ITMI20101889A1 - Generatore eolico mediante deformazione di almeno un condensatore elastomerico - Google Patents

Description

Descrizione

GENERATORE EOLICO MEDIANTE DEFORMAZIONE DI ALMENO UN CONDENSATORE ELASTOMERICO

Campo dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un generatore eolico mediante deformazione di almeno un condensatore elastomerico.

Stato della tecnica

La tecnologia dei condensatori elastomerici à ̈ nota e sviluppata per la realizzazione di attuatori definiti muscoli artificiali, che trasformano cioà ̈ l’energia elettrica in energia meccanica

Un condensatore elastomerico à ̈ costituito da un dielettrico elastomerico, in grado cioà ̈ di deformarsi se sottoposto a sforzo meccanico, ricoperto su due facce da un materiale conduttore in grado di seguire le deformazioni meccaniche dell’elastomero.

Se tale condensatore viene caricato elettricamente durante la fase di deformazione, l’energia elettrica disponibile al termine della fase di deformazione à ̈ maggiore di quella occorsa per caricare il condensatore, in quanto l’energia meccanica accumulata durante la deformazione à ̈ trasformata in energia elettrica.

Il documento PCT/US2007/008572 entra nel merito di tale principio.

Si può dimostrare che il guadagno energetico percentuale à ̈ direttamente proporzionale all’entità percentuale della deformazione.

Purtroppo, però, la generazione eolica mediante condensatori elastomerici non risulta sufficientemente approfondita tale da consentire la realizzazione di un generatore eolico concreto e funzionante.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un generatore eolico che sfrutta il suddetto fenomeno di conversione dell’energia meccanica in energia elettrica, quando la deformazione meccanica à ̈ impressa dal vento, fornendo precise indicazioni e parametri costruttivi di un generatore concretamente funzionante.

E’ oggetto della presente invenzione un generatore eolico mediante deformazione di almeno un condensatore elastomerico, conformemente alla rivendicazione 1.

La presente innovazione consente di sviluppare concretamente una nuova categoria di generatori eolici che almeno per applicazioni di piccola/media potenza (1 - 10 kW) non necessitano di impiantistica di grandi dimensioni quale quella necessaria per gli usuali generatori eolici a pale rotanti e con una conversione efficiente di energia meccanica in energia elettrica.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell'invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un generatore eolico mediante condensatore elastomerico, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una configurazione preferita del generatore secondo l’invenzione,

la Fig. 2 rappresenta un’altra configurazione preferita del generatore secondo l'invenzione,

la Fig. 3 rappresenta un andamento della capacità di un componente del generatore di figura 1 a causa delle deformazioni indotte su detto componente per azione del vento.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione

Il generatore della presente invenzione può comprendere uno o più nastri di materiale elastomerico ricoperto sulle relative due facce da un materiale conduttore a definire un condensatore elastomerico e fissato alle estremità in modo da rimanere disteso.

L’azione del vento determina vibrazioni e oscillazioni nel nastro che viene indotto ad alterne fasi di estensione e contrazione.

Poiché detto(/i) nastro/i definiscono un condensatore elastomerico risulta possibile produrre energia elettrica da esso.

I nastri di materiale elastomerico possono essere per esempio:

- materiale dielettrico costituito da un nastro acrilico ricoperto da un grasso conduttore caricato al carbone, oppure

- materiale dielettrico costituito da un nastro siliconico ricoperto da due strati di materiale siliconico conduttore.

Vantaggiosamente, la prima tipologia risulta nota e disponibile sul mercato. II generatore, secondo tre varianti preferite dell'invenzione, comprende: - un nastro N definente un condensatore elastomerico fissato stabilmente alle due estremità opposte (variante non rappresentata), oppure

- un nastro N definente un condensatore elastomerico fissato stabilmente alle due estremità opposte e avente una banderuola B collegata nella mezzeria del nastro in modo che il piano di sviluppo della banderuola giace in un medesimo piano di giacitura del nastro, vedi figura 1,

- due nastri paralleli N ed N’, ciascuno definente un condensatore elastomerico fissato stabilmente alle due estremità opposte e una banderuola B connessa per due bordi opposti, rispettivamente e preferibilmente, alle mezzerie dei nastri, analogamente alla variante precedente, vedi figura 2.

Le estremità del/dei nastro/i possono essere fissate per esempio ad una coppia di elementi di supporto S che mantengono lo sviluppo del/dei nastri trasversale alla direzione del vento con le facce parallele alla una direzione del vento.

La banderuola, in entrambi i casi à ̈ fissata ai nastri per uno spigolo. Può essere previsto un collegamento tra banderuola e nastro N mediante una parziale sovrapposizione tra essi attaccando tra loro le superfici in contatto. In questo modo, l’azione della banderuola, mossa dal vento, si ripercuote con maggiore efficacia sul nastro.

In particolare, nel caso di due o più nastri, essi sono paralleli tra loro e disposti in modo da appartenere ad un medesimo piano.

Quando il vento investe il nastro oppure i/il nastri/o e la banderuola assieme, l'interazione con il fluido provoca un moto periodico del/dei nastri. Dunque, la deformazione indotta nei condensatori elastomerici passa da uno stato di massima deformazione ad uno di completo rilassamento.

La banderuola sotto l’azione del vento tende a sollevarsi e ad abbassarsi inducendo nel/nei nastro allungamenti e torsioni.

La banderuola può essere associata ai nastri anche in modi differenti in modo da privilegiare nel nastro sollecitazioni di torsione o di allungamento. Si preferisce che una porzione di estremità di una superficie della banderuola B à ̈ attaccata ad una faccia del primo nastro N. Nel caso di due nastri, due porzioni opposte di estremità, per esempio, di una medesima faccia sono connesse ai due nastri paralleli, nelle rispettive mezzerie.

La prima variante, a singolo nastro e priva di banderuola, presenta una bassa efficienza e un moto irregolare e di piccola ampiezza. Può trovare, però, applicazione in semplici dispositivi.

Le configurazioni comprendenti la banderuola risultano più efficienti, portando a deformazioni sino al 10% del/dei nastri con un vento di circa 3 m/s.

Si preferisce che la massa della banderuola, posizionata al centro del nastro sia almeno pari a 10 volte la massa del nastro, in modo da aumentarne la deformazione in modo significativo.

Secondo una variante preferita dell’invenzione, allo scopo di massimizzare la deformazione del nastro, si preferisce che:

- la banderuola abbia un lunghezza secondo la direzione del vento Lu pari a circa 1 .5 -2 volte la larghezza Ln del nastro

- la banderuola abbia una larghezza La pari al massimo ad 1/3 della lunghezza del nastro

- la banderuola sia costituita da un materiale di densità piccola, preferibilmente dell’ordine di 1 g/cm3 e semi-rigido,

- una massa sia aggiunta e posizionata al centro del nastro: tale massa abbia almeno 20-30 volte la massa totale dell'insieme nastro e banderuola, - il nastro, preferibilmente, à ̈ pre-stressato per ottenere un allungamento rispetto alla lunghezza iniziale, cioà ̈ a riposo, pari al 10-30 %, poiché un allungamento minore rende il sistema instabile con venti a velocità inferiore, mentre un allungamento maggiore lo rende instabile a velocità maggiori, - il nastro ha preferibilmente un coefficiente elastico compreso tra 1 e 30 N/m, con un valore ottimale di 10 in condizioni operative, cioà ̈ con il prestress già applicato.

Vantaggiosamente, tale valore di coefficiente elastico provoca la massima elongazione con una velocità del vento pari a circa 6 m/s.

Dalle prove effettuate risulta che il coefficiente elastico debba essere ottimizzato in funzione della velocità del fluido. In particolare, per velocità del vento crescenti, il coefficiente elastico deve essere incrementato.

Secondo una ulteriore variante, lo stress applicato al nastro può essere applicato mediante un apposito sistema elettromeccanico atto a regolare lo stress applicato al nastro in relazione alla velocità del vento che può essere misurata, per esempio, mediante un anemometro, oppure ricavata dall’analisi in tempo reale del segnale di tensione prodotto dal generatore. La banderuola può essere rigida o semirigida e può presentare un profilo piano oppure un profilo alare, in modo da indurre la massima sollecitazione possibile sugli elementi elastomerici già a partire da modeste velocità del vento.

In Figura 3 à ̈ riportata la traccia ricavata con un oscilloscopio digitale dell'incremento della capacità del condensatore in seguito alla deformazione indotta dall’interazione con l’aria in movimento.

Per esemplificare il funzionamento del dispositivo, in Fig.3 sono riportate misure effettuate su un nastro di prova. I morsetti elettrici del condensatore elastomerico à ̈ stati collegati in un ponte di Wien per la misura di capacità del condensatore. La curva più in basso (cerchi) rappresenta il valore di tensione che si ottiene quando il condensatore elastomerico à ̈ a riposo; la curva intermedia (quadrati) rappresenta il valore di tensione che si registra ai morsetti del condensatore elastomerico al quale à ̈ connesso in parallelo un condensatore tradizionale di capacità 20 pF: questa curva viene utilizzata per confronto; la curva in alto (asterischi) rappresenta il valore di tensione che si ottiene quando il condensatore elastomerico à ̈ investito dal vento.

Da questa curva si evince una variazione percentuale di capacità del condensatore elastomerico di circa il 5 %, corrispondente alla deformazione percentuale misurata.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinate tra loro senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Generatore eolico mediante deformazione di almeno un condensatore elastomerico comprendente un primo nastro (N) avente facce opposte ed estremità opposte e definente un condensatore elastomerico fissato stabilmente in dette estremità opposte in modo che uno sviluppo del nastro risulta trasversale rispetto ad una direzione del vento ed in cui dette facce risultano parallele a detta direzione del vento.
2. 2. Generatore secondo la rivendicazione 1 in cui dette estremità opposte sono fissate in altrettanti elementi di supporto (S).
3. 3. Generatore secondo la rivendicazione 2, ulteriormente comprendente una banderuola (B) avente superfici opposte, connessa in una mezzeria del primo nastro, con dette superfici opposte parallele a detta direzione del vento.
4. 4. Generatore secondo la rivendicazione 3, in cui almeno una porzione di estremità di una superficie della banderuola (B) à ̈ attaccata ad una faccia del primo nastro (N).
5. 5. Generatore secondo la rivendicazione 4, ulteriormente comprendente un secondo nastro (Î ') definente un secondo condensatore elastomerico, parallelo e complanare con detto primo nastro (N) e fissato stabilmente in rispettive estremità opposte ed in cui una prima porzione di estremità di una superficie della banderuola (B) à ̈ attaccata ad una faccia del primo nastro una seconda porzione di estremità di detta superficie, opposta a detta prima porzione di estremità, della banderuola (B) à ̈ attaccata ad una faccia del secondo nastro (N’).
6. 6. Generatore secondo una delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui detta banderuola (B) ha lunghezza (Lu) lungo la direzione del vento compresa tra 1 ,5 e 2 volte la larghezza dei nastri (N, N’) lungo la direzione del vento e/o in cui la banderuola (B) ha larghezza (La) trasversalmente alla direzione del vento pari a 1/3 della lunghezza del nastro (Π,Π').
7. 7. Generatore secondo una delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui detta banderuola (B) ha densità di 1 g/cm<3>ed in cui il generatore comprende ulteriormente una massa aggiuntiva posizionata nella mezzeria del nastro (Π,Π') pari a 30 volte il peso complessivo del nastro (Π,Π') e della banderuola (B).
8. 8. Generatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto nastro (Î ,Î ') Ã ̈ prestressato con un incremento di lunghezza compreso tra il 10 e il 30%.
9. 9. Generatore secondo la rivendicazione 9, in cui il nastro (N, N') con prestress applicato ha coefficiente elastico compreso tra 1 e 30 N/m.
10. 10. Generatore secondo la rivendicazione 9, in cui detto coefficiente elastico à ̈ di 10 N/m.