di detto albero verticale (1) per convertire in energia elettrica la rotazione di detto albero e provvisto di un sistema di controllo della temperatura operativa raggiunta (17), un sistema meccanico o idraulico (21) di azionamento di detto cinematismo (7), controllabile elettronicamente un inverter (14) un insieme di resistenze di carico (15) una elettronica di controllo a microprocessore (16) operativamente connessa con detti mezzi di misura della velocità del vento, con detto alternatore, con detto sistema di azionamento, con dette resistenze di carico e con detto inverter allo scopo di comandare il movimento delle pale (6) in base almeno alla velocità del vento e/o alla temperatura dell’alternatore.
7. Turbina secondo la rivendicazione 6, in cui detta elettronica di controllo comprende un sistema di controllo a microprocessore (18) operativamente collegato al sistema di controllo della temperatura dell’alternatore, ad un frequenzimetro (22) di misura della velocità di rotazione dell’albero (1) per comandare un movimento di detti profili in base alla velocità di rotazione dell’albero e/o alla temperatura raggiunta dall’alternatore.
8. Turbina secondo la rivendicazione 7, in cui detta elettronica di controllo in cui detto sistema di controllo a microprocessore (18) è operativamente collegato ad un sistema di controllo (19) delle resistenze di carico per comandare una variazione dell’energia emessa dall’alternatore inviata alle resistenze di carico e/o mettere in cortocircuito l’alternatore in base alla velocità di rotazione dell’albero e/o alla temperatura raggiunta dall’alternatore.
9. Turbina secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta elettronica comprende un blocco di interfacciamento (20) con un dispositivo elettronico esterno, ad esempio tramite porta USB, interfaccia telefonica, rete LAN, rete WIFI.
10. Metodo per il pilotaggio di una turbina eolica secondo una delle rivendicazioni 1-9 comprendente le fasi di misurare la velocità del vento (12) incidente i profili (3), convertire l’energia eolica raccolta dai profili (3) in energia elettrica mediante un alternatore (13), misurare la temperatura operativa raggiunta dall’alternatore, inviare ad un sistema resistivo una parte della potenza elettrica fornita dall’alternatore determinata in base almeno alla velocità del vento e/o alla temperatura dell’alternatore. comandare un movimento di apertura o chiusura delle pale (6) in base almeno alla velocità del vento e/o alla temperatura dell’alternatore. in cui dette pale (6) sono in condizioni di chiusura completa per valori della velocità del vento minori di un valore di soglia inferiore e maggiori di valore di soglia superiore.