ITMI20100143A1 - Impianto eolico - Google Patents

Description

DESCRIZ IONE

IMPIANTO EOLICO

La presente invenzione ha per oggetto impianto eolico del tipo precisato nel preambolo della prima rivendicazione.

In altre parole la presente invenzione concerne un impianto atto a trasformare l’energia cinetica del vento, detta energia eolica, in energia elettrica.

Negli ultimi anni si è riscontrata una sempre maggiore tendenza a creare energia elettrica sfruttando fonti alternative a quelle finora utilizzate, come ad esempio i combustibili fossili e l’energia nucleare. In particolare si stanno cercando di sfruttare l’energia solare, tramite pannelli fotovoltaici, e l’energia del vento, od eolica, tramite opportuni impianti.

Com’è noto, lo sfruttamento dell’energia eolica è realizzato tramite due tipologie di generatori: quelli ad asse verticale e quelli ad asse orizzontale.

I generatori ad asse verticale comprendono un rotore il quale è costituito da un’elica comprendente una pluralità di pale atte a ruotare intorno ad un asse verticale e perpendicolare alla direzione del vento. Questa tipologia d’impianto è caratterizzata dalla possibilità di sfruttare il vento indipendentemente dalla sua direzione senza la necessità di movimentare le pale.

Un caso particolare di questa tipologia d’impianti, caratterizzato da un rendimento maggiore, è rappresentato da una pala elicoidale avente asse di sviluppo verticale e coincidente con quello di rotazione.

Al contrario, i generatori ad asse orizzontale comprendono un rotore su cui è disposta una pluralità di pale le quali ruotano intorno ad un asse orizzontale. In particolare, a seconda della forma delle pale, il loro asse di rotazione deve essere parallelo o alternativamente perpendicolare alla direzione del vento.

In questo caso, per sfruttare il vento indipendentemente dalla sua direzione, il rotore deve essere in grado di ruotare adeguando l’asse di rotazione alla direzione del vento. Per questo motivo gli impianti eolici sono dotati di un dispositivo meccanico atto a consentire la rotazione del rotore e, quindi, dell’elica.

Infine, oltre al rotore ed alle pale, un impianto eolico comprende un trasformatore atto a trasformare in energia elettrica l’energia meccanica del vento raccolta dalle pale.

Tale dispositivo è posizionabile sia in prossimità del rotore che alla base della torre, in particolare, nel primo caso è necessario un cinematismo atto a trasportare l’energia meccanica dal rotore al trasformatore.

Infine, essendo i suddetti impianti caratterizzati da una potenza prodotta non elevata, si usa solitamente affiancare più impianti eolici. Tale pluralità di impianti è comunemente detta wind farm.

La tecnica nota sopra citata presenta alcuni importanti inconvenienti.

Sia negli impianti ad asse verticale sia in quelli ad asse orizzontale la potenza ed il rendimento sono non elevati e fortemente influenzati dal numero e dalla dimensioni delle pale.

In entrambi i casi, il rotore ha la necessità di essere disposto in posizione sopraelevata rispetto al suolo per questo motivo ciascun rotore è alloggiato sulla sommità di una torre.

La struttura dell’aerogeneratore eolico deve pertanto resistere alle forti oscillazioni ed alle elevate vibrazioni causate dalla pressione del vento sull’elica e sulla torre e necessita di un forte ancoraggio al terreno, il quale viene realizzato mediante fondamenta in cemento armato.

Un altro inconveniente è rappresentato dalle caratteristiche del vento necessarie alla produzione di energia. Infatti, tali impianti richiedono un vento con velocità non inferiore a 3 m/s e per questo motivo si cerca di porre il rotore ad un altezza maggiore possibile, ove tale condizione si presenta più facilmente e con maggiore continuità.

Alla necessità di avere un rotore sopraelevato si contrappongono le forti vibrazioni e tensioni a cui è soggetto a causa dell’azione del vento.

Pertanto, un impianto eolico di elevata altezza comporta un notevole aumento di costi dovuto alla necessita di creare una struttura più resistente ed in particolare della torre e delle fondamenta atte a sostenere non solo il peso della struttura, ma anche le suddette vibrazioni e forze dovute al vento.

Inoltre un impianto di elevata altezza ha un forte impatto ambientale sull’estetica del paesaggio. Quest’ultimo aspetto è aumentato dalla necessità di disporre una pluralità di impianti che porta ad un maggiore impatto visivo.

Tali impatto non si limita solo all’estetica del posto ma anche ai danni ambientali dovuti ai lavori di realizzazione dell’impianto che portano ad un deturpamento della flora.

Tale problema è di rilevante importanza. Basti pensare come la maggior parte di tali impianti non siano realizzati a causa di proteste degli abitanti o delle associazioni ambientaliste dovute all’elevato impatto dell’impianto.

Per questo motivo gli impianti eolici hanno solitamente un’altezza compresa tra i 60 m ed i 100m.

In questa situazione il compito tecnico alla base della presente invenzione è ideare un impianto eolico in grado di ovviare sostanzialmente agli inconvenienti citati.

Nell'ambito di detto compito tecnico è un importante scopo dell'invenzione in grado di posizionare il rotore ad altezze maggiori garantendo un rendimento ed una potenza maggiore a parità di dimensione e numero di pale.

Un altro importante scopo dell'invenzione è realizzare un impianto eolico di minore impatto visivo ed ambientale.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è realizzare un impianto di costo minore. Il compito tecnico e gli scopi specificati sono raggiunti da un impianto eolico come rivendicato nella annessa Rivendicazione 1.

Esecuzioni preferite sono evidenziate nelle sottorivendicazioni.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione sono di seguito chiariti dalla descrizione dettagliata di un’esecuzione preferita dell’invenzione, con riferimento agli uniti disegni, nei quali:

la Fig. 1 mostra una vista del dispositivo;

la Fig. 2 illustra un secondo dispositivo;

Con riferimento alle Figure citate, l’impianto eolico secondo l'invenzione è globalmente indicato con il numero 1.

Esso comprende almeno un rotore 2, atto a raccogliere il vento, un alternatore 3, atto a trasformare l’energia meccanica in energia elettrica, un sistema aerostatico di sostegno 4 atto a sostenere il rotore 2 in assenza di vento o durante la manutenzione, ed una vela 6 o, alternativamente, un aquilone atti a mantenere alla quota corretta tutto il sistema..

Il rotore 2, posizionato ad una determinata altezza da terra, comprende, in maniera nota, almeno un’elica 5. Inoltre, ciascun’elica 5 è costituita da almeno una pala 7 ed è atta a ruotare intorno ad un asse di rotazione 5a della suddetta elica 5. Preferibilmente il numero delle pale 7 è pari a due o, alternativamente, a tre.

Inoltre, il suddetto asse di rotazione 5a può alternativamente essere sia orizzontale sia verticale, ossia esso può essere sostanzialmente parallelo o perpendicolare al suolo.

Infine, in alcuni tipologie dell’impianto 1 può essere vantaggiosamente previsto uno stabilizzatore 11, come mostrato in Fig. 2, ossia una massa bilanciante atta ad evitare sbilanciamenti dell’elica 5 durante la rotazione dovuti al peso della stessa.

In particolare, le dimensioni, la geometria e il numero delle pale 7 dipendono dal tipo di vento che viene previsto nella zona in cui verrà posizionato l’impianto 1. Tale scelta è fatta in maniera da ottimizzare il rendimento dell’impianto, ossia da sfruttare la maggior quantità possibile dell’energia cinetica del vento e, contemporaneamente, da minimizzare le tensioni che agiscono sull’impianto 1 riducendone la vita.

L’alternatore 3 è, in maniera vantaggiosa, vincolato a terra e connesso al rotore tramite opportuni organi di trasmissione 8. In particolare tali organi 8 sono atti a trasmettere l’energia meccanica del rotore 2, dovuta alla rotazione dell’elica 5 ed all’alternatore 3.

Inoltre l’organo 8, collegando il rotore 2 all’alternatore 3, permette di ancorare a terra la parte dell’impianto 1 sopraelevata, la quale comprende il rotore 2, il sistema aerostatico di sostegno 4 e la vela 6, evitando che il vento la trascini via. Tale funzione può essere alternativamente svolta da ulteriori sostegni atti a vincolare la suddetta parte sopraelevata del dispositivo direttamente a terra.

Gli organi di trasmissione 8 possono vantaggiosamente comprendere almeno un cavo 8a il quale può essere direttamente connesso all’elica 5 e all’alternatore 3.

Inoltre, gli organi di trasmissione 8 comprendono preferibilmente opportuni cinematismi, come ad esempio ruote dentate,i atti a connettere il cavo 8a all’elica 5 ed all’alternatore 3 ed a garantire il passaggio del moto e, quindi, di energia dal rotore 2 all’alternatore 3.

Infine preferibilmente il cavo 8a è realizzato in materiale composito, comprendono una matrice polimerica ed un rinforzo in fibra aramidica, comunemente detto kevlar<®>o in altro materiale atto a svolgere le funzioni sopradescritte, come ad esempio acciaio, metallo od una particolare lega.

Inoltre, l’organo di trasmissione 8 e, in particolare, il cavo 8a hanno una lunghezza tale da permettere alle pale 7 di disporsi ad un’opportuna altezza da terra, così da permettere all’ elica 5 di essere soggetta ad un vento costante e di adeguata intensità. In particolare, tale lunghezza è superiore a 500 m, più in particolare essa è compresa tra 800 m e 1000 m.

Infine, l’organo di trasmissione 8 può vantaggiosamente comprendere almeno un giunto cardanico o altro elemento atto a permettere la trasmissione del moto tra il rotore 2 e l’alternatore 3 ed a consentire all’impianto 1 di adattarsi alle diverse posizioni assunte dal rotore 2 rispetto all’alternatore e dovute alle diverse direzioni del vento.

Il rotore 2 è mantenuto in posizione sopraelevata alla suddetta altezza rispetto a terra grazie al sistema aerostatico di sostegno 4 ed alla vela 6, il quale deve pertanto essere in grado di mantenere in tale posizione il rotore 2 sia quando il vento è presente sia in totale assenza di vento.

Tale sistema 4 è opportunamente vincolato direttamente o tramite mezzi di collegamento, come ad esempio corde e funi, al rotore 2 e, vantaggiosamente, può essere costituito da un aerostato 9

Al fine di massimizzare il rendimento dell’impianto 1, il sistema aerostatico di sostegno 4 è atto a variare l’orientamento dell’asse di rotazione 5a rispetto alla direzione del vento. In particolare il sistema 4 è atto a mantenere tale asse 5a nella corretta posizione rispetto alla suddetta direzione del vento.

Tale orientamento è preferibilmente ottenibile munendo l’aerostato 9 di almeno un’aletta 10 atta a movimentare, in base alla direzione del vento, lo stesso aerostato 9 e quindi il rotore 2.

Le alette 10 sono preferibilmente quattro disposte lungo la superficie esterna dello stesso aerostato 9.

In alternativa, il suddetto orientamento è ottenibile tramite una coda opportunamente conformata e vantaggiosamente disposta ad un estremità dell’aerostato 9.

In particolare la coda, indipendente o direttamente connessa all’aerostato 9, è collocata dalla parte opposta rispetto all’elica 5 e permette di ottenere la corretta angolazione, sia orizzontale sia verticale, rispetto alla direzione del vento. In aggiunta, il suddetto orientamento è ottenuto grazie alla vela 6 che, spinta dal vento, garantisce il corretto posizionamento dell’asse di rotazione 5a rispetto alla direzione del vento.

Inoltre, la suddetta vela 6 ha preferibilmente una forma tale da permettere all’impianto 1 di assorbire le eventuali turbolenze atmosferiche che potrebbero limitare l’efficienza dell’impianto 1 stesso o, addirittura, portare ad un suo danneggiamento.

In particolare, la forma della vela 6 è preferibilmente simile a quella nota del deltaplano o, in alternava del kite. Tali vele 6 sono infatti caratterizzate dalla possibilità di assorbire le forze e vibrazioni provocate dalle suddette turbolenze minimizzando le tensioni sul resto dell’impianto 1, ed in particolare del rotore 2 e dell’organo di trasmissione.

In particolari condizioni, dovute per esempio all’elevato peso del rotore 2, la vela 6 può essere di tipo gonfiabile, ossia può essere riempito di un particolare gas, come ad esempio elio, atto a garantire una maggiore capacità di sollevamento.

Infine le pale 7, la suddetta coda e le alette 10 sono preferibilmente realizzate in materiale composito ultraleggero o similare.

Inoltre l’impianto 1 e, in particolare, l’alternatore 3, sono vantaggiosamente connessi alla rete elettrica o ad una batteria atta ad accumulare l’energia prodotta.

Il suddetto impianto eolico 1 è tatto ad essere utilizzato in una wind farm, ossia almeno uno degli impianti che compongono la wind farm è del tipo sopra descritto.

Preferibilmente tutti gli impianti che costituiscono la wind farm sono del suddetto tipo.

Il funzionamento di un impianto eolico 1, sopra descritto in senso strutturale, è il seguente.

Il vento, grazie alle alette 10 ed alla vela 6, permette di orientare il rotore 2, ponendo nella giusta posizione l’asse 5a rispetto alla direzione del vento stesso. Inoltre, il vento, grazie alla vela 6, mantiene in quota il rotore 2 e ne modifica la posizione rispetto all’alternatore 3, provocando piccoli spostamenti relativi tra l’organo 8 e l’elica 5 e tra l’organo 8 e l’alternatore 3. Tali movimenti sono assorbiti o dall’organo di trasmissione 8 o dai cinematismi precedentemente descritti.

Contemporaneamente il vento, premendo sulle pale 7, determina la rotazione dell’elica 5 intorno all’asse 5a, permettendo, quindi, all’energia cinetica del vento di essere convertita in energia meccanica.

Tale energia è quindi trasmessa all’organo di trasmissione 8, il quale ruota e l’alternatore 3 che produce elettricità trasformando la suddetta energia meccanica in energia elettrica.

Infine l’energia elettrica prodotta dall’impianto 1 è inviata alla rete elettrica o ad una batteria.

L'invenzione consente importanti vantaggi.

Infatti l’impianto eolico 1 è di minore costo e di maggiore semplicità costruttiva. Un altro vantaggio è rappresentato dall’assenza della torre che determina un minore impatto dell’impianto sia dal punto di vista ambientale sia da quello visivo.

Inoltre l’assenza della torre e la possibilità di connettere il rotore 2 all’alternatore 3 tramite un cavo 8a consente di porre il rotore ad un’altezza non raggiungibile dai precedenti impianti.

Tale vantaggio è ottenibile grazie alla disposizione a terra del trasformatore 3 che permette di avere un rotore 2 più leggero rispetto a quelli noti.

Tale impianto è infatti in grado di raggiungere altezze superiori al chilometro che permettono, pertanto, di raggiungere zone atmosferiche caratterizzate da un vento che praticamente è sempre presente e ed ha un’intensità maggiore rispetto a quello proprio di zone atmosferiche caratterizzate da una minore altezza da terra.

La possibilità di raggiungere altezze più elevate garantisce pertanto una maggiore potenza prodotta a parità di dimensioni dell’elica 5.

Un ulteriore vantaggio è dovuto ai minori sforzi cui è soggetto l’impianto 1. Infatti l’assenza della torre fa sì che l’azione del vento sia di minore intensità e che quindi gli sforzi da esso applicati all’impianto 1 siano inferiori.

Pertanto l’impianto è atto a supportare venti di velocità superiori a quelle sostenute dagli impianti noti garantendo una maggiore produzione a parità di dimensione dell’elica 5.

L'invenzione è suscettibile di varianti rientranti nell'ambito del concetto inventivo. Tutti i dettagli sono sostituibili da elementi equivalenti ed i materiali, le forme e le dimensioni possono essere qualsiasi.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto eolico (1) atto a trasformare l’energia cinetica del vento in energia elettrica comprendente almeno un rotore (2) comprendente almeno un’elica (5), atta ad essere movimentata da detto vento definendo un asse di rotazione di detto rotore (5a) un alternatore (3) atto a trasformare detta rotazione di detto rotore (2) in energia elettrica yn sistema aerostatico di sostegno (4) atto a sostenere almeno detto rotore (2) ad un’opportuna altezza da terra, caratterizzato dal fatto che detto alternatore (3) è sostanzialmente posizionato a terra e dal fatto di comprendere organi di trasmissione (8) atti a trasmettere l’energia rotazionale di detto rotore (2) a detto alternatore (3).
2. 2. Impianto eolico (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti organi di trasmissione (8) comprendono un cavo (8a) atto a trasmettere il moto da detta elica (5) a detto alternatore (3).
3. 3. Impianto eolico (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detto cavo (8a) è in materiale composito comprendente fibra aramidica.
4. 4. Impianto eolico (1) secondo una o più delle rivendicazioni, in cui detto sistema aerostatico (4) comprende elementi di orientazione atti ad adattare la posizione di detto asse di rotazione (5a) alla direzione di detto vento.
5. 5. Impianto eolico (1) secondo una o più delle rivendicazioni, in cui detto sistema aerostatico (8) comprende un aerostato (9) atto a mantenere detto rotore in posizione sollevata rispetto a terra.
6. 6. Impianto eolico (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente una vela (6) atta a orientare detto asse (5a) e a tenere detto rotore in posizione sollevata rispetto a terra.
7. 7. Impianto eolico (1) secondo la rivendicazione 6, in cui detta vela (6) ha forma tale da permettere di assorbire eventuali turbolenze atmosferiche.
8. 8. Impianto eolico (1) secondo le rivendicazioni 6-7, in cui detta vela (6) è di tipo gonfiabile tramite un gas atto a migliore la capacità di sollevamento di detta vela (6).
9. 9. Impianto eolico (1) secondo le rivendicazioni 6-7, in cui dettao gas è elio.
10. 10. Wind farm comprendente almeno un impianto eolico (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.