ITNA20120055A1 - Generatore eolico modulare per vento artificiale - Google Patents

Description

Descrizione

“Sistema modulare per la produzione di energia eletrica da correnti d’aria sia artificiali che naturali “

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo di applicazione dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un sistema eletro-meccanico in grado di produrre energia eletrica da correnti d’aria sia naturali che artificiali.

Descrizione dell’arte nota

I generatori eolici presenti sul mercato non possono lavorare efficientemente in presenza di venti artificiali perchè in questi casi è necessario sfrutare tuta l’energia della corrente d’aria che atraversa una sezione geometrica definita. Con venti artificiali, ci si riferisce alle correnti delle scie dei veicoli sulle autostrade, dei treni, delle correnti artificiali che si generano tra alti edifici e gli scarichi degli impianti per il condizionamento ambientale e delle metropolitane. Nel caso di generatori a pale singole, il vento sfrutato, è una frazione piccola rispeto a quello che atraversa la sezione occupata dal generatore. Il vuoto tra le pale rappresenta aN’incirca il 70% della superfice esposta. La soluzione è l'utilizzo di un sistema a pale multiple, non realizzabile con i sistemi commerciali per problemi di aerodinamicità.

Esistono vari breveti su sistemi a pale multiple.

Gli unici breveti a livello mondiale che presentano però aspeti correlati a quanto oggeto della presente domanda sono quelli di seguito menzionati ed esaminati. Il breveto “MULTI-LAYER WIND POWER GENERATION SYSTEM” (SONG HI ΜΙΝ) n WO2012067287 è un sistema che funziona solo con assi verticali, e quindi con certe tipologie di venti. Il sistema è costituito da una torre di notevoli dimensioni dove le pale sono montate una sopra l'altra e sono collegate in serie meccanicamente mediante un'albero di trasmissione che va all'alternatore.

Le pale sono raggruppate avendo un generatore ogni “n” pale: per com'e’ costruito meccanicamente ogni gruppo, questo non funziona non appena una delle pale si blocca, bloccando tutto il gruppo. Il brevetto della presente domanda, invece, permette sia pale con assi verticali che orizzontali, e, per la presenza di frizioni su ogni pala, continua a generare energia anche se ci sono pale bloccate o che vanno a velocità più basse. Inoltre, la soluzione non permette l'orientamento rispetto al vento, viste le grandi dimensioni ed i pesi in gioco, mentre il nostro sistema posto su una piattaforma rotante si può orientare al vento, e può funzionare sia in orizzontale che in verticale.

Il brevetto “Wind turbine apparatus, wind turbine System and methods of making and using thè same” (CWIERTNIA ERIC et al.) n. US2012070293 non permette, per la forma delle pale utilizzare, la sovrapposizione di più sistemi in verticale e quindi non permette lo sfruttamento di tutta l'area. Il brevetto della presente domanda, permette la sovrapposizione di moduli sia in verticale che in orizzontale.

Il brevetto “Stackable modular wind turbine for generating electrical power” (BUTKUS JOHN, et al.) n.GB2479889 prevede la sovrapposizione delle pale, ma non l'affiancamento, inoltre ogni pala prevede un generatore singolo, e le pale non interagiscono fra loro per aumentare la potenza in gioco. Nel presente brevetto, invece, i moduli possono essere sovrapposti sia in verticale che in orizzontale e le pale di ogni modulo interagiscono attraverso un collegamento a cinghie aumentando la potenza generata ed utilizzando un generatore per ogni gruppo di pale riducendo le perdite meccaniche ed elettriche.

Il brevetto “Parabolic bi-directional wind turbine assembly and omni-directional power array” (A. BRANCO et al.) n. US2008315592 prevede l'utilizzo di un numero di turbine da montare sopra un edificio. Il brevetto attuale, invece, integra più pale in un solo generatore, ottimizzando le potenze, inoltre è utilizzabile sia sopra degli edifici, che sul lato di passaggio di treni o auto o in gallerie utilizzando il flusso d'aria generato dai veicoli.

Sommario dell’invenzione

Generatore eolico modulare progettato per lo sfruttamento del vento artificiale derivante da correnti di scia dei veicoli sulle autostrade, dei treni, delle correnti artificiali che si generano su edifici e gli scarichi degli impianti per il condizionamento ambientale e delle metropolitane.

Il sistema è costituito da un telaio, a geometria non necessariamente squadrata, dove all’interno si monta un sistema di pale cilindriche che ruotano sotto l'azione del vento. Le pale ruotano in modo parallelo tra di loro e, sono tenute e sostenute da entrambi i lati da due cuscinetti che ne consentono la rotazione con basso attrito. Le pale, mediante un concatenato cinematico, ruotano tutte alla stessa velocità e nella stessa direzione. Delle frizioni ad attrito regolabile assicurano che, in caso di minore efficenza di una delle pale, questa viene staccata e le altre non perdano potenza

Lo stesso tipo di concatenato cinematico collega l’ultima pala della serie ad un generatore elettrico commerciale.

Il sistema si configura come sistema modulare, infatti è possibile sistemare anche più moduli di pale rotanti, affiancandoli sia in verticale che in orizzontale e se necessario, possono assumere geometrie variabili, sempre mantenendo il sistema di pale parallele.

Inoltre, un modulo può essere disposto sia in senso verticale che orizzontale, formando un sistema lineare di lunghezza variabile a seconda delle necessità e del tipo di vento che lo attraversa.

Il sistema permette di sfruttare tutta l’energia prodotta dal vento sia naturale che artificiale, che attraversa la sezione costituita dal telaio.

La geometria del telaio di supporto pale può essere di qualsiasi tipo, non necessariamente squadrata, basta che consenta di fissare i cuscinetti a sfere e permettere alle pale di girare in modo parallelo.

Il telaio avrà un lato da usare come base di appoggio sufficientemente ampio per contenere la parte elettrica del sistema.

Il telaio avrà una forma scatolata per dare rigidezza al sistema e proteggere il cinematismo di rotazione.

Le pale sono strutture leggere costituite da un tubo centrale con delle lamine fissate lungo la sua lunghezza. Alle estremità i tubi montano dei mozzi che permetteranno il calettamento dei cuscinetti. I cuscinetti, a loro volta, mediante boccole oscillanti, vengono fissati sui lati del telaio e regolati in modo da rispettare il parallelismo delle pale.

Ad una estremità di ogni pala vi sono due pulegge amovibili che girano solidali alla stessa. Mediante una cinghia, si collega ogni pala alla puleggia successiva e mediante un'altra cinghia si collega la pala alla precedente, consentendo la rotazione simultanea di tutte le pale della sezione dell'aereogeneratore.

L’ultima pala, quella più vicina al generatore elettrico, porta sia la puleggia con la cinghia di collegamento alla pala precedente sia la puleggia con la cinghia che lollega meccanicamente il generatore elettrico; alla puleggia del generatore arriva la somma di tutte le potenze delle singole pale mosse dal vento.

Il sistema è realizzabile con componenti commerciali di facile reperibilità, e di basso costo. L'invenzione è industrializzabile.

Breve descrizione delle figure

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni.

In figura 1 e’ mostrato un modulo energetico con le pale (1) montate in orizzontale. Il generatore di elettricità (2) collegato cinematicamente alle pale (1), genera una corrente che viene portata all’elettronica (3) che utilizzando l’accumulatore (4) immagazzina l'energia per poi trasferirla all’esterno.

In figura 2 è mostrato il sistema nella sua modalità “pale verticali’’ (5). Tutte le parti del sistema sono equivalenti alla versione “pale orizzontali”. La scelta sulla posizione delle pale dipende dalla tipologia di vento mediamente incidente sul sistema.

In figura 3 è mostrato il principio di funzionamento attraverso le tre viste del sistema: anteriore (6), posteriore (7), laterale (8). Le pale sono disegnate per avere la massima area di incidenza del vento. Il sistema funziona particolarmente bene con i venti artificiali (passaggio di mezzi in gallerie o autostrade, uscite dei condizionatori, ecc.), che hanno una direzione prevalente e costante.

In figura 4 sono mostrate le cinghie (9) di trasmissione dell’energia cinetica. Le pale girando fanno muovere la cinghia (10) collegata al generatore di energia. Le pale hanno delle frizioni che permettono di far funzionare il sistema anche se una delle pale si blocca. La parte di trasmissione cinematica nel sistema è per ovvie ragioni di sicurezza.

in figura 5 è mostrato il particolare del montaggio di due pale come esempio. La pala (11) è montata su due cuscinetti (12) che permettono di mantenere l'asse senza aumentare l'attrito. La puleggia (13) rappresentata è quella della pala più in alto nel modulo che ha una sola cinghia verso la seconda pala. La puleggia (14) è una delle altre pulegge del modulo che hanno due cinghie, una che collega la pala superiore ed una quella inferiore. L’ultima pala avrà una cinghia che si collega direttamente al generatore elettrico. Un sistema di innesto ad attrito regolabile (15) permette di scollegare cinematicamente la pala se si blocca o non gira opportunamente.

In figura 6 sono mostrati due moduli collegati insieme. Ogni modulo ha su un lato un cavo con connettore femmina (16) che trasporta l’energia generata all'uscita dell’elettronica di controllo. Sull’altro lato è presente un connettore maschio (17) che permette il collegamento in parallelo di vari moduli aumentando l'energia generata.

In figura 7 è mostrato come i moduli possano essere anche collegati fra loro ad un angolo diverso, per ottimizzare il vento, utilizzando il cavo (16) già descritto.

In figura 8 è mostrato come è possibile impilare più moduli. Questo è possibile perchè i materiali costruttivi utilizzati (principalmente alluminio) permettono una leggerezza, ma al contempo una solidità del sistema. Il collegamento elettrico fra le varie linee di moduli viene effettuato da un cavo (18) posizionato solo alla fine di tutti i moduli come in figura permettendo il collegamento in parallelo dei vari moduli.

In figura 9 è mostrato un possibile schema elettrico semplificato dell’elettronica di controllo di un singolo modulo. Tale schema è standard e comprende le pale (19) che girando azionano l’alternatore (20). La corrente alternata generata che avrà una frequenza proporzionale alla velocità del vento, viene raddrizzata da un raddrizzatore (21) e da una batteria di condensatori (22). L'uscita avrà una tensione variabile rispetto alla velocità del vento. Tale tensione viene stabilizzata al valore richiesto da un DC/DC converter di potenza (23).

In figura 10 è mostrato come vengono collegati i moduli fra loro per ottimizzare l’energia generata. Ogni singolo modulo (25) è rappresentato come un generatore di tensione continua. Le tensioni di uscita di ogni singolo modulo devono avere tutte lo stesso valore: a questo scopo è previsto o un inverter che generi tensioni costanti, o una specifica elettronica di controllo che, utilizzando un DC/DC converter di potenza (23 figura precedente) stabilizzi tale valore; la tensione di uscita è modificabile in fase di realizzazione del sistema a seconda delle esigenze del carico da utilizzare a valle del generatore di energia. I valori di tensioni sono tutti uguali per ottimizzare l’energia prodotta e non avere delle dispersioni fra i moduli derivante da correnti parassite dovute al collegamento in parallelo. Come carico di tutti i moduli (26) si prevede un pacco di batterie commerciali utilizzate normalmente nei generatori eolici, o altre soluzioni di accumulazione dell'energia man mano che si renderanno disponibili sul mercato (supercondensatori, celle liquide, o altro). In caso si voglia come carico direttamente la rete elettrica, è possibile introdurre un sistema commerciale per l'inserimento del generatore in rete.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Il sistema permette di generare energia elettrica dalla rotazione di pale cilindriche disposte parallelamente che possono lavorare sia in senso verticale o in orizzontale. Le pale sono collegate cinematicamente da pulegge e cinghie che, convergono su un alternatore in grado di produrre energia elettrica.

Il principio di funzionamento sfrutta la resistenza offerta dalle pale anziché la portanza come avviene in tutti i sistemi di generazione eolica: questo permette di avere una buona efficenza anche in caso di venti deboli, ma che presentano caratteristiche di stabilità nel tempo e nella direzione, cosa che sicuramente avviene in caso di venti artificiali.

Le pale cilindriche sono sistemate in un telaio e disposte in modo da sfiorarsi catturando tutta l'energia della corrente d'aria che attraversa la sezione del telaio . Le pale cilindriche o turbine, sono realizzate con un tubo centrale sul quale vengono fissate delle lamine calandrate. Le pale verranno disposte in modo affiancato e parallelo mediante cuscinetti fissati sulla fiancata del telaio portante, alla cui base, in un vano protetto, si troverà il sistema di generazione e trasformazione elettrica.

I materiali sono leggeri ma resistenti (leghe di alluminio o fibre composite) per poter ottenere un buon generatore non a scapito del peso dello stesso. Le dimensioni di ogni singolo modulo possono essere variabili, ad esempio, da 1 metro a 4 metri in larghezza, e lo stesso in altezza. La profondità del modulo può’ variare, ad esempio, da 200 a 600 mm per ottenere una pala sufficientemente rigida ed efficiente.

La forma esterna del telaio può essere adattata e modificata con grande libertà, basta che si rispetti il parallelismo delle pale che devono catturare l’aria che attraversa la sezione del telaio. Il parallelismo è necessario anche per consentire la corretta trasmissione cinematica.

La spinta del vento genera una rotazione delle pale che ruotando sincronicamente in quanto collegate da cinghie, trasmettono la potenza alla fine della catena. La otenza è la somma delle singole potenze ed il rendimento è il prodotto dei singoli rendimenti delle pale. Per ottimizzare la potenza generata, ogni singola pala ha un sistema meccanico per il controllo della coppia (innesto ad attrito regolabile o sistema simile) che permette, anche in caso di blocco di una delle pale, di scollegare cinematicamente le cinghie sulla pala bloccata eliminando la possibilità che tale blocco limiti la velocità di rotazione delle altre pale.

Il sistema si basa sui seguenti componenti:

1. Telaio esterno : il telaio ha lo scopo di sostenere il peso delle pale e gli sforzi meccanici derivanti dall’azione del vento sulle pale. Il telaio può avere diverse geometrie che consentono l’adattamento del generatore eolico in strutture già realizzate, (barriere autostradali, pali elettrici ferroviari, tralicci di elettrodotti, balconate, parapetti, etc.) Il telaio può essere, ad esempio, di trafilati metallici commerciali di 1-2 mm di spessore o materiali compositi poltrusi o stampati di 2-3 mm di spessore.

2. Pale cilindriche: le pale sono realizzate, ad esempio, con lamine sottili in metallo calandrato di piccolo spessore o in materiale composito. Le lamine vengono fissate con rivetti e colla ad un tubo metallico o in composito che rappresenta l'elemento di rotazione. La pala superiore è collegata cinematicamente alla pala sottostante, le altre pale sono collegate cinematicamente attraverso due cinghie sia alla pala precedente che alla successiva o, nel caso dell’ultima pala all'alternatore.

3. Cuscinetti oscillanti: l’asse di ogni pala è sostenuto da due cuscinetti commerciali dimensionati in base alla lunghezza e peso della pala e dalla velocità di rotazione attesa. I cuscinetti consentono la riduzione degli attriti durante la rotazione e l’allineamento tra le due estremità dell'albero della pala cilindrica

4. Innesto ad attrito regolabile: Sistema meccanico che permette di scollegare meccanicamente la puleggia dall’asse della pala in caso di blocco o di rallentamento significativo della pala stessa.

5. Pulegge: All'asse della pala ad un solo lato viene fissata una puleggia di alluminio o di resina mediante un blocco meccanico a vite o altro. La puleggia può essere a doppia scanalatura per ospitare le due cinghie oppure due pulegge a singola scanalatura.

6. Cinghie: Le pale vicine sono collegate luna all'altra mediante una cinghia per la trasmissione del moto rotatorio, mentre l'ultima pala ha anche lo stesso collegamento verso l’alternatore.

7. Generatore elettrico: generatore commerciale alternato sincrono a magneti permanenti a flusso radiale a bassi giri ed alto rendimento.

8. Elettronica di controllo: inverter commerciale raddrizzatore per carica batteria a tensione costante, o elettronica custom generata ad hoc che abbia le caratteristica fondamentale di avere una tensione d'uscita il più possibile costante al variare della potenza del vento.

9. Batterie: di tipo sigillato, ricaricabili, a bassa resistenza interna, standard size, bassa manutenzione.

10. Connettore elettrico di uscita: è sostanzialmente un semplice contatto elettrico che mette in serie i vari moduli di generatore eolico. Lo scopo è di consentire la facile sostituzione di un modulo danneggiato e di poter creare una catena elettrica unica di diversi moduli disposti in serie.

Ogni parte del sistema è realizzata con componenti commerciali di facile reperibilità e di basso costo.

Quindi, l'invenzione nella sua globalità è realizzabile industrialmente.

Claims (9)

1. Rivendicazioni 1. Sistema di generazione eolica modulare costituito da una struttura di supporto, da alcune pale cilindriche parallele orizzontali (1), da un generatore elettrico (2) e da un elettronica di controllo (3), e caratterizzato dal collegamento delle pale fra loro e verso il generatore attraverso cinghie (9) e pulegge (13) per la trasmissione cinematica e dall’uso di innesti ad attrito regolabile (15) coassiale all’albero di ogni pala.
2. 2. Sistema secondo la riv.1 caratterizzato dal fatto che le pale parallele possono anche essere verticali.
3. 3. Sistema secondo le riv. da 1 a 2 caratterizzato dai fatto che le cinghie e ie pulegge siano realizzate in un qualsiasi materiale e possono essere lisce o dentate.
4. 4. Sistema secondo le riv. da 1 a 3 caratterizzato dal fatto che gli innesti ad attrito regolabile (15) siano montati prima o dopo i cuscinetti (12).
5. 5. Sistema secondo le riv. da 1 a 4 caratterizzato dal fatto che i materiali di costruzione della struttura e delle pale possono essere qualsiasi.
6. 6. Sistema secondo le riv. da 1 a 5 caratterizzato dal fatto che le misure de! sistema e delle pale non sono vincolanti.
7. 7. Sistema secondo le riv. da 1 a 6 caratterizzato dai fatto che ii generatore elettrico collegato alle cinghie possa essere di qualsiasi tipo.
8. 8. Sistema secondo le riv. da 1 a 7 caratterizzato dal fatto che l’elettronica di controllo è realizzata con un circuito custom, o con qualche soluzione commerciale.
9. 9. Sistema secondo le riv. da 1 a 8 caratterizzato dal fatto che sia possibile ontare più moduli sia in orizzontale che in verticale collegandoli elettricamente.