ITMO20060156A1 - Impianto elettromeccanico idoneo a trasformare l'energia del moto ondoso in energia elettrica, installabile sia a ridosso delle coste che in mare aperto o sui laghi, non presidiato. - Google Patents

Description

Descrizione

La potenza globale, a livello planetario, delle onde del mare tecnicamente utilizzabile è stimata a circa 2TW (2 miliardi di kW) e in grado di produrre circa 2000TWh/anno (2000 miliardi di kWh/anno).

A potenza costante, ciò equivale ad un funzionamento medio di circa 2,5 ore al giorno.

In questo contesto l’Europa dispone, cautelativamente, di un potenziale di circa 150 TWh/anno, di cui all’Italia competono circa 12 TWh/anno, con una stima superiore di circa 20TWh/anno. Un parametro significativo è il tasso medio di potenza espresso in kW/m (potenza specifica in kW per metro di costa); la soglia di convenienza commerciale sembra aggirarsi sui 15 kW/m, ma l’attuale crisi energetica potrebbe abbassare significativamente questa soglia.

A livello mondiale le zone più promettenti (40-70 kW/m) sembrano essere le coste occidentali della Scozia, quelle settentrionali del Canada, quelle nord-orientali e nord-occidentali degli USA e quelle dell’Africa meridionale e dell’Australia.

Come seconda scelta (10-20 kW/m) abbiamo: coste sud-orientali USA, nord-orientali del Sud America e coste meridionali del Giappone.

In Europa il più alto livello di potenza specifica si riscontra in Irlanda e in Scozia con circa 75 kW/m e scende a circa 30 kW/m nella Norvegia settentrionale e, a sud, nei pressi dell’isola di Madeira e delle isole Canarie.

A tutt’oggi risultano operativi circa 16 generatori di energia da onde di diverse tipologie e a diverse profondità e distanze dalla costa.

A seconda della distanza dalla costa è in uso una classifica che identifica tre zone :

-costiera (shoreline): a ridosso della battigia e fino a 10 m di profondità.

-sottocosta (near-shore): lontano dalla battigia ma con profondità tra 10 e 25 m

-al largo (offshore): a profondità maggiore di 25 m fino al mare aperto.

Quanto alle tipologie degli impianti le principali sono le seguenti:

-OWC (Oscillating Water Column) di cui OSPREY (Ocean Swell Powered Renewable EnergY) e LIMPET (Land Installed Marine Powered Energy Transformer) sono note varianti.

L’oscillazione dell’onda comprime ed aspira, all’intemo di una cavità artificiale, una colonna d’aria che muove una turbina reversibile azionante un generatore di corrente elettrica.

-TAPCHAN (TAPered CHANnel).

Canale con restringimento progressivo che convoglia le onde in un bacino sopraelevato, creando un dislivello che consente di alimentare turbine idrauliche azionanti generatori elettrici.

-Pelamis (serpente di mare)

Treno di cilindri, di grande lunghezza complessiva, galleggiante trasversalmente alle onde e le cui deformazioni verticali impresse dalle onde azionano un sistema elettroidraulico.

-Pendulor.

Vano rettangolare semisommerso una cui parete verticale mobile, oscillante intorno ad un asse orizzontale posto alla sua sommità, è esposta alle onde. Il moto oscillatorio che ne consegue aziona un sistema elettroidraulico.

-Swedish Hose Pump

Manicotto elastomerico verticale sostenuto da un galleggiante che oscillando con le onde ne trasferisce le oscillazioni all’acqua in esso contenuta, soggetta quindi ad impulsi ritmici che azionano un turbogeneratore sommerso.

-McCabe Wave Pump

Sistema articolato di tre pontoni il cui cambiamento di configurazione aziona un sistema elettroidraulico. Simile al Pelamis.

-Floating Wave Power Vessel

Versione offshore del TAPCHAN.

-Danish Wave Power Float Pump

Sistema pompa-turbina installato sul fondo del mare e azionato da un galleggiante messo in oscillazione dalle onde.

Gli impianti attualmente in funzione e che alimentano direttamente una rete ad alta tensione sono

-OWC da 500 kW installato ad Islay -Scozia-UK

-OWC da 1000 kW installato sull’isola Pico-Is.Azzorre-Portogallo

-OWC da 500 kW installato a Port Kembla-Australia

Vari altri, dei tipi già elencati, hanno funzione dimostrativa o sono in fase sperimentale.

L’impianto oggetto di questa invenzione è proponibile per tutte le fasce di profondità, anche grandi in assoluto, seppure con adattamenti che concernono soltanto le strutture passive di contorno e in particolare le modalità di ormeggio. Il solo limite pratico concernente la profondità è costituito dai costi di installazione del sistema di ormeggio e dei cavi elettrici subacquei che trasportano l’energia elettrica alla terraferma. In compenso l' offshore è tendenzialmente caratterizzato da onde con potenze specifiche più alte che non alla shoreline. E’ possibile quindi ottimizzare la profondità di installazione in termini di costi e benefìci.

Secondo una versione preferenziale ma non limitativa detto impianto si articola in un galleggiante suscettibile di spostarsi esclusivamente in direzione verticale, munito in sommità di una cremagliera verticale ad esso solidale che impegna ed aziona, tramite ruotismi, uno o più generatori di corrente continua (dinamo), sostenuti e fissati direttamente ad una incastellatura, fissa rispetto alla terraferma e al fondale tramite cavi di ormeggio e zavorre, che funge anche da guida rigida del galleggiante e della cremagliera.

L’incastellatura fissa è permanentemente sottoposta ad una spinta di galleggiamento netta positiva, vale a dire maggiore, con adeguato margine, del peso in aria complessivo dell’incastellatura medesima, dell’ equipaggiamento elettromeccanico nonché dei cavi di ormeggio e delle componenti verticali negative delle forze ambientali da vento e da onda. La spinta netta positiva è bilanciata con adeguato margine da cavi verticali e dalle relative zavorre.Un sistema di cavi inclinati opportunamente disposti e zavorrati bilancia le forze trasversali da onda , da vento e da sisma.

La spinta netta positiva verso l’alto agente sull’incastellatura è fornita da un elemento vuoto (galleggiante fisso), di adeguate dimensioni, collocato preferibilmente ma non necessariamente alla base dell’incastellatura e ad essa solidale, alla massima profondità possibile per ridurre significativamente le forze idrodinamiche da onda agenti su detto elemento vuoto, che tendono appunto ad attenuarsi con la profondità.

Ha inoltre senso proporre una variante priva dei cavi di ormeggio inclinati, consentendo in tal modo anche spostamenti trasversali rigidi dell’incastellatura, quindi anche di tutto l’equipaggiamento attivo, in particolare il galleggiante mobile e la cremagliera. In tal modo l’incastellatura può seguire l’onda traslando senza ruotare, ma l’escursione verticale del galleggiante mobile non diminuisce apprezzabilmente, così come l’energia che l’onda cede all’equipaggiamento elettromeccanico.

Ciò semplifica enormemente le operazioni di installazione, che possono risultare in tal modo del tutto simili a quelle utilizzate per le piattaforme petrolifere offshore tipo “tension leg platform” (TLP ), diverse di queste installate sopratutto nel Golfo del Messico, al largo della Louisiana (USA) fino a profondità di circa 1000 m. Alcune di queste sono le seguenti :

-“Mars TLP” su un fondale di circa 1000 m e in grado di affrontare simultaneamente onde di 20 m e venti di 250 km/h .

-“Marco Polo TLP” su un fondale di circa 1200 m .

-“Ursa TLP” su un fondale di circa 1300 m.

Ciò evidenzia la compatibilità di questa invenzione con soluzioni ibride, direttamente proponibili proprio per dette piattaforme “tension leg”, sulle quali si potrebbero installare gli equipaggiamenti elettromeccanici oggetto di questa invenzione quali fornitori ausiliari e integrativi di energia.

L’incastellatura, che si sviluppa tendenzialmente in altezza, deve essere per quanto possibile trasparente alle onde e fronteggiarle con forme avviate, tipicamente cilindri verticali per i montanti e anelli toroidali orizzontali , o un sistema di cilindri orizzontali, per l’elemento vuoto di spinta.

Per installazioni shoreline o near-shore l’incastellatura può essere fissata direttamente al fondo del mare senza ricorrere a cavi di ormeggio ed eliminando l’elemento vuoto di spinta.

Questa modalità d’installazione può essere realizzata o mediante tiranti verticali di ancoraggio infissi per intero nel fondo marino e messi in opera con tecniche note o fissando lincastellatura ad un blocco di fondazione di adeguato peso appoggiato direttamente al fondo marino o con altre modalità che si avvalgono comunque di tecniche note. Dette modalità non richiedono elementi vuoti di spinta.

Non essendovi un limite prefissato nello sviluppo in altezza dell’incastellatura risulta che questa installazione può affrontare anche escursioni di marea rilevantissime che possono quindi sommarsi a quelle delle onde senza compromettere la funzionalità e l’efficienza dell’impianto. E’ da presumere che il sistema proposto possa affrontare anche le massime escursioni di marea registrate sul pianeta, quelle della Baia di Fundy in Canada (circa 16 m).

Ne consegue una flessibilità totale che le altre soluzioni fino ad ora proposte non possono avere, essendo tendenzialmente limitate a certe nicchie di impiego.

Il sistema proposto inoltre si presta agevolmente ad installazioni modulari affiancate realizzando l’equivalente di una diga frangiflutto.

Sulla calotta rigida chiusa che protegge l’equipaggiamento elettromeccanico si può inoltre installare un impianto eolico, tipicamente sotto forma di elica calettata su di un asse orizzontale , sostenuta da un albero verticale di altezza conveniente , orientabile automaticamente nella direzione del vento ed azionante un generatore elettrico solidale a detta elica, conformemente a realizzazioni note e diffuse.

Questa soluzione ibrida è conseguenza diretta della intrinseca flessibilità del sistema proposto, ulteriormente valorizzata se applicata alla versione frangiflutto già descritta che in tal modo integrerebbe le tre funzioni di barriera fisica, generazione di energia da onde e generazione di energia eolica. Sarebbe ovviamente anche compatibile con l’installazione di pannelli solari, che costituirebbe una quarta funzione.

Per grandi installazioni può essere proponibile una grande incastellatura galleggiante caratterizzata da una grande inerzia, in virtù della quale risiiti praticamente insensibile al moto ondoso, quindi non soggetta ad oscillazioni verticali significative e la cui deriva sia solo blandamente controllata da ormeggi laschi zavorrati, compatibili con apprezzabili spostamenti orizzontali prevalentemente dovuti al vento, ma convenientemente limitati.

Viceversa il galleggiante mobile, di piccole dimensioni rispetto alle onde e rispetto all’incastellatura da cui è guidato, è sensibile al moto ondoso e ne segue le escursioni verticali, con modalità ed efficienza confrontabili con quelle degli impianti descritti in precedenza.

Non sarebbero pertanto più necessari i cavi di ormeggio rigido, sia verticali che inclinati, nonché le relative pesanti zavorre di ancoraggio, sostituite da altre molto più leggere.

L’equipaggiamento elettrico, consistente sostanzialmente delle dinamo e dei ruotismi di trasmissione interposti tra cremagliera e rotori di dette dinamo, nonché dei cavi elettrici uscenti dai collettori dei rotori (indotti), è sostenuto da una piattaforma orizzontale posta ad una quota tale rispetto alla cresta delle onde ad evitare che queste, anche nelle condizioni più sfavorevoli, possano toccare l’intradosso di detta piattaforma, quindi tantomeno bagnare o allagare il vano di alloggiamento delle dinamo.

La quota di sicurezza della piattaforma deve quindi tener conto principalmente della massima alta marea , della massima cresta dell’onda e del massimo bordo libero del galleggiante mobile. La necessità di proteggere dall’aggressività dell’ambiente esterno (pioggia, neve, vento, salsedine) l’equipaggiamento elettrico e la cremagliera nella sua parte sovrastante la piattaforma suggerisce la messa in opera di una calotta rigida chiusa, di altezza tale da garantire alla cremagliera la sua escursione massima verso l’alto con adeguato margine onde evitare che possa urtare l’intradosso della calotta.

E’ inoltre opportuno munire il galleggiante mobile di ammortizzatori, tipicamente molle, da installare preferibilmente sulla incastellatura , in modo che, qualora l’escursione verticale di detto galleggiante superi eccezionalmente quella massima di progetto, detta escursione venga bloccata a quote opportune da riscontri fissi solidali con detta incastellatura, evitandosi in tal modo sia urti violenti della cremagliera contro la calotta che urti violenti del galleggiante contro il fondo inferiore dell’incastellatura.

La calotta è sostenuta direttamente dalla piattaforma e conviene che abbia forme avviate per ridurre il più possibile le forze da vento ed essere quanto più leggera possibile.

L’uso di materiali innovativa quali i compositi può soddisfare facilmente tale esigenza, che peraltro vale anche per tutta l’incastellatura nonché per il galleggiante mobile , la stessa cremagliera e i cavi di ormeggio.

Detti materiali sono inoltre molto resistenti alla fatica, all’aggressività dell’ambiente marino, non richiedono nè manutenzione nè verniciatura, hanno altissima resistenza meccanica e altissimi moduli elastici.

I forti costi che li caratterizzano potrebbero venire vantaggiosamente compensati dall’alleggerimento complessivo del sistema incluse le zavorre di ancoraggio, dall’azzeramento dei costi di manutenzione, dalla vita più lunga di detto sistema e dai grandi quantitativi richiesti qualora risulti conveniente installare un gran numero di questi impiantì con conseguente possibile produzione in serie, che potrebbe essere tipica delle dighe frangiflutto.

Secondo una variante preferenziale ma non esclusiva di questa invenzione l’inversione ciclica del senso di rotazione impresso dalla cremagliera al rotore implica l’inversione ciclica della corrente continua prelevata dal collettore e convogliata, mediante cavi subacquei, ad accumulatori installati in terraferma.

Ad evitare una successione ciclica e sterile di operazioni di carica e scarica degli accumulatori va prevista l’installazione, a monte di detti accumulatori, di un equipaggiamento di commutatori/raddrizzatori statici che convertano la corrente “alterna” in corrente unidirezionale pulsante, condizione necessaria perchè abbia luogo il trasferimento effettivo di energia dalle onde a detti accumulatori.

A seconda del tipo di utenza l’energia elettrica fornita dagli accumulatori può essere sotto forma di corrente continua costante a bassa tensione o, soprattutto qualora venga immessa in una rete ad alta tensione e a corrente alternata (tipicamente 50Hz) , sono richieste, a valle degli accumulatori, le seguenti operazioni preliminari :

-conversione da corrente continua costante a corrente alternata, a bassa tensione, con frequenza uguale a quella della rete . Ciò può aver luogo o tramite convertitori statici (inverters) o tramite un motore elettrico a corrente continua che trascina un alternatore (convertitore rotante)

-eventuale sistema elettronico statico per conversione da corrente alternata monofase a corrente alternata trifase

-trasformazione della corrente alternata dalla bassa tensione degli inverters o del convertitore rotante all’alta tensione della rete.

Per ragioni di affidabilità, di maggior facilità di manutenzione, nonché per evitare antieconomici maggiori pesi sull’impianto offshore, verosimilmente conviene installare in terraferma tutti i componenti sopradescritti , dai commutatori/raddrizzatori ai trasformatori. Ciò favorisce inoltre una gestione non presidiata (unmanned) dell’impianto offshore.

Una concatenazione tipica ma non esclusiva di tutti i componenti elettromeccanici disposti in serie risulta essere la seguente :

galleggiante - cremagliera - dinamo - cavi elettrici - commutai ori/ raddrizzatori -accumulatori -inverters - convertitori monofase/trifase - trasformatori - rete.

Una versione semplificata del sistema consiste nel disattivare uno dei due sensi di rotazione del rotore della dinamo inserendo sull’asse di detto rotore un arpionismo (organo di arresto ad azione unilaterale) realizzabile con tecniche note, opportunamente orientato, in modo da mettere in folle il ruotismo che collega il rotore della dinamo alla cremagliera. In tal modo si può, a scelta, rendere inefficace una delle due corse della cremagliera , o quella ascendente o quella discendente. Ciò consente di eliminare i commutatori/raddrizzatori, visto che la corrente elettrica continua sarebbe comunque unidirezionale, perchè azzerata nella fase folle. Soltanto considerazioni di ottimizzazione consentono di valutare la convenienza o meno di questa variante.

Un’altra modalità che consente di eliminare i commutatori/raddrizzatori consiste nell’ installare due dinamo attivate contemporaneamente dalla cremagliera, ciascuna dinamo munita di un arpionismo, ma orientato in modo tale che le due dinamo producano corrente elettrica in modo alterno, dopodiché è agevole collegare i fili uscenti dai rispettivi collettori in modo da mettere in parallelo le due dinamo. In sintesi : in fase ascendente è attiva una sola delle due dinamo, mentre in fase discendente è attiva solo l’altra, ma entrambe convogliano agli accumulatori una corrente continua, variabile, ma che ha sempre il medesimo verso.

L’ottimizzazione del sistema potrebbe richiedere due dinamo di diverse caratteristiche, quali peso, dimensioni e intensità media della corrente continua, in funzione del diverso comportamento del galleggiante mobile nelle due diverse fasi della sua escursione, essendo che in fase discendente è aiutato dalla gravità mentre nella fase ascendente ne è ostacolato.

Ciò potrebbe portare ad una situazione limite già descritta per cui una soltanto delle due fasi risulta di utilizzo pratico, forse solo quella discendente, con conseguenti ovvie semplificazioni del sistema.

L’accoppiamento rigido della cremagliera al rotore tramite ingranaggi potrebbe essere vantaggiosamente sostituito da un giunto idraulico (convertitore di coppia) quale organo di trasmissione, vale a dire un accoppiamento compatto di pompa e turbina disposte in serie e utilizzanti olio quale fluido motore, dispositivo in tutto simile a quello installato su moltissime automobili di produzione statunitense e che è sostitutivo del cambio di velocità ad ingranaggi tipico delle automobili europee..

Una variante di questo dispositivo può essere costituita da un sistema di pulegge coniche e cinghie di trasmissione che consentono una variabilità continua di rapporti di velocità tra cremagliera e rotore, il tutto ottimizzabile tramite una opportuna centralina di controllo installata sulla piattaforma e che agisce su di un attuatore in grado di spostare sul loro asse e posizionare convenientemente le pulegge coniche.

E’ possibile inoltre sostituire la cremagliera con una catena articolata Galle o Renold o altra equivalente, integrando detta catena con un contrappeso che la mantiene in tensione e che può scorrere verticalmente in un pozzo asciutto posto al di sotto della piattaforma e appeso alla medesima, realizzabile con un tubo verticale chiuso sul fondo, a tenuta stagna, che quindi può anche essere in parte immerso e prolungato a qualsiasi profondità. La catena avvolge una puleggia dentata , coassiale al primo ingranaggio previsto nella versione a cremagliera.

In tal modo si può ridurre drasticamente lo sviluppo in altezza della calotta di protezione dell’equipaggiamento elettromeccanico, non più vincolata a difendere l’enorme ingombro verticale imposto dal notevole sviluppo della cremagliera. Ne consegue una riduzione drastica delle forze da vento agenti sull’impianto, nonché una riduzione del peso complessivo dell’impianto stesso. L’entità del contrappeso può essere resa minima in confronto alle grandi forze impresse al galleggiante mobile, per cui il rendimento energetico del sistema non ne dovrebbe risentire in misura apprezzabile.

Se l’efficienza del sistema è condizionata negativamente dalle inerzie in gioco, queste possono essere diminuite riducendo il diametro dei rotori delle dinamo e sviluppandoli maggiormente in lunghezza, riducendo inoltre il peso degli ingranaggi ricorrendo al duralluminio anziché all’acciaio. Della possibilità di ricorrere ai compositi per il galleggiante mobile si è già detto in precedenza.

E’ proponibile inoltre una variante priva di cremagliere e generatori rotanti (dinamo), sostituendo entrambi questi componenti rispettivamente con un magnete permanente rettilineo avvolto in un solenoide, montato verticalmente alla sommità del galleggiante mobile, di cui segue quindi rigidamente il moto verticale alterno, e con un solenoide verticale fissato alla piattaforma e di diametro tale da consentire che il sistema magnete permanente -solenoide possa spostarsi verticalmente e coassialmente al suo interno.

Il movimento relativo dei due solenoidi fa sì che quello mobile, percorso da una corrente continua costante generante un campo magnetico a sua volta costante, induca nel solenoide fisso una forza elettromotrice alterna , con la stessa frequenza e la stessa fase del moto ondoso.

La corrente continua di detto solenoide mobile può essere generata da una batteria fissata rigidamente al solenoide stesso, di cui quindi segue il movimento alterno, e ricaricata automaticamente prelevando l’energia a valle del solenoide fìsso.

Il solenoide fisso viene collegato, ai suoi capi, ai cavi che alimentano gli accumulatori di terraferma, previa operazione di raddrizzamento della corrente generata dalla forza elettromotrice mediante i commutatori/raddrizzatori già descritti..

Si realizza in tal modo una specie di generatore lineare che può presentare, come già detto della cremagliera, l’inconveniente di un grande ingombro in verticale.

Si può ovviare trasformando il movimento verticale del galleggiante in un movimento orizzontale alterno del solenoide mobile con una opportuna combinazione di pignoni e ruote dentate Detto solenoide mobile, a sua volta in assetto orizzontale e trasante orizzontalmente lungo il proprio asse, impegna nel modo già descritto il solenoide fisso, sempre coassiale al solenoide mobile, quindi a sua volta disposto orizzontalmente.

Qualora si volesse mantenere lassetto verticale dei solenoidi se ne può ridurre considerevolmente la lunghezza svincolandoli dal galleggiante, ricorrendo al sistema catenacontrappeso già descritto in precedenza e inserendo un gruppo riduttore tra la puleggia dentata e una cremagliera verticale mobile alla cui sommità viene fissato rigidamente il solenoide mobile e relativo magnete permanente coassiale.

L’effetto della riduzione è che il sistema cremagliera-solenoide mobile può essere molto più corto dell’escursione del galleggiante, a seconda dellentità del rapporto di riduzione assegnato. Ne consegue il voluto minor ingombro verticale di tutto l’equipaggiamento elettromeccanico e della calotta di protezione.

L’invenzione viene ora meglio chiarita con riferimento ai disegni allegati che illustrano alcune forme preferenziali di realizzazione pratica date a solo titolo esemplificativo ma non limitativo in quanto varianti tecniche o costruttive potranno essere sempre apportate senza uscire dall’ambito della presente invenzione.

In detti disegni :

Le figg. 1-2-3-4 mostrano la versione offshore dell’installazione, in una modalità preferenziale ma non limitativa , ormeggiata rigidamente a blocchi d’ancoraggio posati sul fondo marino tramite cavi permanentemente tesi e non laschi, anche nelle condizioni meteomarine più sfavorevoli. I blocchi di ancoraggio potrebbero essere sostituiti da pali verticali infissi nel fondo marino. I cavi verticali equilibrano per intero e soltanto la spinta di galleggiamento indotta dall’elemento cavo immerso, posto alla base dell’incastellatura e costituito, preferenzialmente ma non limitativamente, da un anello toroidale orizzontale posto a profondità tale da sfruttare al meglio l’attenuazione delle forze da onda con la profondità, conformemente a criteri di ottimizzazione del rapporto costi/benefìci.

I cavi inclinati affrontano tendenzialmente solo le forze trasversali da onda , da vento e da sisma e fanno sì che l’incastellatura rimanga praticamente ferma rispetto al terreno.

L’incastellatura funge ria da guida del galleggiante mobile che da sostegno del vano di sommità in cui sono installati gli equipaggiamenti elettromeccanici sostenuti da una piattaforma orizzontale collocata a quota di sicurezza rispetto alla cresta dell’onda massima di progetto.

Detta incastellatura è caratterizzata dalla massima trasparenza alle onde e si articola tendenzialmente in pochi elementi tubolari di sostegno verticali cilindrici che collegano l’anello di spinta alla piattaforma. Al loro interno passano i cavi verticali di ancoraggio, i cui capicorda superiori sono fissali alla piattaforma e da essa direttamente accessibili per l installazione e la regolazione. I cavi inclinati sono invece fissati, preferenzialmente ma non limitativamente, all’anello di spinta.

Il galleggiante attivo è guidato dai montanti tubolari verticali e la sua corsa è limitata superiormente e inferiormente da ammortizzatori, tipicamente molle, fissati rispettivamente all’intradosso della piattaforma e all’estradosso dell’anello di spinta, per evitare che il galleggiante attivo, mosso da creste delle onde anormalmente alte o da cavi delle onde anormalmente bassi, possa urtare violentemente l’incastellatura, con possibili danneggiamenti della stessa e dello stesso galleggiante attivo.

Il galleggiante attivo porta alla sua sommità una cremagliera verticale che penetra, attraverso un foro praticato nella piattaforma, nel vano superiore dove impegna ed aziona il rotore di una dinamo tramite un ruotismo che può anche avere funzione di riduttore o di moltiplicatore di velocità , a seconda di come viene ottimizzato il sistema.

I vano superiore di alloggiamento dell’equipaggiamento elettromeccanico è racchiuso da una calotta sostenuta direttamente dalla piattaforma, sviluppata in altezza quanto basta per garantire con adeguato margine l escursione massima verso l’alto della cremagliera.

La cremagliera ha inoltre lunghezza tale da far sì che la sua escursione minima la lasci comunque impegnata con il ruotismo .

La calotta ha forme avviate, cioè tali da ridurre al minimo le forze da vento .

Dal collettore della dinamo escono i cavi elettrici che percorrono, opportunamente protetti, il pavimento della piattaforma, arrivano ad uno dei montanti verticali , scendono lungo una delle sue generatrici fino ad arrivare all’anello di spinta, arrivano ad uno dei cavi inclinati rivolto verso la terraferma, lo seguono fino al suo blocco dì ancoraggio, continuano fino al fondo del mare e proseguono, opportunamente protetti, fino alla terraferma.

La fig. 1 mostra la sezione verticale di tutta l’installazione, evidenziando inoltre il livello medio del mare (MSL =Mean Sea Level), il livello della cresta dell’onda massima di progetto e il livello del cavo dell’onda massima di progetto .

Il galleggiante attivo è presentato in prossimità del suo punto morto inferiore.

La fig. 2 mostra una sezione orizzontale al livello del galleggiante attivo ed evidenzia in particolare le mensole di supporto dei montanti verticali, i punti di fissaggio degli ammortizzatori a dette mensole e le guide fissate al galleggiante attivo che abbracciano i montanti verticali.

La fig. 3 mostra una sezione verticale del vano superiore evidenziando una vista laterale dell’equipaggiamento elettromeccanico.

La fig. 4 mostra una sezione orizzontale del vano superiore evidenziando una vista in pianta dell’equipaggiamento elettromeccanico, nonché di un suo possibile potenziamento conseguibile installando altre dinamo facilmente collegabili alla stessa cremagliera o ad altre cremagliere azionabili dallo stesso galleggiante .

La fig. 5 mostra schematicamente l’equipaggiamento di accumulo e conversione di energia elettrica installato, in via preferenziale ma non limitativa , in terraferma , eventualmente in un unico edificio anche non presidiato. Detto equipaggiamento consente di passare dalla corrente continua variabile, a bassa tensione, generata in modo alterno ed irregolare dalle dinamo dell’installazione offshore alla corrente alternata di frequenza standard, tipicamente 50 Hz, ad alta tensione e tendenzialmente trifase della rete in terraferma.

Detto equipaggiamento si articola preferenzialmente ma non limitativamente in apparecchiature statiche disposte in serie e aventi le seguenti funzioni :

-commutatore/raddrìzzatore : apparecchiatura preferibilmente statica ed elettronica che muta la corrente continua alterna in corrente continua pulsante monodirezionale.

-accumulatore : apparecchiatura statica che immagazzina l’energia elettrica che gli perviene sotto forma di corrente continua pulsante e per tempi di durata irregolare e la trasmette a valle sotto forma di corrente continua costante , a tensione costante e tendenzialmente bassa in assoluto, -inverter : apparecchiatura preferenzialmente statica ed elettronica che muta la corrente continua costante in corrente alternata alla frequenza standard voluta e a tensione relativamente bassa, -commutatore di fase: apparecchiatura statica, tendenzialmente elettronica, che muta la corrente alternata monofase in corrente alternata trifase.

-trasformatore: apparecchiatura statica che porta la corrente alternata a bassa tensione in ingresso alla alta tensione della rete in uscita.

Le figg.6-7-8-9 mostrano la versione offshore della installazione, in una modalità preferenziale ma non limitativa, priva dei cavi inclinati e ormeggiata al fondo unicamente coi tiranti verticali, tale quindi da consentire la traslazione rigida, senza rotazione dell’incastellatura, incluso l’elemento vuoto di spinta.

Dette figure mostrano inoltre una variante dell’ equipaggiamento elettromeccanico, il cui azionamento viene effettuato non più da una cremagliera verticale rìgida ma da una catena agganciata alla sommità del galleggiante mobile, avvolta ad una puleggia dentata calettata sull’albero orizzontale dell’indotto della dinamo e tenuta in tensione da un contrappeso libero di spostarsi verticalmente all’ interno di un pozzo vuoto a tenuta stagna, ancorato rigidamente in sommità alla piattaforma e, alla base, all’elemento vuoto di spinta.

Detto pozzo può attraversare verticalmente il galleggiante attivo senza interferire con detto galleggiante, in virtù di un foro verticale a tenuta e coassiale con detto pozzo, con diametro convenientemente maggiorato per rendere agevole il moto relativo senza attrito dei due componenti interessati. La drastica riduzione dell’ingombro in verticale dell ’ equipaggiamento elettromeccanico dovuto all’eliminazione della cremagliera consente di ridurre di altrettanto lo sviluppo in altezza della calotta di protezione, con conseguente attenuazione delle forze da vento agenti sulla parte emersa. La puleggia dentata aziona la dinamo tramite un giunto idraulico, che costituisce una modalità alternativa di accoppiamento, intercambiabile sia con quella già illustrata in precedenza basata su ruotismi, che con pulegge coniche già descritte.

La fig.6 rappresenta una sezione verticale dell’intera installazione che mette in risalto la catena contrappesata, il pozzo del contrappeso, la puleggia dentata, i cavi verticali di ormeggio e i relativi blocchi di ancoraggio, i capicorda di detti cavi ancorati alla piattaforma e gli ammortizzatori del galleggiante attivo.

La fig.7 rappresenta una sezione orizzontale al livello del galleggiante attivo che evidenzia in particolare il pozzo del contrappeso che può attraversare verticalmente detto galleggiante. Evidenzia inoltre i cavi verticali di ormeggio, l’elemento vuoto toroidale di spinta nonché la sede degli ammortizzatori del galleggiante attivo.

La fig.8 rappresenta una sezione verticale del vano superiore dell’equipaggiamento elettromeccanico e illustra il collegamento tra la catena e la dinamo tramite il giunto idraulico. La fig.9 rappresenta una sezione orizzontale del vano superiore dell’equipaggiamento elettromeccanico e completa la descrizione di questa variante dell’ equipaggiamento elettromeccanico.

Le figg.10-11-12-13 mostrano una variante, sia dell’ equipaggiamento elettromeccanico che della modalità d’installazione delfiniera impianto. Detta modalità d’ installazone è del tipo near-shore o shoreline, priva quindi sia di cavi di ormeggio che di elementi vuoti di spinta, sostituiti da una semplice fondatone a gravità a cui si àncora direttamente l’incastellatura. Quanto all’ equipaggiamento elettromeccanico esso è privo di componenti rotanti (dinamo) ma si basa sul moto relativo di un magnete permanente a solenoide, sottoposto tramite il galleggiante attivo al moto alterno delle onde, rispetto ad un solenoide fisso solidale con l’incastellatura e collegato tramite cavi elettrici agli accumulatori installati in terraferma.

La fig.10 illustra una sezione verticale dell’intera installazione secondo una modalità più semplice che però può implicare ingombri verticali notevoli, consistendo principalmente nel moto relativo di un’asta rigida verticale agganciata all’estradosso del galleggiante attivo, munita, all’estremità superiore, del magnete permanente a solenoide, rispetto ad un solenoide fisso solidale con l’incastellatura fissa.

La fig.ll illustra una sezione orizzontale al livello dei due solenoidi, rispettivamente mobile e fisso, nonché l’ingombro in pianta della fondazione a gravità dell’installazione.

Le figg.12-13 illustrano una modalità alternativa dell’accoppiamento dei due solenoidi volta a ridurre drasticamente l’ingombro verticale dell’ equipaggiamento elettromeccanico, ricorrendo alla variante illustrata dalle figg.6- 7-8-9 basata sulla installazione di una catena contrappesata che, tramite un gruppo motoriduttore, può ridurre drasticamente e convenientemente sia la corsa che la lunghezza ria del magnete permanente a solenoide che del solenoide fisso. Ne consegue la riduzione drastica dell’ingombro verticale del vano superiore, con i vantaggi già descritti nelle versioni precedenti.

La fig.12 illustra una sezione verticale dell’ equipaggiamento compatto. Sono evidenziati in particolare una breve cremagliera verticale impegnata dal gruppo motoriduttore e solidale con il magnete permanente a solenoide, a sua volta verticale, rappresentato in posizione prossima al suo punto morto inferiore.

La fig.13 mostra una pianta dello stesso equipaggiamento.

Le figg. 14- 15 mostrano una installazione offshore caratterizzata da una grande mole e grande inerzia, ormeggiata al fondo marino con cavi laschi, al limite uno solo, munita di un grande elemento cavo di spinta situato a grande profondità per ridurre il più possibile le forze orizzontali da onda e che funge da sostegno all’incastellatura verticale, trasparente il più possibile all’onda e con funzione di guida verticale al galleggiante attivo. Detto galleggiante attivo viceversa è quanto più possibile leggero e a piccola inerzia, per seguire il moto verticale dell’onda. Nella parte permanentemente emersa è installato l equipaggiamento elettromeccanico con modalità analoghe a quelle già illustrate in precedenza.

La fig.14 mostra una sezione verticale dell’intera installazione.

La fig.15 mostra un quarto di una sezione orizzontale che mostra, i montanti dell’incastellatura e l’elemento cavo di spinta sottostante.

Le figg. 16-17 mostrano una TLP (Tension Leg Platform) su cui è installato, come impianto ausiliario erogatore di energia elettrica, un impianto del tipo che è oggetto di questa invenzione con tutte le sue varianti.

La fig.16 mostra una sezione verticale completa di detta TLP dagli equipaggiamenti emersi di sommità ai pali infissi nel fondo del mare a cui sono ancorati i cavi verticali di ormeggio. E’ anche evidenziato, per completezza e in relazione alla sua finizione primaria, il fascio verticale dei tubi che, infissi nel giacimento petrolifero situato a grande profondità sotto il fondo marino, si prolungano fino alla sommità della TLP dove viene effettuato il processameno degli idrocarburi estratti. Sull’anello di spinta immerso è collocato limpianto ausiliario già menzionato la cui incastellatura si estende da detto anello di spinta fino all’intradosso del ponte emerso collocato in sommità. All’interno di detta incastellatura si muove il galleggiante attivo che aziona, con le varie modalità già descritte, l’equipaggiamento elettromeccanico collocato in posizione permanentemente emersa.

La fig.17 mostra una sezione orizzontale della TLP collocata al di sopra del galleggiante di detto impianto ausiliario evidenziandone la collocazione, l’articolazione dell’incastellatura e la finizione di guida che ha detta incastellatura per il galleggiante attivo.

Le figg. 18-19-20 mostrano una modalità di impiego dell’impianto oggetto di questa invenzione consistente nell’ affiancare un certo numero, anche grande, di detti impianti in modo da realizzare l’equivalente di una diga frangiflutti). Tendenzialmente questa modalità d’impiego è proponibile per collocazioni near-shore o shoreline, ma le figure illustrano una soluzione near-shore. L’azione frangiflutto è dovuta principalmente agli elementi vuoti di spinta immersi e ai galleggianti attivi. Sono previsti ammortizzatori orizzontali interposti fra unità ed unità ad evitare urti violenti tra dette unità causati principalmente dall’azione trasversale delle onde e del vento. Il sistema può essere agevolmente integrato con impianti eolici e con pannelli solari, illustrati dalle figure.

La fig.18 mostra il prospetto verticale del sistema frangiflutto.

La fig.19 mostra una sezione verticale trasversale di una unità della barriera.

La fig.20 mostra ima pianta del sistema frangiflutto evidenziando in particolare una possibile disposizione degli ammortizzatori, che possono anche essere a doppio effetto e quindi garantire anche il contatto permanente tra unità ed unità.

Più in dettaglio:

Le fìgg.1-2-3-4 mostrano il galleggiante attivo 1 che muove verticalmente la cremagliera 2 azionante la ruota dentata 3 che impegna la ruota dentata 4 calettata sull’asse del rotore della dinamo S. Detto galleggiante 1 è guidato verticalmente da montanti 6, sostenuti dall’elemento vuoto di spinta 7. Detti montanti 6 sostengono la piattaforma 8 su cui è installato l’equipaggiamento elettromeccanico, protetto superiormente dalla calotta chiusa 9. Il movimento alterno del galleggiante 1 è agevolato dalla cerniera sferica 10. in ad si impernia la cremagliera 2, guidata convenientemente anche all’altezza della piattaforma 8 e, eventualmente, ad altre quote all’interno della calotta 9. Gli ammortizzatori 11, installati all’intradosso della piattaforma 8 e all’estradosso delle mensole 7bis solidali con l’elemento vuoto 7, controllano le escursioni massime del galleggiante 1 e sono convenientemente collocate al di sopra del livello 13 della massima cresta dell’onda e al di sotto del livello 14 del minimo cavo dell’onda. Il livello 12 corrisponde a quello di mare calmo senza onde (MSL=Mean Sea Level). Il galleggiante 1 è munito inoltre di guide verticali Ibis che evitano possibili disassamenti di detto galleggiante 1 rispetto al suo asse verticale. L’installazione nel suo complesso è ancorata, secondo ima variante non limitativa, tramite cavi verticali 15 e cavi inclinati 15bis a blocchi d’ancoraggio 16 appoggiati sul fondo marino 17. Detti cavi sono fissati all’ incastellatura tramite i capicorda 18 dei cavi verticali e 18bis dei cavi inclinati. La cremagliera 2, o più cremagliere, possono azionare una o più dinamo 5, che convogliano tramite i cavi elettrici 19 la corrente elettrica alla terraferma.

La fig.5 illustra schematicamente l’installazione di terraferma, tale preferenzialmente ma non limitativamente, dove è evidenziato il cavo elettrico 19, proveniente dalla installazione offshore, che alimenta il commutatore/raddrizzatore 20 e in sequenza l’accumulatore 21, l’inverter statico o dinamico 22, il convertitore monofase/trifase 23, la linea trifase 24, il trasformatore trifase 25 e la rete finale 26.

Le figg.6-7-8-9 mostrano una variante sia dell’equipaggiamento elettromeccanico che del sistema di ormeggio, intercambiabili con la versione precedentemente illustrata. 11 galleggiante attivo 1 aziona una catena 2bis che impegna una puleggia dentata 27 calettata sull’asse orizzontale della dinamo 5 e che viene mantenuta in tensione dal contrappeso 28. Detto contrappeso 28 ri sposta liberamente senza attrito nel pozzo vuoto e a tenuta 29, che può attraversare liberamente il galleggiante 1 in virtù di un foro 30, o asola come alternativa, senza interferire con il movimento verticale di detto galleggiante 1. Secondo una variante intercambiabile con le soluzioni precedentemente illustrate la puleggia dentata 27 può azionare la dinamo 5 tramite l’interposto giunto idraulico 31. La puleggia dentata 27 può azionare una seconda dinamo 5, anche in combinazione con l’utilizzo di arpionismi (organi di arresto ad azione unilaterale) che consentono l’attivazione e la disattivazione alterna di ciascuna dinamo 5. L’installazione viene presentata nella variante priva di cavi di ormeggio inclinati, ma dotata dei soli cavi verticali 15. Inoltre, in virtù del ridotto ingombro valicale dell’equipaggiamento elettromeccanico, la edotta 9bis può essere molto più bassa che non nella versione a cremagliera.

Le figg.10-11 mostrano una installazione nella versione near-shore o shoreline con incastellatura priva di elemento cavo di spinta e ancorata direttamente ad una fondazione a gravità 32 e con equipaggiamento elettromeccanico articolato in un magnete permanente a solenoide 33 montato verticalmente su di un’asta rigida verticale 34 e alimentato da una batteria 35. Detto magnete 33 si sposta verticalmente con moto alterno coassialmente ad un solenoide verticale fisso 36 in cui, per induzione, si genera una corrente continua alterna che, convogliata dai cavi elettrici 19bis, perviene all’equipaggiamento fisso installato in terraferma, già descritto nelle versioni precedenti. L’ingombro in verticale di questo equipaggiamento elettromeccanico può venire drasticamente ridotto con la variante illustrata dalle figg.12-13 sostituendo l’asta rigida 34 con la catena 2bis facente parte di una installazione simile a quella già illustrata nella fig.6. In questo caso la puleggia dentata 27 di fig.6 adona un gruppo riduttore 37 che aziona a sua volta una cremagliera verticale 38, molto più corta dell’ escursione verticale del galleggiante 1 in virtù di un conveniente rapporto di riduzione e a cui è solidale un magnete permanente a solenoide 33bis, alimentato dalla batteria 35bis, che conseguentemente può essere molto più corto del suo analogo 33 già descritto. Lo stesso dicasi del solenoide fisso 36bis. L’ingombro verticale molto più ridotto consente un corrispondente minor sviluppo in altezza della calotta 9bis.

Le figg. 14-15 mostrano l installazione a grande inerzia ormeggiata in modo lasco dai cavi 39 ancorati ai pali 40 infissi verticalmente nel fondo del mare 17.

La fig.15 mostra un quarto dell’elemento cavo di spinta 7.

Le figg.16- 17 illustrano schematicamente una TLP (Tension Leg Platform), non oggetto di questa invenzione ma idonea ad essere equipaggiata con detta invenzione, installata tra l’elemento cavo di spinta 7 e la sovrastruttura di produzione 41. Di detto equipaggiamento sono evidenziati schematicamente il galleggiante attivo 1, la cremagliera 2, i montanti verticali di guida 6 e la dinamo 5, secondo una modalità non limitativa già illustrata in precedenza.

Le figg.18-19-20 illustrano un sistema di più unità 42 affiancate, suscettibili di produzione in serie, configurato come diga frangiflutto nella versione offshore o near-shore.Tra le varie unità adiacenti sono interposti gli ammortizzatori 1 Ibis. Ogni unità 42 può essere integrata da impianto eolico 43 e da pannelli solari 44.

Claims (12)

1. ivendicazioni 1. L’intera installazione in tutte le sue varianti, articolata principalmente ma non limitativamente in una incastellatura galleggiante ancorata al fondo marino tramite cavi, che sostiene un equipaggiamento elettromeccanico costituito principalmente da una o più dinamo azionate, tramite opportuni dispositivi, da un galleggiante mosso a sua volta dal moto ondoso, nonché costituita da un complesso statico di accumulo e conversione di energia elettrica, preferenzialmente installato in terraferma, idoneo al trasferimento di detta energia alla rete ad alta tensione e alle frequenze standard della terraferma.
2. 2. L’installazione come da rivendicazione 1, ma nella versione galleggiante a grande inerzia e con ormeggi laschi antideriva.
3. 3. L’installazione come da rivendicazione 1, ma nella versione a gravità con incastellatura non galleggiante ancorata ad una fondazione appoggiata direttamente al fondo del mare.
4. 4. L ’ equipaggi amento elettromeccanico con tutte le sue varianti di cui alla rivendicazione 1, articolato principalmente in dispositivi che convertono il moto verticale del galleggiante nel moto rotatorio, eventualmente alterno, di una o più dinamo, nei cavi elettrici che convogliano l’energia elettrica alla terraferma dove ha luogo preferenzialmente la conversione da corrente continua variabile e alterna a bassa tensione a corrente alternata, ad ampiezza costante, ad alta tensione e alla frequenza standard della rete.
5. 5. L’equipaggiamento elettromeccanico in una sua variante priva di elementi rotanti, costituita principalmente da un magnete permanente a solenoide, soggetto ad escursioni alterne impresse dalle onde tramite il galleggiante, interagente coassialmente con un solenoide statico fissato rìgidamente all’ incastellatura, idoneo a trasformare la forza elettromotrice indotta dal magnete permanente in corrente continua da inviare, tramite cavi elettrici, alla terraferma. I solenoidi coassiali possono essere disposti, in due distinte varianti, sia verticalmente che orizzontalmente.
6. 6. Flessibilità e tendenziale indipendenza dell’installazione dalla profondità del fondale e dalla escursione delle maree, limitata unicamente da vincoli di carattere economico m termini costi/benefici, ma non tecnologici. Ciò a differenza dello stato dell’arte caratterizzato da limitazioni di nicchia.
7. 7. Marcata predisposizione all’impiego sistematico di materiali innovativi, quali i compositi, non escluso l’economico vetroresina e le fibre aramidiche. Si sottolineano i vantaggi correlati a tale scelta. -Insensibilità all’aggressività dell’ambiente marino. -Drastiche riduzioni nei pesi dei vari componenti del’installazione, soprattutto l incastellatura e i cavi di ormeggio. -Drastica riduzione degli oneri di manutenzione. -Insensibilità alla fatica. -Vita praticamente illimitata.
8. 8. Idoneità ad essere installata su impianti offshore quali le TLP (Tension Leg Platform) come fonte ausiliaria di energia.
9. 9. Equipaggiamento elettromeccanico caratterizzato dall’intercambiabilità di componenti quali cremagliere sostituibili con catene, ruotismi sostituibili con giunti idraulici o con pulegge coniche, inverter sostituibili con macchine rotanti quali motori a corrente continua trascinanti alternatori.
10. 10. Funzione aggiuntiva di frangiflutti ottenibile affiancando diverse unità, eventualmente e preferibilmente prodotte in serie.
11. 11. Idonea a fungere da supporto di diverse altre installazioni quali impianti eolici e pannelli solari.
12. 12. Predisposta per un funzionamento non presidiato (unmanned).