ITLO20070001A1 - Pala per generatore eolico a geometria variabile - Google Patents

Description

Domanda di Brevetto di invenzione dal titolo: "Pala per generatore eolico a geometria variabile

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda, in generale, il settore della generazione di energia elettrica, in particolare un sistema di pale perfezionato per generatore eolico.

Lo sfruttamento dell’energia eolica per produrre energia meccanica e/o elettrica risale a tempi antichi e ha sempre richiamato nel corso dei secoli attenzione ed è stata oggetto di evoluzioni.

La ricerca su mezzi efficenti per produrre energia elettrica pulita, come alternativa al petrolio, nei recenti anni ha catalizzato lo sviluppo di generatori eolici alquanto sofisticati e potenti e questa ricerca è a tutt’oggi in continua espansione.

I progressi sono stati enormi, basti pensare che i moderni generatori possono raggiungere aperture alari di 90 metri e potenze elettriche che superano a volte i 6 MW.

Soprattutto nei paesi industrializzati è in atto una autentica evoluzione che mira ad aumentare la produzione di energia elettrica mediante energia eolica.

I principali costruttori sono attualmente impegnati nella realizzazione dei cosiddetti campi eolici concentrandosi principalmente su zone ventose, installando macchine sempre più potenti per rincorrere detto fabbisogno.

E’ ovvio che la potenza elettrica è ottimale in zone geografiche in cui esiste ima velocità media del vento elevata, per un elevato numero di ore nell’anno, in quanto tale condizione consente alle macchine di ottimizzare la produzione dell’energia eletrica in un anno espressa in chilovattora (KW/h).

Contemporaneamente ai grandi progetti governativi, che sono concentrati in tale direzione, la liberallizzazione dei mercati dell’energia elettrica di fatto accende l’interesse anche per impianti eolici più piccoli, dove piccole imprese o consorzi sono sostanzialmente incentivati alla realizzazione di piccoli impianti, magari anche in zone poco ventose.

Attualmente, di fatto, il tessuto socio politico per questi piccoli impianti incentiva piccoli operatori a partecipare allo sforzo globale, missione, di aumentare la percentuale di energia elettrica prodotta in modo pulito.

Questo si traduce nell’esigenza di sviluppare macchine piccole preferibilmente progettate per essere semplici, economiche ma soprattutto capaci di funzionare anche in zone geografiche, ed ad altezze, in cui la velocità media del vento è modesta, permettendo in tal modo di sfruttare il vento in modo capillare sul territorio.

Si precisa che l’attuale impennata di richieste per la installazione di campi eolici in zone ventose, comporta che i principali costruttori di generatori eolici sono e rimangono concentrati su grossi impianti da installare in zone ventose classe A e sono pertanto poco disponibili a considerare impianti piccoli , per di più modificati per poter funzionare in zone poco ventose.

E’ importante precisare che la possibilità intrinseca della macchina di funzionare a basse velocità del vento presenta il grande vantaggio di poter produrre energia elettrica per un numero di ore in un anno considerevolmente maggiore ed, in alcuni casi, addirittura superare la produzione di KW/h totali, prodotti rispetto a macchine più potenti, ma penallizate come valori di soglia minima della velocità del vento. A scopo informativo e non limitativo, i moderni generatori operano in intervallo di velocità del vento compreso fra una velocità minima del vento di 6 m/s ed ima velocità massima del vento di 15 m/s. Il limite minimo proviene da una insufficiente portanza delle pale e/o ineliminabili attriti di trascinamento, mentre il limite massimo è definito dai limiti di resistenza strutturale delle pale.

Lo scopo principale della presente invenzione e' quello di realizzare un generatore eolico con un sistema di pale in grado di funzionare in un range di velocità del vento più ampio, in particolare di poter funzionare con velocità di soglia minima del vento, inferiore a quelle tipiche di 6 m/s pur presentando il medesimo limite masimo di 15 m/s.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare una pala eolica semplice da realizzare ed economica da costruire.

La presente invenzione verrà ora meglio descritta mediante l'ausilio delle allegate figure in cui:

- La figura 1 : mostra in vista prospettica un tipico moderno generatore eolico; - La figura 2: mostra schematicamente in vista prospettica la pala secondo la presente invenzione;

- Le figure 3A, 3B e 3C: mostrano schematicamente diverse possibili esecuzioni-varianti alternative alla pala di figura 2;

- La figura 4: mostra schematicamente il principio del funzionamento del meccanismo di comando, attuatore, applicato alla pala secondo la presente invenzione;

Le figure 5° e 5B mostrano schematicamente una vista laterale ed una vista dall’alto di due forme di esecuzioni alternative al meccanismo di figura 4.

La figura 1 mostra in vista prospettica un tipico moderno generatore eolico, in particolare un palo di sostegno 1, un corpo generatore 2, un mozzo porta pale 3, ed una pluralità di pale 4 ad esso connesse . il corpo 2 racchiude tipicamente un albero di rotazione, una trasmissione, solitamente un moltiplicatore di giri, ed un generatore elettrico ad esso connesso, non raffigurati.

Sono tipicamente previsti tre indipendenti movimenti: un primo movimento A detto di azimuth destinato ad orientare l’asse retorico 5 secondo la direzione del vento V; un secondo movimento B detto di inclinazione pala destinato ad orientare la pala 4 a seconda della intensità della velocità del vento I; ed un terzo movimento C del mozzo 3 attorno all’asse principale 5 per effetto della spinta S del vento sulle pale 4.

Il funzionamento è molto semplice, quando i movimenti A e B sono opportunamente orientati la spinta del vento S sulle pale provoca il trascinamento in rotazione, il mozzo 3 a cui è connesso l’albero di trasmissione, che ruotando trascina, attraverso un moltiplicatore di giri, il tradizionale generatore di energia elettrica, convertendo in tal modo l’energia cinetica del vento in energia elettrica. E’ importante osservare che le pale 4 presentano un profilo aerodinamico a sezione variabile e rastremato in modo tale da ottimizzare il rendimento della trasformazione di energia cinetica del vento in energia cinetica delle pale, minimizzando turbolenze e dissipazioni, e come il movimento B consente alla pala di poter ruotare su se stessa attorno ad un asse principale R disposto sostanzialmente in direzione radiale e perpendicolare all’asse 5 di rotazione.

La presenza del movimento B consente di ampliare il campo operativo del generatore rendendolo idoneo a poter funzionare fra ima velocità del vento minima, ed una velocità del vento massima mantenendo una ottimale efficienza alle varie velocità secondo i canonici insegnamenti dell’areotecnica moderna.

Nella figura 2 è mostrata la pala secondo la presente invenzione in cui si nota come la pala presenti una pala principale fissa 4 ed un alettone 6 mobile rispetto la pala principale 4. la pala principale fissa 4 è collegata al mozzo 3 mediante una flangia 7 e può ruotare secondo la direzione B.

L’alettone 6 è mobile rispetto alla pala 4, in particolare può fuoriuscire e rientrare fra due posizioni estreme di lavoro, una prima posizione MM a cui corrisponde l’alettone completamente esteso, ed una seconda posizione NN a cui corrisponde l’alettone completamente rientrato, seguendo un movimento orientato secondo la direzione S, sostanzialmente perpendicolare all’asse R.

Come meglio di seguito illustrato, l’alettone 6 è dotato di un sistema di guide ed è collegato ad un dispositivo di comando, interno alla pala di seguito descritto nella figura 4, in grado di autoregolare la fuoriuscita della pala 6 rispetto la pala 4 a seconda della volocità del vento. In particolare quando il vento presenta basse velocità l’alettone 6 è completamente fuoriuscito per conferire più portanza alla pala 4, e rientra gradualmente ed automaticamente quando il vento aumenta la sua velocità, per evitare sowrasforzi meccanici alla pala 4.

E’ importante osservare che il contributo dell’alettone 6 alla portanza della pala principale 4 è particolarmente efficace nelle zone esterne delle pale e pertanto lo/gli alettoni sono preferibilmente presenti in tale zona.

Nelle figure 3A, 3B e 3C sono schematicamente raffigurate in sezione alcune forme di esecuzione alternative alla pala di figura 2 in particolare nella figura 3A l’alettone 6A è inserito in una fessura F all’interno della pala principale 4A e, secondo della velocità del vento, si sposta dal punto MM, alettone esteso, al punto NN, alettone rientrato comandato da un attuatore non raffigurato in figura.

Nella figura 3B l’alettone 6B è localizzato nella parte posteriore della pala 4B correndo sulla superficie di guida G, e, alla stessa stregua dell’alettone 6A, scorre le due posizioni estreme MM ed NN.

Nella figura 3C l’alettone 6C costituisce di fatto una porzione della pala 4C in grado di sfilarsi guidato dalle due superfici H e K; alla stessa stregua delle altre forme di esecuzione descritte, l’alettone 6C occupa una posizione intermedia fra dette posizioni estreme MM ed NN.

Nella figura 4 è schematicamente raffigurato il dispositivo di comando automatico per la fuoriuscita degli alettoni 6, posizionato normalmente all’interno della pala 4 e sostanzialmente costituito da un’asta di comando 10 con asse Z sostanzialmente parallelo all’asse R della pala principale 4. L’asta 10 presenta un sistema di guide proprio llA ed llB ed è collegata ad un leverismo che converte il moto assiale dell’asta 10 lungo detto asse Z in movimento trasversale S dell’alettone 6 ad esso collegato. In particolare quando l’asta riposa nella posizione M , l’alettone 6, ad essa meccanicamente collegato, si trova nella posizione MM in cui l’alettone 6 è completamente fuoriuscito trasversalmente dalla pala principale 4 offrendo la massima superficie al vento; quando l’asta 10 si sposta assialmente lungo l’asse Z verso la posizione N, l’alettone 6 rientra trasversalmente lungo la direzione S verso la posizione estrema NN in cui l’alettone 6 è completamente rientrato e non offre più o quasi superficie utile alla spinta del vento.

Sempre nella stessa figura si nota la presenza di una molla 12 che spinge l’asta 10 contro il finecorsa meccanico 13 facendo riposare l’asta nella posizione N e quindi l’alettone 6 nella posizione MM.

Si noti che l’alettone 6 scorre lungo la direzione S guidato dalle guide 16A e 16B, e come detto dispositivo trasforma il moto verticale del H10 in moto trasversale del’alettone 6 mediante la cremagliera 13, collegata all’asta 10, il pignone 14 a fulcro fisso, e la cremagliera 15 collegata all’alettone 6.

Si può quindi comprendere il funzionamento di detto dispositivo di comando in cui l’asta 10 si sposta assialmente fra una posizione di M ed ima posizione N secondo l’asse Z mentre l’alettone si sposta fra le posizioni estreme MM, alettone fuoriuscito e posizione NN alettone rientrato.

Dalla figura si comprende come l’asta di comando 10 riposa nella posizione M per effetto di una molla 12 che la spinge verso un fine corsa meccanico 13.

All’asta 10 è anche collegata una massa m che, se, e solo quando la pala gira, per effetto della forza centrifuga a cui è inevitabilmente soggetta, di fatto lavora in contrapposizione alla molla 12 e tende a sfilare l’asta in direzione radiale Z vincendo la forza antagonista della molla 12 e provocando lo spostamento assiale dell’asta di comando 10 dalla posizione di riposo M verso la posizione N, e pertanto comandando il rientro dell’alettone 6.

In altre parole quando il vento è fermo o presenta basse velocità, la molla mantiene l’asta di comando 10 in posizione M e l’alettone è in posizione MM, completamente fuoriuscito, in tale condizione esso offre il massimo contributo come superficie di spinta alla pala 4 aumentandone la portanza e rendendola più efficiente a raccogliere la modesta spinta del vento.

Quando il vento aumenta la propria velocità, le pale iniziano a girare più rapidamente ed aumenta notevolmente la forza centrifuga esercitata sulla massa m; questa forza, man mano che il vento aumenta la sua velocità, riesce a vincere la forza della molla 12 e sfilare radialmente verso l’esterno l’asta di comando 10 e di fatto azionare, attraverso il dispositivo di figura 4, od equivalente, il rientro dell’alettone 6 che risulterebbe dannnoso alle elevate velocità del vento, che, se non ritratto, risulterebbe dannoso perché causerebbe esagerate sollecitazioni meccaniche sulla pala 4, realizzando un autentico comando automatico di rientro degli alettoni in funzione dell’intensità della velocità del vento.

Si comprende inoltre che tarando opportunamente il valore di precarico della molla 12 e/o variando la massa m si può regolare il funzionamento del/degli alettoni tarandoli a secondo della specifica applicazione.

Le figure SA e 5B, rappresentano schematicamente una vista in sezione di 2 varianti del dispositivo di comando secondo la presente invenzione.

Nella figura 5 A è mostrato schematicamente una vista laterale e dall’alto del dispositivo di comando alternativo a quello basato sul principio pignonecremagliera descritto in figura 4, in particolare la figura mostra un dispositivo del tipo a camma, in cui un nottolino 17 collegato con l’asta 10, è impegnato all’intemo di ima fessura 18, ricavato nell’alettone 6, secondo il quale ad un movimento assiale del nottolino lungo la direzione Z, corrisponde un movimento trasversale dell’alettone 6 secondo la direzione F, trasformando in tal modo il movimento assiale dell’asta 10, in movimento trasversale dell’alettone 6.

In maniera analoga nella figura 5B, è mostrato un dispositivo di comando realizzato mediante un leverismo a bielle 19 e 20, secondo il quale ad un movimento assiale del nottolino 21 A corrisponde un movimento lineare trasversale del nottolino 22 A ad esso collegato mediante la biella 19, che a sua volta trascina l’alettone 6 mediante la biella 20 ad esso collegata attraverso la cerniera 23 A.

Da quanto sopra esposto si deduce che la presente invenzione raggiunge gli scopi prefissi, in particolare consente di realizzare ima pala che, per effetto della fuoriuscita degli alettoni che ne aumentano sostanzialmente la portanza, riesce a iniziare la rotazione dell’albero, e quindi il trascinamento del generatore elettrico, a velocità del vento sensibilmente inferiori a quelle tradizionali pur essendo in grado di resistere meccanicamente alle medesime velocità massime operative tradizionali grazie alla sua intrinseca capacità di retrarre gli alettoni automaticamente. Ciò consentendo un significativo aumento del numero di ore di eserciìzio ed aumentare la produzione di energia elettrica nel tempo.

Naturalmente le soluzioni presentate sono date puramente a titolo esemplificativo e quindi non limitativo poiché si possono apportare tutte le possibili modifiche alla portata di un esperto del ramo, senza fuoriuscire dalla sfera protettiva dell'ambito inventivo definita da quanto sopra descritto e di seguito rivendicato.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1) Pala per generatore eolico, caratterizzata dal fatto che comprende: una pala principale esterna opportunamente connessa al mozzo, dimensionata per poter offrire al vento una superficie di spinta secondo i tradizionali insegnamenti dell’aerotecnica e strutturalmente idonea a resistere agli sforzi meccanici indotti dal vento alla massima velocità di esercizio; almeno una pala secondaria, detta alettone, coniugata a detta pala principale e mobile rispetto alla stessa secondo una direzione sostanzialmente trasversale all’asse di detta pala principale, destinata a collaborare con la stessa aumentandone l’area effettiva di spinta (portanza) particolarmente alle basse velocità del vento; mezzi di guida, applicati a detta pala secondaria per poterla guidare nel suo moto relativo rispetto a detta pala principale; mezzi attuatori, preferibilmente ma non necessariamente disposti all’interno di detta pala principale, collegati a detta pala secondaria e destinati a comandare la filoriuscita od il rientro dell’alettone rispetto alla pala principale; detta pala principale presentando lavorazioni e/o cavità destinate ad ospitare e/o collegare detta pala secondaria coniugata e detti meccanismo attuatore e mezzi di guida; detti mezzi attuatori comandando la fuoriuscita dell’alettone quando il vento è fermo o soffia a bassa velocità oppure il rientro dello stesso quando il vento aumenta la velocità, la presenza dell’alettone fuoriuscito quando il vento è debole consentendo un significativo aumento della portanza della pala principale e conseguentemente una maggiore produzione di energia elettrica, il rientro dell’alettone quando il vento aumenta consentendo alla pala principale di ridurre le sollecitazioni alla base diversamente inevitabili in tal modo consentendo alla pala per generatore eolico di poter operare in un campo di velocità del vento ampliato.
2. 2) Pala per generatore eolico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la collaborazione fra le due pale principale e secondarie avviene con una disposizione delle pale in cui detta pala secondaria è ospitata, quando retratta, all’interno di una cavità presente nella pala principale, che si estende longitudinalmente secondo una direzione sostanzialmente parallela all’asse R di detta pala principale e quando fuoriesce trasversalmente si sfila a cassetto da tale cavità.
3. 3) Pala per generatore eolico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la collaborazione fin le due pale principale e secondaria avviene con una disposizione delle pale in cui detta pala secondaria è esterna e si adagia contro una superficie anteriore o posteriore di detta pala principale spostandosi trasversalmente rispetto alla pala principale fissa fra due posizioni estreme a cui corrisponde la condizione alettone completamente fuoriuscito ed alettone rientrato.
4. 4) Pala per generatore eolico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la collaborazione fra le due pale principale e secondaria avviene con una disposizione delle pale in cui detta pala secondaria costituisce di fatto una porzione laterale della pala principale e lo spostamento relativo trasversale dell’alettone rispetto alla pala principale avviene secondo forme coniugate che collaborano fra loro in modo tale da aumentare la larghezza della pala principale.
5. 5) Pala per generatore eolico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di guida applicati a detto alettone per guidarne il proprio moto di fuoriuscita/rientro rispetto a detta pala fissa sono guide lineari ; 6) Pala per generatore eolico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di guida applicati a detto alettone per guidarne il proprio moto di fuoriuscita/rientro rispetto a detta pala fissa sono una cerniera ed l’alettone si apre a ventaglio quando fuoriesce. 7) Pala per generatore eolico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto mezzo attuatole è interno alla pala principale e presenta; almeno un’asta di comando con asse sostanzialmente parallelo all’asse della pala principale; opportune guide lineari applicate a detta asta; - una molla destinata a spingere detta asta verso il mozzo a cui è collegata la pala principale; - una massa, di opportune dimensioni, collegata a detta asta di comando, preferibilmente in corrispondenza della estremità esterna di tale asta; mezzi di trasformazione a cinematismo, rispettivamente collegati a detta asta di comando e detto alettone, destinati a trasformare il moto assiale dell’asta in moto trasversale dell’alettone ad essi collegato. detta molla spingendo l’asta di comando verso il mozzo, detta massa, per effetto di forza centrifuga che nasce dal moto rotatorio della pala, tira detta asta in fuori vincendo la forza di detta molla antagonista, detto cinematismo consentendo la condizione in cui ad asta retratta verso il mozzo corrisponde la condizione di alettone completamente filoriuscito mentre ad asta sfilata verso l’esterno corrisponde la condizione alettone rientrato; detto mezzo attuatore consentendo quando cresce la velocità del vento e quindi la velocità di rotazione delle pale, un rientro automatico e progressivo dell’alettone per effetto della crescente forza centrifuga agente su detta massa che vince la forza antagonista della molla e sfila l’asta di comando a cui è collegato l’alettone. 8) Mezzo attuatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che le caratteristica meccaniche di rigidezza e precarico della molla così come grandezza della massa rotazionale sono regolabili in tal modo consentendo di poter tarare la risposta dinamica del dispositivo a seconda delle specifiche applicazioni della pala. 9) Mezzo attuatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta asta di comando presenta una dedicata motorizzazione in sostituzione di detta molla e massa rotazionale. 10) Mezzi di trasformazione del moto secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzata dal fatto che il cinematismo è realizzato mediante un dispositivo del tipo pignone cremagliera in cui una prima cremagliera ancorata a detta asta di comando trasmette il moto ad ima seconda cremagliera collegata a detto alettone mediante un pignone folle fisso. 11) Mezzi di trasformazione del moto secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzata dal fatto che il cinematismo è realizzato mediante una dispositivo del tipo a camma in cui un nottolino ancorato a detta asta di comando scorre all’ interno di una scanalatura ricavata all’interno di detto alettone inclinata rispetto all’asse di moto di detta asta in modo tale che ad un movimento lineare radiale dell’asta corrisponde un movimento trasversale dell’alettone; 12) Mezzi di trasformazione del moto secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzata dal fatto che il cinematismo è realizzato mediante leverismo in cui almeno una coppia di bielle collegano l’asta e l’alettone in modo tale che ad un movimento lineare radiale dell’asta corrisponde un movimento trasversale dell’alettone.