ITMI20120029A1

ITMI20120029A1 - Generatore eolico ciclonico

Info

Publication number: ITMI20120029A1
Application number: IT000029A
Authority: IT
Inventors: Adriano Pellegri
Original assignee: Adriano Pellegri
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-14
Also published as: WO2013080192A1; EP2652319A1

Description

GENERATORE EOLICO CICLONICO

CAMPO TECNICO

Il trovato concerne in generale generatori eolici e in particolare i generatori eolici ad asse verticale.

DISCUSSIONE DELLA TECNICA ANTERIORE E BACKGROUND

DELL’INVENZIONE

Il limite di Betz - la cui deduzione fisico-matematica è nota - rappresenta il rendimento teorico massimo di un rotore ideale di superficie S che assorba energia da un fluido di densità p che scorre ad una certa velocità vin(l'analogo del rendimento del ciclo di Camot per una macchina termica). Definendo il coefficiente di efficienza Cecome il rapporto tra la potenza P assorbita dal rotore e la massima potenza disponibile Pmax

si trova che tale valore limite vale

ottenuto in corrispondenza di un rapporto tra velocità di incidenza dell'aria vine velocità di uscita dal rotore voutpari a un terzo

I moderni rotori si attestano attorno a valori di Cenell'intervallo da 0.4 a 0.5, e in nessun caso superano il 70-80% del rendimento teorico di Betz.

I generatori eolici tradizionali hanno pale con asse di rotazione orizzontale solidale al rotore della macchina elettrica comunemente ospitata in un corpo affusolato sostenuto da un'alta torre così da sfruttare al meglio il vento, la cui velocità notoriamente cresce con la distanza dal suolo. Queste caratteristiche rappresentano anche il limite principale alla realizzazione di generatori eolici più potenti di quelli attualmente prodotti a causa dei requisiti statici e dinamici richiesti. Le macchine più grandi hanno diametri del rotore di 70 metri e altezze di torre di 130 metri. In una macchina siffatta il diametro alla base supera i 20 metri e comporta la realizzazione di complesse e costose fondazioni, oltre a richiedere sofisticate strategie di sicurezza per fronteggiare improvvise raffiche di vento. La posizione dell'alternatore e le parti mobili esposte agli agenti atmosferici comportano elevati costi di manutenzione.

Macchine eoliche ad asse verticale tipo Savonius sono state concepite e realizzate fin dal 1920, e, più recentemente, di tipo Darrieus o Windside. La sostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale, Ce= 0.3, ne ha confinato l’impiego nel minieolico. Il rendimento inferiore è in parte dovuto al fatto che, a differenza dei mulini a vento, le cui pale presentano un profilo alare che lavora sfruttando la portanza, nelle soluzioni ad asse verticale le pale hanno generalmente un profilo a vela, molto meno efficace. Tuttavia, l'asse verticale ha vantaggi quali l'indipendenza dalla direzione del vento, la miglior resistenza ad elevate velocità anche in presenza di turbolenza e la ridotta rumorosità. Il principale limite di tutte le soluzioni ad asse verticale proposte è rappresentato dalla fase passiva che si verifica quando le pale si muovono controvento. Il problema viene spesso affrontato aumentando il numero di parti mobili, a discapito dell'affidabilità e della resistenza, o schermando con un paravento le pale durante l'azione passiva, fatto che però comporta la necessità di orientare la turbina rispetto alla direzione del vento, attenuando o annullando in pratica i vantaggi, in termini di ridotti problemi di staticità, affidabilità ed economia, vantabili dalle meno efficienti turbine ad asse verticale.

La pubblicazione AU 2006233265-A1 descrive una torre fissa per trasformazione di energia eolica mediante una turbina ad asse verticale.

La pubblicazione US 2010143096-A1 descrive una turbina ad asse verticale per la conversione di un flusso d'aria in energia rotazionale racchiusa in una struttura orientabile di raccolta e iniezione del fluido.

DESCRIZIONE GENERALE DELL’INVENZIONE

A queste caratteristiche penal e limiti prestazionali delle turbine ad asse verticale note, il richiedente ha trovato una soluzione sorprendentemente efficace e di semplice e affidabile implementazione che non sottrae materialmente alcuna delle caratteristiche e vantaggi intrinseci alle turbine eoliche ad asse verticale.

Il nuovo generatore trovato è qualificabile “ciclonico” in quanto il rotore è azionato da un flusso ciclonico del fluido iniettato in uno spazio cilindrico interno ospitante il rotore a pale, con una componente orizzontale della velocità che presenta un angolo di incidenza fisso rispetto alle pale lungo l'intera circonferenza e lungo tutta la profondità radiale di ciascuna pala, ed una componente verticale che normalmente, ma non necessariamente, può essere orientata verso il basso. La conformazione delle pale, a sviluppo elicoidale lungo l'intera lunghezza dell'asse del rotore e con uno specifico profilo, è tale da sfruttare oltre alla spinta sulla superficie della pala investita dal flusso anche una azione di portanza esercitata dal moto circolare dell' aria ed una spinta ulteriore generata dalla componente discendente. All’erogazione di potenza concorre non solo la pressione del vento, come nei comuni impianti eolici ad asse verticale, ma anche un effetto di portanza sulle pale del rotore causato dal moto circolare delfaria all'interno della struttura e l’effetto aspirante dovuto ad un gradiente di pressione tra lo spazio cilindrico interno e l’esterno (potenziale di caduta).

Nonostante la primaria utilità del trovato sia come generatore eolico ad asse verticale, risulterà evidente la possibilità di sfruttare le caratteristiche del nuovo generatore anche per applicazioni diverse (ad esempio in gallerie del vento), richiedenti un diverso assetto della struttura anche con il suo asse posto orizzontale o a qualsivoglia angolo di inclinazione.

Per semplicità di esposizione la descrizione anche in dettaglio che seguirà potrà riferirsi a direzioni verticali ed orizzontali, alto e basso e simili, proprie di un’applicazione ad asse verticale, tipica di un generatore eolico che sfrutti venti di superficie, senza con ciò intendere limitare l’ambito dell’invenzione a tale orientazione dell’asse.

Fondamentalmente, lo spazio cilindrico, ospitante il rotore, è definito internamente ad una struttura alveolare fissa a sviluppo tubolare (in termini funzionali definibile statore di distribuzione) la cui vista in sezione ha perimetro interno circolare e perimetro esterno poligonale. Lungo il suo sviluppo assiale la struttura risulta suddivisa in sezioni o moduli da pareti tronco coniche anulari, disposte ad intervalli regolari lungo l’asse della struttura, a partire da una parete terminale a cono, cioè integra (senza foro centrale), o tronco conica come le altre, ma il cui foro centrale viene chiuso da un cono o da una calotta sferica che occlude lo spazio cilindrico interno (spazio retorico). Lo spazio anulare di ciascun modulo definito tra due superfici coniche consecutive è suddiviso da pareti deflettrici incurvate in un numero pari di condotti radiali, la cui sezione decresce verso l’uscita del fluido nello spazio cilindrico interno, accelerandolo. Un mantello verticale a doppia falda, mobile attorno alla struttura cilindrica alveolare, è imperniato o sostenuto “a bandiera” sulla sottostante struttura alveolare, per autoposizionarsi a copertura della superficie sottovento della struttura. La superficie del mantello rivolta verso la struttura alveolare ha, in sezione, il profilo di un cardioide simmetrico con cuspide protesa fino a traslare ad una distanza di separazione più piccola possibile dalla sottostante struttura alveolare, così da definire due intercapedini tra mantello e struttura alveolare, normalmente aperte al vento, rispettivamente lungo fianchi diametralmente opposti della sottostante struttura alveolare e separate dalla cuspide. Il fluido intercettato nelle due intercapedini viene progressivamente deflesso ad immettersi nei condotti di flusso radiali sottovento della struttura alveolare per essere quindi iniettato nello spazio cilindrico interno con componenti di velocità orizzontale e verticale, analogamente a quelle dei condotti direttamente investiti dal vento, contribuendo così ad alimentare il moto ciclonico che aziona il rotore.

Un’utile peculiarità della struttura alveolare, secondo una forma preferita di implementazione dell’invenzione, è rappresentata dal fatto che può essere in pratica progettata in modo da risultare composta da un qualsivoglia numero di elementi o moduli di identica geometria, stabilendo numerosità, rapporti dimensionali ed angoli di incidenza tali da corrispondere, tramite relazioni semplificate, alla potenza nominale richiesta dal generatore.

L’invenzione è definita nelle annesse rivendicazioni, il cui contenuto va inteso far parte di questa descrizione e qui incorporato per espresso riferimento.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La Fig. 1 è una illustrazione schematica tridimensionale, parzialmente esplosa, di un generatore eolico secondo una forma esemplificativa di realizzazione dell’invenzione.

La Fig. 2 è una rappresentazione geometrica semplificata della struttura alveolare fissa di captazione-deflessione-iniezione del fluido in uno spazio cilindrico interno dove è alloggiato il rotore.

La Fig. 3 è una costruzione geometrica che illustra importanti parametri della sezione orizzontale di un settore o condotto radiale della struttura alveolare fissa.

La Fig. 4 è una vista semplificata in sezione orizzontale del mantello-collettore girevole e della sottostante struttura alveolare fissa.

La Fig. 5 è una costruzione geometrica che illustra l’orientazione delle linee di flusso all’uscita del condotto radiale tra i tratti terminali rettilinei di prolungamento delle pareti deflettrici ad arco cicloidale.

La Fig. 6 mostra le diverse componenti ortogonali della velocità veche incide sull'apertura esterna dei settori o condotti radiali del fluido della parte sopravento della struttura alveolare fissa, in funzione dell'angolo di incidenza del vento.

La Fig. 7 mostra una delle coppie di pale a sviluppo elicoidale che compongono il rotore.

La Fig. 8 illustra il profilo in sezione di una pala del rotore investita dal fluido iniettato nello spazio rotorico e l’azione su di essa delle componenti di velocità videl fluido al passaggio della pala.

La Fig. 9 mostra le velocità composte dell'aria in corrispondenza dei distinti settori radiali che si ottengono in assenza delle pale del rotore ed il movimento orizzontale del flusso risultante.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI UNA LORMA ESEMPLIFICATIVA DI

REALIZZAZIONE

La descrizione che segue di un esempio di realizzazione ha fini illustrativi e non limitativi dell’ambito di tutela brevettale richiesto per l’invenzione che potrà essere realizzata anche in forme diverse ed operando diverse scelte costruttive, di numerosità di “moduli anulari”, di condotti di iniezione per ciascun modulo anulare, di pale del rotore e di rapporto tra componente orizzontale e componente verticale della velocità di iniezione del fluido nello spazio cilindrico interno ospitante il rotore, pur restando nell ’ ambito dell ’ invenzione definito nelle rivendic azioni .

Nozioni di riferimento

Una massa puntiforme soggetta al proprio peso, che si muova in un piano verticale, da un punto A ad un punto B posto a quota inferiore, seguendo una guida inclinata, impiegherà un tempo che dipende dalla forma della guida, cioè dalla traiettoria percorsa. Nell'ipotesi in cui l'attrito sia trascurabile, è noto che la curva che minimizza il tempo di percorrenza non è il segmento AB , bensì un arco di cicloide passante per i due punti (problema della Brachistocrona). Tale risultato, che si ottiene con considerazioni cinematiche e applicando il calcolo delle variazioni, resta valido anche nell'ipotesi in cui il moto avvenga in un piano orizzontale, purché il corpo sia soggetto ad un'accelerazione uniforme tale per cui il modulo della velocità, in ciascun tratto in cui si suddivida la traiettoria, sia direttamente proporzionale al seno dell'angolo formato dalla direzione della stessa con la perpendicolare alla superficie di separazione di due tratti consecutivi (come avviene nei fenomeni di rifrazione). Con riferimento alla costruzione della Fig. 3, l'arco di cicloide compreso tra il punto A ed il punto B ha equazione parametrica:

dove è l'angolo formato rispetto alla verticale dal raggio vettore del

punto P, posto sul bordo del cerchio generatore, che descrive l'arco quando il cerchio rotola senza strisciare lungo l'asse delle ascisse. Differenziando le (4) rispetto a θ , si trova che la velocità lungo la traiettoria forma un angolo a rispetto alla direzione orizzontale di partenza pari a:

In un condotto a sezione iniziale quadrata, di lato D, le cui pareti verticali laterali siano due archi di cicloide identici e convergenti secondo un angolo di 30° formato dalle rispettive tangenti in ogni punto, il flusso d'aria che entra dall'estremità più larga subisce un'accelerazione per effetto tunnel inversamente proporzionale alla variazione della sezione. Essendo le superfici superiore ed inferiore parallele, l'aumento della velocità è inversamente proporzionale al restringimento della sezione che varia linearmente secondo la retta t della Fig. 3 di equazione:

La velocità del flusso, in funzione dell'angolo θ , risulta proporzionale con buona

approssimazione al seno dell'angolo α nell'intervallo considerato:

Le linee di flusso all di ciascun settore minimizzano dunque il tempo di percorrenza delle particelle di fluido nel tratto compreso tra l'apertura esterna del settore, rappresentato dal segmento in Fig. 3 e l'arco di circonferenza . Questo accorgimento geometrico facilita la formazione di un flusso dell' aria di tipo laminare nel percorso che essa compie nell’ attraversare la struttura alveolare lungo un qualsiasi settore, riducendo sensibilmente la turbolenza causata dalla presenza della stessa struttura di captazione-deflessione-iniezione prima dell'impatto con le pale del rotore. Si osservi, infine, che la direzione delle linee di flusso entranti nella circonferenza interna presenta un'i costante di 45° verso destra rispetto al raggio nel punto d'ingresso.

Struttura alveolare fissa

Con riferimento alla Fig. 1, il generatore eohco ciclonico ha una struttura alveolare esterna fissa (statore) 1, a sviluppo tubolare, la cui vista in sezione ha perimetro interno circolare e perimetro esterno poligonale che, secondo l’esempio di realizzazione considerato, comprende quattro moduli anulari identici delimitati da fondelli conici anulari 3. Ciascun modulo anulare è suddiviso in dodici settori radiali 5 definenti un prisma dodecagonale con foro assiale costituente uno spazio cilindrico interno 2 ospitante il rotore 6, come più chiaramente osservabili in Fig. 2. Indicata con D è la lunghezza del lato del poligono che rappresenta il perimetro esterno della struttura e l'altezza di ciascun modulo. Per semplificare l' analisi, tale parametro D è utilizzato per definire tutte le proporzioni del generatore ed anche la potenza nominale prodotta, facilitando la scalabilità della macchina in base alla potenza nominale richiesta.

I settori, ovvero i dodici condotti radiali di flusso 5, sono definiti da pareti verticali deflettrici 4, di altezza D, incurvate almeno per buona parte della loro estensione radiale, a partire dal lato esterno, secondo un profilo cicloidale, come indicato in Fig. 3. L'equazione parametrica della sezione orizzontale di una parete, nel tratto più esterno, tra il punto A ed il punto B, è espressa dalle equazioni (4). Il tratto più interno è un prolungamento rettilineo dell'arco di cicloide , che nell’ esempio considerato forma un angolo di 45° con la verticale. Il profilo della parete è racchiuso in

un rettangolo di altezza e lunghezza

Le superfici che delimitano ciascun modulo anulare e quindi ciascun condotto, (superiormente e inferiormente), sono quelle dei rispettivi fondelli anulari conici 3, solidali a montanti 9 di collegamento e di ancoraggio-sostegno della struttura alveolare fissa 1, che neH’esempio considerato sono inclinate rispetto al piano orizzontale di un

angolo φ tale che 19° 28' 16").

Con riferimento alla Fig. 2, si hanno le seguenti proporzioni:

dove R è il raggio del cerchio circoscritto al perimetro della struttura, r il raggio del cilindro interno, d la larghezza dei condotti radiali del flusso all’uscita, h la differenza di quota tra ingresso e uscita dei condotti di flusso.

Collettore mobile

Con riferimento all’esploso della Fig. 1, un mantello-collettore verticale a doppia falda 8 è imperniato o sostenuto “a bandiera” sulla sottostante struttura alveolare 1, per auto-posizionarsi a copertura della parte sottovento della struttura alveolare. La superficie del mantello-collettore 8 rivolta verso la struttura alveolare ha, in sezione, il profilo di un cardioide simmetrico, con cuspide 8' protesa fino a traslare ad una distanza di separazione più piccola possibile dalla sottostante struttura alveolare, così da definire due intercapedini tra mantello e struttura alveolare aperte al vento rispettivamente lungo i fianchi diametralmente opposti della sottostante struttura alveolare e separate dalla cuspide 8'. Il profilo frontale fantasma del mantello-collettore 8, tracciato con linee a trattini, mostra la posizione reale di montaggio del mantello girevole. Il fluido intercettato dalle aperture “al vento” delle due intercapedini, definite dalla distanza di separazione delle due falde dalla struttura alveolare fissa 1, viene progressivamente deflesso dalla superficie interna del collettore 8 ad immettersi progressivamente nei condotti radiali di flusso 5 della parte sottovento della struttura alveolare fissa 1, per essere quindi iniettato nello spazio cilindrico interno con componenti di velocità orizzontale e verticale, analogamente a quelle dei condotti 5 direttamente investiti dal vento, contribuendo così ad alimentare il moto ciclonico e a generare un momento di coppia costante su tutte le pale 7 del rotore.

La forma del collettore 8, ed in particolare della sua superficie interna, che è stata trovata particolarmente efficace per ottenere l’effetto desiderato sopra descritto, è quella di un arco di cardioide , come mostrato in Fig. 4, di equazione:

con

L'arco è delimitato dai due punti P(R,2R) e Q(R, -2R) in Fig. 4.

Il collettore 8, in virtù dei vincoli meccanici imposti e la sua forma, è in grado di posizionarsi autonomamente per effetto della spinta esercitata dal vento nella posizione ideale e deflettere progressivamente i flussi intercettati nelle due intercapedini così da produrre dei flussi utili d'entrata nello spazio rotorico interno, attraversanti i settori sottovento oltre a quelli prodotti dai settori direttamente investiti dal vento nella parte frontale della struttura alveolare 1. Questi flussi addizionali, oltre ad aumentare (teoricamente a raddoppiare), la potenza del generatore a parità di superficie del rotore, eliminano l'azione frenante delle pale ed alimentano la circolazione del vortice d'aria all'intemo della struttura. La funzione del collettore è anche quella di annullare l'effetto bordo che tenderebbe a ridurre la superficie effettiva di intercettazione della struttura alveolare esposta al vento, e di abbassare ulteriormente la velocità minima del vento richiesta per mettere in moto il generatore. Opzionalmente, il fondo delle due intercapedini può essere almeno parzialmente occluso da un fondello a semi-corona circolare. Preferibilmente, come nell’esempio illustrato in Fig. 1, il collettore mobile 8 ha la propria base scorrevolmente sostenuta e/o vincolata alla struttura fissa per maggiore stabilità e per impedirne flessioni. Ad esempio la base può gravare con organi a rotolamento (basso attrito) impegnati all’intemo di una guida circolare canaliforme 12.

Peraltro, il collettore mobile, se ruotato di 180° e bloccato in posizione tale da riparare la struttura dal vento, permette di schermare il rotore e consente interventi di manutenzione anche in presenza di forti raffiche.

Velocità di iniezione

Per le velocità del vento considerate, la densità dell'aria p può ritenersi con buona approssimazione costante durante l'attraversamento di un settore (condotto radiale) 5 della struttura alveolare fissa 1. Essendo costante la portata (massica e volumica) si ha m = pSv = const e dunque

dove veè la velocità del vento esterna, o entrante, v la velocità interna, o di

iniezione, S = D<2>è la sezione esterna di ciascun settore 5, .v quella interna, con S ed s ortogonali alla velocità del flusso. Il calcolo di s è abbastanza agevole, essendo, per l’esempio considerato, la direzione delle di flusso costantemente inclinata di 45° rispetto alla direzione radiale.

Con riferimento alla Fig. 5, dove è rappresentata la parte terminale interna, di iniezione, di un settore o condotto radiale 5, i prolungamenti delle facce laterali del tubo di flusso si incontrano idealmente nel punto E. Detti A e B gli estremi dell'arco di circonferenza interna, si hanno le seguenti relazioni:

La superficie perpendicolare alle linee di flusso cercata ha come proiezione l'arco %B = l che delimita il tubo di flusso, cioè

Pertanto

La velocità di iniezione è dunque circa il doppio della velocità dell'aria esterna; la

potenza erogata è maggiore, ma a discapito della superficie di incidenza utile che risulta proporzionalmente inferiore.

Superfìcie di incidenza

Per il calcolo della superficie utile, osservando le linee di flusso in Fig. 5, la proiezione ortogonale della superficie di una pala del rotore rispetto alle stesse è un arco di circonferenza con centro nel punto E. L'ampiezza di tale arco varia in funzione del movimento di rotazione della pala r attorno all'asse O, essendo gli archi delimitati superiormente dal segmento e inferiormente dal tratto della circonferenza di raggio r e centro O, prima, e dal segmento , dopo. La lunghezza dell'arco cercata varia da un minimo di zero, quando l'estremità della pala si trova nel punto B, ad un

massimo rappresentato dall'arco , per poi tornare a zero quando

la pala passa per il punto E. Il valore medio, , sarà intermedio fra 0 e 0.5236 volte d, e, con qualche calcolo, si trova che esso misura

Essendo D l'altezza di ciascun settore, e dunque della porzione di pala investita, la superficie interna Aidi incidenza vale, tenendo conto della (10),

Potenza teoricamente disponibile

La superficie esterna esposta al vento di ciascun modulo è indipendente dall'orientamento del prisma rispetto alla direzione del vento, e, per le due posizioni limite (Fig. 6), in funzione del lato D, misura:

Indicato con N il numero di moduli anulari della struttura alveolare fissa 1, in funzione della velocità del vento ve, la potenza disponibile dovuta alla pressione esterna

del vento esercitata sulla sola parte anteriore della struttura è

Numericamente, posto p = 1.16 Kg/m<3>, D = 1.2 m, N = 4, per una velocita di 10 m/s abbiamo:

All'interno della struttura, ciascun settore 5 contribuisce alla potenza complessiva in quantità diversa a seconda dell'inclinazione della sezione d'ingresso rispetto alla direzione del vento. Con riferimento alla Fig. 6, e tenendo conto della relazione (17) tra vie ve, abbiamo:

)

La potenza disponibile all'interno della struttura, sommando i diversi contributi, sarà dunque

La potenza disponibile interna, nell'ipotesi in cui attriti e viscosità dell'aria siano trascurabili, è uguale a quella esterna, com'era lecito attendersi.

Potenza assorbita

Nell'ipotesi in cui sia possibile trascurare l'attrito del rotore, il lavoro ortogonale all'asse di rotazione compiuto sulle pale è dovuto alla sola componente orizzontale della velocità di iniezione . Sostituendo quest'ultima nelle (22), (23) e (24), e considerando la proiezione perpendicolare della superficie interna rispetto al flusso,

Dunque, in assenza di attriti e nell'ipotesi in cui sia nullo l'effetto frenante della fase passiva in corrispondenza dei settori posteriori, il rendimento del generatore coincide col limite di Betz.

Portanza

In assenza del rotore, l'aria immessa da un settore, non incontrando la pala, prosegue finché, in corrispondenza del settore successivo, i due flussi s'intersecano secondo un angolo costante, nell’ esempio considerato di 30°, e le rispettive velocità si sommano vettorialmente. Il modulo della velocità (tangenziale) risultante in corrispondenza dei settori si ottiene con considerazioni geometriche elementari e, per i diversi settori indicati in Fig. 9, si hanno:

Passando da un settore a quello successivo, dunque, la velocità cresce gradualmente, tranne nel passaggio da S2a S3, dove la velocità diminuisce, per poi

azzerarsi nuovamente. Rispetto alla linea ideale di separazione tra la zona d'influenza di due settori adiacenti, la velocità dell'aria che precede tale linea è sempre minore della velocità dell'aria oltre di essa. Il gradiente di pressione che si genera causerebbe l'avanzamento della pala che si trovasse tra i due settori, tranne nell'ultimo settore citato, dove si avrebbe un effetto frenante. La potenza dovuta a questo effetto di "portanza" si può calcolare agevolmente in base alle considerazioni seguenti di validità generale.

Sia vbla velocità dell'aria prima della pala e vala velocità dell'aria oltre di essa, con va> vb, ortogonali alla pala. Il gradiente di pressione e l'energia cinetica disponibile sono dati, rispettivamente, da

Derivando la variazione di energia cinetica, e considerando l'espressione della portata a densità costante , per la potenza P si ottiene:

Da considerazione dinamiche, si ha d'altra parte:

Uguagliando la (34) e la (35), si trova per la velocità media il valore

un risultato più che ovvio. L'espressione della potenza dovuta all'effetto di portanza è dunque:

Il calcolo della sezione Atdel flusso d'aria, ortogonale all'asse di rotazione, fornisce il valore:

La superficie Aldella pala su cui agisce il gradiente di pressione risulta inferiore alla superficie di incidenza Aiprecedentemente vista poiché solo una frazione dell'aria che esce da ciascun settore si diffonde nel raggio d'azione del settore successivo dando luogo ad un flusso d'aria accelerato.

Applichiamo la (37) per calcolare la potenza tra due settore consecutivi, Sne

, dove vb= e :

Sommando tutti questi contributi, la potenza complessiva dovuta all'effetto di portanza diventa un'espressione molto semplice:

dove si è usato il valore di dato dalla (26).

(45b) Il valore ottenuto è in perfetto accordo col valore della potenza totale disponibile data dalle (21b) e (25b).

La potenza disponibile, , espressa dalla (45), dovuta all'effetto descritto, in

realtà, non è altro che un modo alternativo per calcolare la potenza complessiva "virtuale" all'intemo dell'involucro cilindrico. L'ipotesi di partenza era stata quella di eliminare completamente il rotore. In presenza delle pale, l'aria viene arrestata prima di raggiungere il settore successivo; la diffusione, e la conseguente composizione delle linee di flusso, da un settore all'altro, coinvolge un numero di settori consecutivi via via minore al crescere del numero delle pale che compongono il rotore, fino ad annullarsi completamente quando il numero delle pale è uguale a 12.

Dall'altra parte, la potenza disponibile interna, , espressa dalla (25), e calcolata secondo considerazioni standard, presuppone al contrario che, nel caso considerato, il rotore sia composto da dodici pale. Un numero di pale inferiore comporta che uno o più dei termini (22), (23) e (24), sia nullo, e, conseguentemente, la potenza complessiva disponibile si riduce, fino ad annullarsi in assenza di pale.

E' facile dimostrare che per un numero di pale intermedio tra 0 e 12 - purché in numero pari e disposte a distanze regolari - il contributo della potenza di "spinta" sulla pala “assente” che viene a mancare è compensata in egual misura dall'effetto di "portanza" che si guadagna sulla prima pala disponibile immediatamente precedente. Nel caso considerato, il numero di pale preferibile è 6.

Profilo della pala

Va rimarcato che l’invenzione propone un generatore eolico con un rendimento prossimo al limite teorico di Betz, pur con un numero "finito" di pale del rotore. Ricordiamo, infatti, che nella deduzione del limite di efficienza teorico, l'ipotesi di partenza è quella di un rotore ideale costituito da un numero infinito di pale infinitamente sottili.

Tuttavia, affinchè le precedenti analisi siano applicabili ad un rotore reale, è necessario che l'aria che fuoriesce da un settore agisca sulla pala con la stessa intensità lungo tutto il percorso della pala quando questa spazza la sezione interna del settore ovvero l’area di fuoriuscita del fluido dal condotto 5. In altri termini, l'inclinazione relativa tra superficie della pala e linee di flusso deve essere costante in ogni momento, mentre l'estremità della pala percorre l'arco che separa due settori adiacenti, e deve essere costante lungo tutta la profondità radiale della pala. Tale condizione, non contemplata ed irrealizzabile nei comuni rotori ad asse verticale con profilo delle pale a vela (concavo), si ottiene sagomando opportunamente il profilo alare esposto al vento, ed è possibile nel nuovo generatore eolico ciclonico grazie al fatto che le linee di flusso entranti hanno proprietà specifiche appositamente scelte.

Si scomponga la velocità di iniezione orizzontale nelle due componenti tangenziale, , e radiale, come mostrato in Fig. 8.

Per i parametri scelti nell’esempio di realizzazione descritto, le due componenti hanno modulo uguale, essendo la velocità di iniezione inclinata di 45° rispetto alla direzione radiale:

La velocità angolare imposta al rotore dalla velocità tangenziale è , dove r è

il raggio della pala. Nel tempo t la pala ruota di un angolo . Lungo l'asse

radiale, nel medesimo tempo t, l'aria percorre un tratto . Dunque, l'aria che si muove in direzione radiale, in corrispondenza del punto di incidenza iniziale , incontrerà la pala se la stessa, dopo una rotazione di un angolo Θ , interseca il raggio nel punto . Ciò si traduce nella condizione che, quando l'estremità della pala si trova nel punto O, il generico punto a quota y deve trovarsi in corrispondenza di un'ascissa x = -(r - y) tan θ . L'equazione che descrive il profilo ideale della pala risulta così:

(47)

o, in forma parametrica

(48)

con 0 ≤ θ ≤ 1 .

Si osservi che, a differenza dei comuni generatori eolici ad asse verticale in cui per le pale del rotore viene generalmente adottato un profilo a vela con la concavità rivolta verso il vento, nella presente invenzione il profilo della pala risulta convesso. La giustificazione è dovuta al fatto che nei generatori convenzionali la preoccupazione maggiore è quella di ridurre la superficie che la pala presenta nella fase passiva, mentre nel nuovo generatore dell’invenzione il controvento è molto ridotto, o quasi assente, dal momento che l'aria compie essa stessa un movimento rotatorio a spirale discendente, analogo al deflusso dell'acqua in uno scarico o ad una tromba d'aria discendente. Va rimarcato il fatto che, il rotore è "trascinato" da questo movimento generale della massa d'aria più che "spinto" dall'aria che fuoriesce dai settori.

Le pale del rotore, infine, non sono verticali ma presentano un'inclinazione sulla circonferenza di un angolo pari a 90°— φ = 70° 31' 44", in altri termini, una torsione elicoidale lungo il loro sviluppo longitudinale. In pratica, come esemplificato dalle due pale 7 e 7’ mostrate in Fig. 7, ciascuna pala è costituita da un'elica che si avvolge di un tratto circa 1/5 di giro attorno all'asse di rotazione, con quattro moduli impilati come nell'esempio della Fig. 1. Con sei pale, pertanto, viene coperto l'intero giro ed il momento torcente sull'asse di rotazione è distribuito in modo uniforme, evitando pulsazioni potenzialmente dannose.

Potenza di caduta

Nell’ esempio considerato, lo spazio cilindrico 2, interno alla struttura alveolare 1, ospitante il rotore 6, è occluso alla sommità da una calotta 3' che chiude il foro del primo fondello anulare conico 3, ed il deflusso dell'aria può quindi avvenire solo dal basso. Nel generatore eolico ciclonico dell’ invenzione, a differenza dei comuni generatori eolici ad asse verticale, privi della struttura alveolare di captazionedeflessione-iniezione a simmetria cilindrica, ottenuta con l’azione del collettore mobile esterno, e componenti di velocità del fluido funzionalmente orientate verso le pale del rotore, l'aria che non colpisce le pale non "sfugge", ma rimane nel raggio di azione del rotore, accompagnandolo nel suo moto rotatorio, scendendo verso l’uscita con un movimento a spirale, la cui velocità discendente è data dalla componente di caduta della velocità di iniezione (27):

Analogamente a quanto accade alla componente orizzontale, il flusso discendente, quando non è arrestato dalla pala, prosegue la sua discesa fino ad incontrare il flusso del modulo anulare sottostante e a formare con esso un unico flusso in caduta. La presenza di più pale elicoidali che, coprendo l'intero giro attorno all'asse di rotazione, non lasciano luce tra le pale in direzione verticale, impedisce che il flusso discendente che parte dal modulo più in alto possa fuoriuscire dal basso senza agire su una delle pale del rotore.

Per calcolare il contributo della "potenza di caduta", è sufficiente osservare che la velocità residua dell'aria all della struttura ha un valore pari al 65.13% di quello dell'aria esterna che fluisce libera nella zona sottostante la struttura, la cui apertura misura

Si genera dunque un gradiente di pressione che accelera il moto dell'aria in caduta ed anche tale variazione di energia cinetica è ceduta alle pale del rotore. La potenza di caduta si ottiene applicando la (37), e ponendo

Numericamente, posto p = 1.16 Kg/m<3>, D = 1.2 m, per una velocita di 10 m/s abbiamo:

(50b)

La potenza di caduta rappresenta un contributo superiore al 10% della potenza complessiva disponibile, che consente di fatto di superare il limite di efficienza di Betz, ovvero di compensare le perdite di potenza dovute agli attriti interni ed avvicinare il rendimento reale del generatore al valore teorico.

Scalabilità e aspetti accessori

Stabilendo con D la lunghezza del lato del poligono che rappresenta il perimetro esterno efficace della struttura alveolare 1 e l'altezza di ciascun modulo, ovvero dei condotti radiali di flusso 5, tale parametro D può essere utilizzato per definire tutte le proporzioni del generatore ed anche la potenza nominale, facilitando la realizzazione di un generatore eolico delle dimensioni desiderate in base alla potenza che si richiede. La potenza teoricamente erogabile dal generatore eolico ciclonico dell'esempio di realizzazione illustrato, in funzione del parametro di scala D, della densità p e velocità vedell'aria esterna, è espressa da . Rispetto ai comuni generatori eolici ad asse orizzontale, il generatore eolico ciclonico, a parità di velocità del vento, è in grado di erogare la stessa potenza con una superficie di esposizione al vento ( Atot= 30.9 -D<2>) pari al 79.6% della superficie complessiva del rotore dei tradizionali mulini tri-pala, rapporto che diventa ancora più favorevole considerando il fatto che il generatore eolico dell'invenzione è in grado di sfruttare venti di intensità molto superiori al limite tecnico di sicurezza dei mulini a vento.

L'albero motore 10 fuoriesce dalla parte inferiore della struttura che ospita il rotore a pale 6, e protetto da una guaina cilindrica, termina all’ interno del vano 11 che ospita un cuscinetto di spinta che sostiene il carico assiale, i freni, gli ingranaggi di trasmissione, la macchina per la produzione di energia elettrica ed eventuali convertitori-stabilizzatori. Opzionalmente, l’albero motore 10 può rimanere libero all'estremità sommitale del rotore a pale oppure essere vincolato in un cuscinetto solidale alla struttura fissa, ad esempio installato al di sotto dei traversini della calotta sommitale 3', come illustrato in Fig. 1. Il vano 11 realizzato su fondazione interrata è facilmente accessibile per gli eventuali interventi di manutenzione, può all'occorrenza essere esso stesso interrato per minimizzare l'impatto visivo e ambientale del generatore eolico.

I materiali da utilizzare per la realizzazione del generatore dipendono dalle dimensioni e dunque dalla potenza massima nominale del generatore. I montanti o pilastri 9, staffe di collegamento e sostegno, e traversini di irrigidimento possono essere generalmente di acciaio, mentre la struttura alveolare 1 ed il coperchio 3' possono essere costruiti con materiali leggeri (alluminio, resine rinforzate con fibra di vetro o di carbonio), eventualmente anche con materiali trasparenti (vetroresina, PMMA). Anche le pale 7 del rotore, a seconda delle dimensioni, possono essere realizzate con materiali leggeri ad elevata resistenza meccanica e agli agenti atmosferici, come ad esempio materiali compositi con fibra di vetro o di carbonio e leghe di alluminio. In materiale composito o accoppiato con fibra di vetro può essere realizzato anche il mantellocollettore mobile 8. Con riferimento all’esempio della Fig. 1, il collettore mobile 8 può essere eventualmente rinforzato da un telaio o con placche (non mostrati in figura) nelle zone di vincolo scorrevole, ad esempio mediante rotelline 17 in una guida canaliforme 12 di sezione appropriata e in un foro 14 atto ad innestarsi su un perno sommitale centrale 15 solidale a traversini sommitali 16 della struttura. La guida circolare di scorrimento 12, anziché sostenuta da un secondo ordine esterno di montanti 13, può anche esserlo da reggimensola solidali ai montanti 9 di un primo e unico ordine.

Naturalmente il collettore mobile 8 può essere sostenuto in modi diversi ed assumere forme coerentemente adatte. Un possibile modo alternativo di sospendere in modo girevole (a bandiera) il collettore auto-orientante 8 è di appenderlo in appositi canali di scorrimento formati lungo l’intera circonferenza di due pareti tronco coniche 3, ad esempio le pareti alle estremità opposte, alla sommità ed al fondo della struttura alveolare fissa 1, ovviamente impiegando adatti organi di impegno che ne impediscano lo sgancio, con ruote o rulli di corsa in appoggio su una superficie di corsa della guida circolare. La distanza di separazione dalla sottostante struttura alveolare 1 può essere stabilita da bracci solidali rispettivamente all’orlo o spigolo superiore e all’orlo o spigolo inferiore del collettore 8, terminanti con adatti organi di impegno scorrevole nei canali perimetrali delle due pareti tronco coniche 3, oppure le due pareti possono estendersi con una parte più esterna orizzontale a forma di corona circolare, con adatti canali di scorrimento formati lungo l’intera circonferenza più esterna, in cui accogliere organi di impegno con ruote o rulli di corsa in appoggio su una superficie della guida fissati lungo l’orlo o spigolo superiore e l’orlo o spigolo inferiore del collettore 8.

Per la messa in sicurezza del generatore eolico dell'invenzione, in occasione di condizioni meteo eccezionali, sono possibili diverse soluzioni a seconda delle dimensioni dell'impianto. In particolare, un'eccessiva pressione del vento sul mantellocollettore mobile può essere progressivamente ridotta per mezzo, ad esempio, di porzioni scorrevoli della sua superficie che possono essere abbassate per aprire via via un adeguato numero di finestre che ne riducano la portanza. Alternativamente, lo stesso collettore oppure un paravento semicilindrico poco più ampio del mantello-collettore e avente gli stessi vincoli meccanici, normalmente nascosto dietro al mantello, ovvero tenuto sovrapposto alla superficie esterna del collettore stesso, può essere fatto ruotare di 180° da un braccio meccanico di un attuatore e bloccato a copertura- schermo del rotore alveolare di distribuzione e del rotore a pale interno quando la velocità del vento superi un livello di guardia. In ogni caso, portando (tramite comuni mezzi attuatoli comandabili automaticamente) una superficie cilindrica a schermare completamente (per 360°) o solo il lato sopravvento (per 180°) della struttura in quota (statore alveolare e rotore), il coefficiente di resistenza al vento si abbassa a livelli compatibili a garantire la staticità della torre anche in condizioni estreme.

Come già quantificato per l' esempio considerato, in linea teorica (non considerando attriti ed effetti di turbolenza dell'aria all’rno della struttura che possono proporzionatamente decrementare la resa in potenza), a parità di potenza installata (nominale), il generatore eolico del trovato ha un’area complessiva d’ingombro esposta al vento notevolmente inferiore di quella di un generatore a pale ad asse orizzontale, e a differenza dei generatori ad asse orizzontale le cui lunghe pale rotanti costituiscono un serio pericolo per gli uccelli che inavvertitamente attraversano incauti una vasta area in larga misura priva di opacità, il generatore eolico ciclonico del trovato offre un ingombro ridotto e sostanzialmente opaco alla vista di uccelli in volo e quindi probabilità infinitesime di urti accidentali contro la struttura. Peraltro, al collettore girevole esterno può essere associata una rete a maglie aperte, a base semicirconferenziale, che completi la circolarità della struttura girevole rendendola “cilindrica” in termini di sagoma d’ingombro per l’intero angolo giro.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Generatore eolico ciclonico comprendente: a) una struttura alveolare fissa (1) a sviluppo tubolare con sezione avente perimetro interno circolare e perimetro esterno poligonale, assialmente suddivisa in sezioni o moduli da identiche pareti a forma di tronco di cono (3), disposte ad intervalli regolari lungo l’asse della struttura, a partire da una parete terminale, definente al suo interno uno spazio retorico cilindrico (2) chiuso all’ estremità corrispondente a detta parete terminale, ed in cui ciascun modulo è suddiviso da pareti deflettrici incurvate (4), in un numero pari di condotti radiali di flusso (5) compreso tra 2 e N con sezione di flusso decrescente verso detto spazio retorico (2); b) un rotore (6) in detto spazio cilindrico interno (2) chiuso ad una estremità, avente un numero pari di pale (7) compreso tra 2 ed N; c) un mantello a doppia falda (8) esterno mobile attorno a detta struttura cilindrica alveolare (1), imperniato o sostenuto a bandiera sulla sottostante struttura alveolare, per auto posizionarsi a copertura della superficie sottovento della struttura, la cui superficie rivolta verso la struttura alveolare (1) ha, in sezione, il profilo di un cardioide simmetrico con cuspide (8') protesa fino a traslare a distanza di separazione più piccola possibile dalla sottostante struttura alveolare (1)· 2. Il generatore eolico della rivendicazione 1, in cui dette pareti deflettrici (4) hanno profilo cicloidale. 3. Il generatore eolico della rivendicazione 1, in cui la conicità di dette pareti a tronco di cono (3) sono tali da produrre una velocità di immissione del fluido in detto spazio cilindrico interno (2) con una componente su un piano trasversale

nel verso indotto dal profilo cicloidale di dette pareti deflettrici (4), tripla, o approssimativamente tale, della componente su un piano parallelo all'asse

4. Il generatore eolico della rivendicazione 1, in cui detto rotore (6) ha pale (7) solidali ad un albero motore (10) coassiale con detta struttura alveolare fissa (1), estese per l'intera dimensione assiale della struttura, aventi, in sezione, profilo convesso rivolto verso il flusso incidente ed una torsione elicoidale lungo la dimensione assiale per un arco compreso tra 50° e 90°. 5. Il generatore eolico della rivendicazione 1, in cui detto mantello a doppia falda e sezione a cardioide (8), libero di ruotare e disporsi a bandiera rispetto alla direzione del vento che investe il generatore, ha i due lembi estremi del cardioide simmetrico in posizioni diametralmente opposte rispetto alla struttura alveolare fissa (1) e distanziate da essa da una distanza tale da presentare al fluido investente aree di captazione del flusso (A1, A2 ), da un lato e dall’altro lato della struttura alveolare fissa (1), la cui somma equivale o supera l’area della proiezione geometrica della sagoma della struttura alveolare fissa (1) investita dal fluido. 6. Il generatore eolico della rivendicazione 1, in cui detto numero pari N maiuscolo è 12, la conicità delle pareti 3 corrisponde ad un angolo di inclinazione φ il cui seno equivale a un 1/3. 7. Il generatore eolico delle rivendicazioni 1 e 6, in cui il rapporto tra l’area di uscita ( d*D ) verso detto spazio rotorico (2) di ciascun condotto radiale di flusso (5) e l' area di ingresso (D*D) è pari a 1 diminuito della quantità (1 π / 4) sin(π / 12) cos φ . 8. Il generatore eolico della rivendicazione 1, in cui detto numero pari N è 12 e detto numero di pale è 6. 9. Il generatore eolico della rivendicazione 2, in cui dette pareti deflettrici incurvate (4) con profilo di un arco cicloidale che definiscono lateralmente detti condotti di flusso radiali (5), hanno un tratto terminale rettilineo all’ approssimarsi della confluenza del condotto (5) nello spazio cilindrico interno (2) occupato dal rotore (6).