ITMI20100522A1

ITMI20100522A1 - WIND POWER PLANT WITH VERTICAL AXIS.

Info

Publication number: ITMI20100522A1
Application number: IT000522A
Authority: IT
Inventors: Federico Canessa
Original assignee: Federico Canessa
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-01

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

dell'invenzione industriale avente per titolo: of the industrial invention entitled:

“Impianto eolico ad asse verticale” "Vertical axis wind power plant"

La presente invenzione concerne un impianto eolico ad asse verticale. The present invention relates to a vertical axis wind power plant.

In particolare ci si riferisce ad un impianto eolico per la produzione di corrente elettrica. In particular, it refers to a wind power plant for the production of electricity.

Sono ampiamente conosciuti generatori eolici, sia ad asse verticale, sia ad asse orizzontale, divenuti, particolarmente questi ultimi, una vista riconoscibilissima nel panorama. Sono ben noti i modelli a pale con eliche a profili di derivazione aeronautica, modelli considerati di punta nella tecnologia; l’elica è montata folle su un traliccio, normalmente di considerevole altezza, ed è posta in rotazione dal regime di venti locale. Solitamente detti generatori servono il consumo elettrico di nuclei abitativi prossimi alla loro sede. Per farlo necessitano di un regime di venti particolare, che non scenda sotto certi valori di velocità, oltre i quali l’impianto si ferma, e non superi altri valori, oltre i quali l’impianto viene messo “in bandiera” (in posizione di azioni aerodinamiche minime rispetto al vento) per evitare che si danneggi in vento forte. E’ perciò evidente che fuori da una banda d’uso di velocità del vento, compresa tra questi estremi, l’impianto non può essere produttivo. Wind generators are widely known, both with vertical axis and with horizontal axis, which have become, particularly the latter, a very recognizable sight in the panorama. The blade models with aeronautical profile propellers are well known, models considered to be at the cutting edge of technology; the propeller is mounted idle on a trellis, normally of considerable height, and is set in rotation by the local wind regime. Usually these generators serve the electricity consumption of residential areas close to their headquarters. To do this, they need a particular wind regime, which does not drop below certain speed values, beyond which the system stops, and does not exceed other values, beyond which the system is "flagged" (in the minimum aerodynamic actions with respect to the wind) to prevent damage in strong wind. It is therefore evident that outside a wind speed band of use, included between these extremes, the plant cannot be productive.

Per installarli ed ottenere un funzionamento opportunamente efficiente è perciò necessario uno studio preventivo ed accurato del regime di venti locali. Questo naturalmente porta ad escludere molte località con regimi di vento irregolari, cioè molto variabili, che pure beneficerebbero di questo servizio, perché la spesa dell’impianto non è giustificata dalla sua resa. To install them and obtain a suitably efficient operation, a preventive and accurate study of the local wind regime is therefore necessary. This naturally leads to the exclusion of many locations with irregular wind regimes, that is very variable, which would also benefit from this service, because the cost of the system is not justified by its yield.

I generatori eolici a pale ad asse orizzontale di attuale diffusione, per quanto tecnologicamente avanzati, non offrono una estesa capacità di riconfigurazione e funzionano bene soprattutto in regimi di vento relativamente costante. The current widespread horizontal axis blade wind turbines, although technologically advanced, do not offer extensive reconfiguration capacity and work well especially in relatively constant wind regimes.

Si tenga inoltre presente che la scelta dell’asse orizzontale è in qualche modo più limitante nelle dimensioni delle pale rispetto alla scelta dell’asse verticale. It should also be borne in mind that the choice of the horizontal axis is somewhat more limiting in the dimensions of the blades than the choice of the vertical axis.

A questo riguardo esistono impianti eolici ad asse verticale di configurazione più o meno modificabile, ma nessuno soddisfa alle caratteristiche di ampia riconfigurabilità auspicate dal richiedente. In this regard, there are vertical axis wind farms with a more or less modifiable configuration, but none satisfies the characteristics of wide reconfigurability desired by the applicant.

E’ nata perciò l’esigenza di un impianto eolico che sfiniti un regime di venti ampiamente irregolare e che possa ambientarsi attraverso una progettazione specifica sia di dimensionamento che di colorazione (a seconda della struttura utilizzata di alluminio o VTR e carbonio che della tela della velatura: chiara, colorata, trasparente). Therefore, the need arose for a wind power plant that exhausted a widely irregular wind regime and that could acclimatise through a specific design both in terms of sizing and coloring (depending on the aluminum or fiberglass and carbon structure used and the sails cloth). : clear, colored, transparent).

In considerazione dello stato della tecnica lo scopo della presente invenzione è quindi quello di ovviare agli inconvenienti anzidetti, proponendo un impianto eolico che offra un’ampia capacità di riconfigurazione della superficie di lavoro In consideration of the state of the art, the aim of the present invention is therefore to obviate the aforementioned drawbacks, by proposing a wind power plant that offers a large capacity to reconfigure the work surface

In accordo con l’invenzione tale scopo è raggiunto con un impianto eolico rotante attorno ad un asse verticale, detto impianto essendo dotato di almeno un generatore di corrente elettrica associato alla sua rotazione, caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura a gabbia cilindrica che prevede una pluralità di alberi verticali con associata una pluralità di vele di tipo nautico avvolgibili attorno a detti alberi, un mozzo centrale solidale alla struttura a gabbia e libero di ruotare attorno all’asse verticale per la produzione di corrente elettrica, mezzi per la rotazione della struttura attorno all’asse verticale, ed un’unità di controllo atta a comandare mezzi per lo svolgersi e riavvolgersi delle vele in funzione del vento. In accordance with the invention, this object is achieved with a wind power plant rotating around a vertical axis, said plant being equipped with at least one electric current generator associated with its rotation, characterized in that it comprises a cylindrical cage structure which provides a plurality of vertical masts associated with a plurality of nautical-type sails that can be rolled up around said masts, a central hub integral with the cage structure and free to rotate around the vertical axis for the production of electric current, means for rotating the structure around to the vertical axis, and a control unit capable of controlling means for unwinding and rewinding the sails according to the wind.

Vantaggiosamente il generatore di corrente è posizionato al centro, in corrispondenza dell’asse di rotazione. Advantageously, the current generator is positioned in the center, in correspondence with the rotation axis.

Altrettanto vantaggiosamente F impianto è azionato e controllato da uno o più anemometri che, attraverso un software studiato appositamente, invia dei dati a degli avvolgitori meccanici (molle) o elettrici che aprono o chiudono le vele a seconda della direzione e dell’intensità del vento. Equally advantageously, the system is operated and controlled by one or more anemometers which, through a specially designed software, sends data to mechanical (spring) or electric winders that open or close the sails depending on the direction and intensity of the wind.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di suoi esempi di realizzazione pratica illustrati a titolo non limitativo negli uniti disegni, in cui: These and other characteristics of the present invention will be made more evident by the following detailed description of its practical embodiment examples illustrated by way of non-limiting purposes in the accompanying drawings, in which:

la figura 1 mostra una vista prospettica dall’alto di un impianto eolico ad asse verticale secondo l’invenzione, a cui sono state rimosse delle vele, per chiarezza; Figure 1 shows a perspective view from above of a vertical axis wind power plant according to the invention, to which sails have been removed, for clarity;

la figura 2 mostra una vista prospettica dal basso di figura 1 con tre vele su tre alberi principali; Figure 2 shows a bottom perspective view of Figure 1 with three sails on three main masts;

la figura 3 mostra una vista laterale schematica di una vela con ruota sotto l’albero principale; Figure 3 shows a schematic side view of a sail with a wheel under the main mast;

la figura 4 mostra una vista frontale schematica di una vela con ruota sotto l’albero principale; Figure 4 shows a schematic front view of a sail with a wheel under the main mast;

la figura 5 mostra una vista in sezione trasversale di una seconda forma realizzativa per gli alberi dell’ impianto; Figure 5 shows a cross-sectional view of a second embodiment for the plant shafts;

la figura 6 mostra una vista in esploso di una ulteriore forma realizzativa di un arganetto elettrico associato alla vela; figure 6 shows an exploded view of a further embodiment of an electric winch associated with the sail;

la figura 7 mostra una schematizzazione della configurazione delle vele rispetto alla direzione del vento. Figure 7 shows a schematic diagram of the configuration of the sails with respect to the wind direction.

Con riferimento alle figure allegate, ed in particolare alla figura 1 si nota un impianto eolico o giostra 1 rotante attorno ad un asse verticale 2. L’impianto 1 è dotato di generatore di corrente elettrica 3 associato alla sua rotazione. With reference to the attached figures, and in particular to figure 1, we note a wind turbine or carousel 1 rotating around a vertical axis 2. The system 1 is equipped with an electric current generator 3 associated with its rotation.

L’impianto comprende una struttura 4 a gabbia cilindrica con associate una pluralità di vele 5 di tipo nautico; in figura 1 si notano quarantotto alberi principali 6 privati delle vele 5 ad essi associate, per chiarezza; le vele 5 sono visibili alle figure 2, 3, 4 e 6; si notano inoltre alberi principali 6 verticali associati alla struttura 4 a gabbia, e detti alberi principali 6 sono in configurazione reciproca tale che attorno a detti alberi 6 le vele 5 possono essere avvolte e svolte. The plant includes a cylindrical cage structure 4 associated with a plurality of nautical-type sails 5; Figure 1 shows forty-eight main masts 6 deprived of the sails 5 associated with them, for the sake of clarity; the sails 5 are visible in figures 2, 3, 4 and 6; furthermore, vertical main shafts 6 associated with the cage structure 4 are noted, and said main shafts 6 are in a reciprocal configuration such that the sails 5 can be wrapped and unwound around said shafts 6.

Detti alberi 6 collegano rigidamente un anello inferiore di base 41 con un anello superiore 42 a formare detta griglia cilindrica 4; la distanza tra due alberi consecutivi è la stessa, a definire quindi un passo costante lungo detti anelli 41, 42. Said shafts 6 rigidly connect a lower base ring 41 with an upper ring 42 to form said cylindrical grid 4; the distance between two consecutive shafts is the same, thus defining a constant pitch along said rings 41, 42.

L’impianto 1 comprende inoltre un mozzo centrale 7 girevole attorno ad un perno non raffigurato solidale al suolo; il mozzo 7 è associato alla struttura 4 a gabbia tramite tiranti 71 ed è libero di ruotare attorno all’asse verticale 2 per la produzione di corrente elettrica. The plant 1 also includes a central hub 7 rotating around a pin not shown integral with the ground; the hub 7 is associated with the cage structure 4 by means of tie rods 71 and is free to rotate around the vertical axis 2 for the production of electric current.

Vantaggiosamente il generatore di corrente elettrica 3 è associato al mozzo 7. L’impianto 1 include inoltre mezzi 8, 9, 10 per consentire la rotazione della struttura 4 attorno all’asse verticale 2, e mezzi 11, 12 per regolare lo svolgersi e riavvolgersi delle vele 5. Advantageously, the electric current generator 3 is associated with the hub 7. The system 1 also includes means 8, 9, 10 to allow the rotation of the structure 4 around the vertical axis 2, and means 11, 12 to regulate the unwinding and rewinding of the sails 5.

Vantaggiosamente i mezzi 8, 9 per consentire la rotazione includono un binario circolare 8 fissato al suolo con centro nel mozzo 7 e di dimensioni opportune ad alloggiare la base circolare 41 della struttura 4, e ruote 9 poste sotto detta base 41 adatte a cooperare con i binari 8 per la rotazione della struttura 4 attorno all’asse verticale 2. Advantageously, the means 8, 9 for allowing rotation include a circular track 8 fixed to the ground with a center in the hub 7 and of suitable dimensions to house the circular base 41 of the structure 4, and wheels 9 placed under said base 41 suitable for cooperating with the tracks 8 for the rotation of the structure 4 around the vertical axis 2.

Vantaggiosamente i mezzi 11, 12 per regolare lo svolgersi e ravvolgersi delle vele 5 comprendono cime 11 ed elementi 12 di tensionamento e rilascio delle cime 11 adatti a regolare le cime 11, e dette cime 11 sono solidali per un estremo alle vele 5 e per l’altro agli elementi 12 di tensionamento. Advantageously, the means 11, 12 for adjusting the unwinding and rolling up of the sails 5 comprise ropes 11 and elements 12 for tensioning and releasing the ropes 11 suitable for regulating the ropes 11, and said ropes 11 are integral for one end to the sails 5 and for the other to the tensioning elements 12.

Vantaggiosamente gli elementi 12 di tensionamento e rilascio delle cime 11 di una vela 5 sono, in una forma realizzativa dell’impianto 1, arganetti elettrici 12 (figure 5 e 6). Advantageously, the elements 12 for tensioning and releasing the tops 11 of a sail 5 are, in one embodiment of the system 1, electric winches 12 (Figures 5 and 6).

Si noti in figura 2, in modo schematico, che gli arganetti elettrici 12 sono fissati all’albero principale 6 che segue l’albero 6 a cui è avvolta la vela 5. Note in figure 2, schematically, that the electric winches 12 are fixed to the main shaft 6 which follows the shaft 6 to which the sail 5 is wound.

In alternativa, in una diversa forma di realizzazione, gli arganetti elettrici 12 sono fissati ad alberi ausiliari 13 (figure 5 e 6) posti davanti all’albero principale 6 che segue l’albero principale 6 a cui è avvolta la vela 5. Alternatively, in a different embodiment, the electric winches 12 are fixed to auxiliary shafts 13 (Figures 5 and 6) placed in front of the main shaft 6 which follows the main shaft 6 to which the sail 5 is wound.

Vantaggiosamente, in una ulteriore forma di realizzazione gli alberi ausiliari 13 hanno una carenatura 14 (figura 5) che racchiude anche l’albero principale 6. La carenatura offre un profilo al vento con minore resistenza rispetto a due alberi (principale ed ausiliario) posti uno in fronte all’altro. Advantageously, in a further embodiment the auxiliary shafts 13 have a fairing 14 (Figure 5) which also encloses the main shaft 6. The fairing offers a wind profile with less resistance than two shafts (main and auxiliary) placed one facing each other.

Vantaggiosamente gli alberi principali 6 sono dotati di un cuscinetto a molla 15 per il riavvolgimento della vela 5 attorno all’albero principale 6. Advantageously, the main shafts 6 are equipped with a spring bearing 15 for rewinding the sail 5 around the main shaft 6.

Un’unità di controllo centrale 100 (non raffigurata) aziona i mezzi 11, 12 per regolare lo svolgersi e riavvolgersi delle vele 5 in funzione delle caratteristiche del vento rilevate tramite anemometri od altri strumenti noti, e della posizione della vela 5 nella giostra 1. A central control unit 100 (not shown) operates the means 11, 12 to adjust the unwinding and rewinding of the sails 5 according to the characteristics of the wind detected by anemometers or other known instruments, and the position of the sail 5 in the carousel 1.

Lo svolgimento e l’avvolgimento delle vele 5 sugli alberi principali 6 a seconda del loro orientamento rispetto al vento 17 ha lo scopo di massimizzare le forze che contribuiscono a generare momento attorno all’asse verticale 2 dell’impianto, e quindi corrente elettrica tramite il generatore 3. The unwinding and winding of the sails 5 on the main masts 6 according to their orientation with respect to the wind 17 has the purpose of maximizing the forces that contribute to generating moment around the vertical axis 2 of the system, and therefore electric current through the generator 3.

Funzionalmente, con riferimento alla figura 7, dato un vento reale 17 e partendo da uno stato di giostra 1 ferma, per avviare ad esempio una rotazione antioraria 21 è necessario iniziare a svolgere le vele 5 che per prime incontrano il vento 17 nella direzione di rotazione scelta (la giostra 1 può ruotare equivalentemente nei due versi in funzione dell’apertura delle vele 5). L’entità di svolgimento della prima vela 5’ avverrà in funzione dell’intensità e della direzione del vento in accordo con quanto registrato dall’unità centrale 100 tramite noti anemometri: se il vento è forte basterà una limitata superficie velica, altrimenti l’unità 100 comanderà l’apertura massima della vela 5 agendo sull’arganetto 12. Functionally, with reference to figure 7, given a true wind 17 and starting from a stationary carousel 1, for example to start a counterclockwise rotation 21 it is necessary to start unwinding the sails 5 which first meet the wind 17 in the direction of rotation choice (the carousel 1 can rotate equivalently in both directions according to the opening of the sails 5). The extent of unwinding of the first sail 5 'will take place as a function of the intensity and direction of the wind in accordance with what is recorded by the central unit 100 through known anemometers: if the wind is strong, a limited sail area will suffice, otherwise the unit 100 will command the maximum opening of the sail 5 by acting on the winch 12.

In sostanza, in termini nautici, l’unità di controllo 100 comanda quanto “lascare” e quanto “cazzare” la vela in funzione del vento 17 rilevato dall’anemometro. Basically, in nautical terms, the control unit 100 commands how much to "let" and how much to "fuck" the sail according to the wind 17 detected by the anemometer.

Ritornando all’esempio non limitativo mostrato in figura 7, successivamente alla vela 5’ si apriranno la vela 5”, la vela 5”’ fino all’ultima vela 5 precedente detta prima vela 5’. Returning to the non-limiting example shown in figure 7, after sail 5 ', sail 5 "will open, sail 5"' up to the last sail 5 preceding said first sail 5 '.

Per l’avvio è sufficiente l’apertura delle prime vele 5, le successive aprendosi già con la giostra 1 in rotazione. To start, the opening of the first sails 5 is sufficient, the following ones already opening with the carousel 1 in rotation.

Si noti che dopo circa un quarto di giro, le porzioni di vela 5 sopravento e sottovento si invertono: in un punto Gl la vela 5 infatti è parallela alla direzione del vento 17. Note that after about a quarter of a turn, the upwind and leeward portions of sail 5 are inverted: in a point Gl the sail 5 is in fact parallel to the direction of the wind 17.

La giostra 1 presenta una zona compresa tra G2 e G3 sostanzialmente inefficacie, che non contribuisce in modo significativo alla propulsione rotativa. The carousel 1 has a substantially ineffective zone between G2 and G3, which does not significantly contribute to the rotary propulsion.

Infine, nell’ultimo quarto abbondante di giostra 1, tra G3 e G0, secondo principi noti della fisica, la spinta alla rotazione è determinata dalla configurazione di bolina in cui si trovano le vele 5. Secondo lo stesso principio che permette alle barche a vela di muoversi contro-vento, nella parte di vela sottovento si crea una depressione rispetto alla parte sopravento che determina una spinta della giostra 1 contro la direzione del vento ovvero nel verso di rotazione antioraria 21 come riportato nella figura 7. Ciò è dovuto al percorso più lungo dell’aria sottovento che sopravento che genera un “risucchio” responsabile di detto moto controvento. Finally, in the last abundant quarter of carousel 1, between G3 and G0, according to known principles of physics, the thrust to rotation is determined by the upwind configuration in which the sails 5 are located. According to the same principle that allows sailing boats to move against the wind, in the leeward part of the sail a depression is created with respect to the windward part which causes a thrust of the carousel 1 against the direction of the wind or in the direction of anticlockwise rotation 21 as shown in figure 7. This is due to the longer path along the leeward and upwind air that generates a "suction" responsible for said upwind motion.

L’unità di controllo 100 che aziona le cime 11 e gli arganetti 12 svolge un ruolo essenziale, perché ottimizza Γ apertura delle vele 5 in funzione del vento e della posizione della vela. In ogni sezione/spicchio S della giostra 1 le vele 5 sono aperte in modo ottimale. La giostra 1 quindi gira con la massima efficienza. The control unit 100 that operates the ropes 11 and the winches 12 plays an essential role, because it optimizes the opening of the sails 5 according to the wind and the position of the sail. In each section / segment S of the carousel 1 the sails 5 are open in an optimal way. The carousel 1 then rotates with maximum efficiency.

Con mezzi noti, per esempio un inverter nel mozzo 7, la rotazione reciproca tra parti del generatore 3 solidali al mozzo 7 e parti solidali al suolo può produrre sia corrente continua che alternata. With known means, for example an inverter in the hub 7, the reciprocal rotation between parts of the generator 3 integral with the hub 7 and parts integral with the ground can produce both direct and alternating current.

La struttura a gabbia cilindrica 4 può anch’essa essere costruita in modi noti, ed ha anche lo scopo di configurare la posizione reciproca delle vele e alloggiare mezzi 8, 9 per consentire la rotazione della struttura 4 attorno all’asse verticale 2 ed i mezzi 11, 12 per regolare lo svolgersi e riavvolgersi delle vele 5. The cylindrical cage structure 4 can also be constructed in known ways, and also has the purpose of configuring the mutual position of the sails and housing means 8, 9 to allow the rotation of the structure 4 around the vertical axis 2 and the means 11, 12 to regulate the unwinding and rewinding of the sails 5.

La particolarità della scelta di vele 5 di tipo nautico è che reagiscono sin da velocità molto basse del vento relativo e fino a velocità molto sostenute dello stesso, e per farlo sono ampiamente dotate di capacità di riconfigurazione relativamente rapida grazie alla superficie resistente al vento che è selezionabile mediante svolgimento e riavvolgimento, come descritto, tramite gli arganetti elettrici 12. The peculiarity of the choice of nautical-type 5 sails is that they react from very low relative wind speeds and up to very high speeds of the same, and to do so they are amply equipped with relatively rapid reconfiguration capacity thanks to the wind-resistant surface that is selectable by unwinding and rewinding, as described, by means of the electric winches 12.

L’unità di controllo massimizza, agendo sugli arganetti 12 che contrastano il riavvolgimento della vela sul cuscinetto a molla 15, la produzione di energia elettrica. The control unit maximizes, by acting on the winches 12 which oppose the rewinding of the sail on the spring bearing 15, the production of electricity.

Claims

CLAIMS 1. Wind power plant (1) rotating around a vertical axis (2), said plant (1) being equipped with at least one electric current generator (3) associated with its rotation, characterized in that it comprises a structure (4) with cylindrical cage which provides a plurality of vertical masts (6) associated with a plurality of nautical-type sails (5) that can be rolled up around said masts (6), a central hub (7) integral with the cage structure (4) and free of rotate around the vertical axis (2) for the production of electric current, means (8, 9) for the rotation of the structure (4) around the vertical axis (2), and a control unit (100) suitable for controlling means (11, 12) for unwinding and rewinding the sails (5) according to the wind (17).

2. Plant according to claim 1, characterized in that said structure (4) provides a lower ring (41) and an upper ring (42) rigidly connected by said vertical shafts (6).

3. Plant (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the means for allowing rotation include a circular track (8) fixed to the ground with a center in the hub (7) and of suitable dimensions to house the circular base ( 41) of the structure (4), and wheels (9) placed under said base (41) and adapted to cooperate with the tracks (8) for the rotation of the structure (4) around the vertical axis (2).

System (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the means for adjusting the unwinding and rewinding of the sails (5) comprise lines (11) and elements (12) for tensioning and releasing the lines (11) suitable to adjust the ropes (11), said ropes (11) being integral for one end to the sails (5) and for the other to the tensioning elements (12).

5. Plant (1) according to claim 4, characterized in that the elements for tensioning and releasing the lines (11) of a sail (5) are electric winches (12).

6. System (1) according to claim 5, characterized by the fact that the electric winches (12) are fixed to the shaft (6) that follows the shaft (6) around which the sail (5) is wound.

7. Plant (1) according to claim 6, characterized in that the electric winches (12) are fixed to auxiliary shafts (13) placed in front of the shaft (6) which follows the shaft (6) around which the sail (5).

8. Plant (1) according to claim 5, 6, 7, characterized in that the shafts (6) are equipped with a spring bearing (15) for rewinding the sail (5) around the main shaft (6) .