ITNA20130006A1 - Metodo ed impianti per la generazione di energia elettrica (o meccanica) dalla pressione sottomarina. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per TITOLO:

...METODO ED IMPIANTI PER LA GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA (O MECCANICA) DALLA PRESSIONE SOTTOMARINA .

L’idea vuole fornire una nuova metodologia per la produzione di energia elettrica (o solo meccanica), andandosi ad aggiungere alle attuali metodologie degli impianti idroelettrici, che però sono tutt’ora limitati alla loro realizzazione sopra il livello del mare, con una saturazione dei siti disponibili tra l'altro crescente e senza contare la limitazione legata alla portata e costanza dei singoli corsi d'acqua sfruttabili, oltre che ai noti problemi legati alle opere civili necessarie per la costruzione di tali impianti.

Questa nuova tipologia di impianti idroelettrici invece, consentirà la loro realizzazione a livello sottomarino, anche a grandi profondità. Infatti, incanalando l’acqua in uscita da una turbina sommersa ad una determinata profondità e convogliandola in un collettore posto più in basso, per poi scaricarla in due serbatoi (posti sotto al collettore) alternativamente; ed ancora, alternativamente rispetto al ciclo di riempimento dei serbatoi, pompando aria compressa negli stessi quando sono pieni d'acqua, si otterrà lo svuotamento di detti serbatoi; ripetendo quindi il procedimento in modo continuo, altrettanto continuamente la turbina girerà generando l’energia elettrica o meccanica voluta. Inoltre essendo strutture off-shore, volendo si potrà utilizzare l’energia utile prodotta (o parte di essa) dalla turbina elettrica, alimentando impianti per l’elettrolisi dell’acqua e generando così idrogeno.

Per ottenere il suddetto processo, le strutture da realizzare, i macchinari, e le varie attrezzature, dovranno avere particolari caratteristiche tecniche e, nello specifico, come di seguito descritto.

La turbina (o più turbine) (1, come da disegno), dovendo essere immersa, dovrà resistere alla pressione d’esercizio relativa alla profondità d’installazione deirimpianto; potrà essere dimensionata in base alle esigenze di produzione, in quanto la produzione di energia sarà direttamente proporzionale alla profondità dell’impianto e/o alla quantità d’acqua che attraversa la turbina stessa; sarà integrata sulla camera del collettore (2) o, se necessario, la turbina potrà essere installata all'interno di un’apposita camera dedicata, ermeticamente chiusa, con delle prese per l’acqua in ingresso ed in uscita alla turbina. Un’altra soluzione possibile, anche se sconsigliata, è quella di installare al posto di una turbina elettrica, una semplice turbina meccanica (o più turbine) sommersa, che ruotando, genererà energia meccanica appunto e quindi accoppiando un albero di trasmissione, si potranno azionare specifici macchinari (sommersi o meno) oppure un generatore elettrico se lo si vuole installare in superficie.

Il collettore sostanzialmente è costituito da una camera (2), ermeticamente chiusa e resistente alle pressioni d’esercizio, con le seguenti caratteristiche: dovrà avere un tubo (3) (o più tubi flessibili o rigidi) attaccato alla facciata superiore tramite una valvola ed opportunamente dimensionato, che salga almeno fino al pelo libero dell’acqua (o collegato alla camera compressore), permettendo cosi di avere una pressione interna al collettore pari a quella atmosferica circa (aria e pressione ottenibili, come detto, anche dal compressore eliminando il tubo di risalita) e creando cosi una differenza di pressione tra l'uscita e l’ingresso della turbina tale da consentire il passaggio dell’acqua ed il conseguente movimento della turbina stessa; inoltre dovrà avere una valvola (5) (o più valvole) per il collegamento ad ogni serbatoio , dimensionata in modo tale, da scaricare l’acqua nei singoli serbatoi (4), con una portata almeno pari alla portata dell’acqua in uscita dalla turbina, evitando di far riempire il collettore col trascorrere del tempo.

I serbatoi (4), anch’essi resistenti alle pressioni d’esercizio, dovranno essere due esattamente uguali per dimensioni e caratteristiche, con una serie di valvole cosi come segue; una valvola (5) (o più valvole) opportunamente dimensionata e posizionata sulla parte superiore, per il collegamento al collettore e quindi per l'acqua in ingresso; una (o più) valvola (6) opportunamente dimensionata e posizionata sulla parte superiore, per il collegamento alla mandata del compressore e quindi per l'aria in ingresso; una (o più) valvola (7) opportunamente dimensionata e posizionata sulla parte superiore, allacciata ad un tubo (flessibile o rigido) che risalga almeno fino al pelo libero dell’acqua o che sia collegato direttamente alla camera del compressore (12) (evitando di far risalire il tubo fino in superficie), permettendo cosi di avere una pressione interna del serbatoio pari a quella atmosferica (o simile) e, conseguentemente, permettendo anche l'uscita deH’aria dal serbatoio, quando in esso vi si immette l’acqua; una (o più) valvola (8) opportunamente dimensionata e posizionata quanto più in basso sia possibile (anche sul fondo) per consentire la fuoriuscita d’acqua dal serbatoio, quando in esso vi si immette aria compressa; una (o più) valvola di sicurezza (opzionale).

La scelta del compressore (9) d'aria sarà di grande importanza, in quanto il dimensionamento dell'intero impianto (e quindi anche la produzione elettrica) è strettamente legato ad esso, ed avrà quindi, caratteristiche tecniche che andranno attentamente valutate e nello specifico: dovrà avere una portata d’aria alla mandata, almeno pari alla portata dell’acqua nella turbina (o maggiore); dovrà avere una pressione di mandata sufficientemente forte da prevalere sulla pressione dell'acqua relativa alla profondità d’installazione, consentendo nel contempo di fornire nel serbatoio la suddetta portata d’aria; inoltre, obbligatoriamente, dovrà avere un assorbimento di potenza minore (il più basso possibile) rispetto alla potenza prodotta dalla turbina; infine si potrà collocare il compressore in superficie su di una struttura galleggiante (11), con un tubo (10) (o più) della mandata dell’aria che arrivi ai serbatoi (4) e ad essi connesso tramite elettrovalvola/e a T" che pro ederà a smistare l’aria alternativamente nei due serbatoi; oppure ancora, lo si potrà collocare sommerso all'interno di una camera dedicata (12) ermeticamente chiusa, con un tubo di collegamento (19)opportunamente dimensionato che arrivi almeno fino al pelo libero dell'acqua per consentire l'aspirazione del compressore ed inoltre, con i due tubi di collegamento ai serbatoi (4) per la mandata deH'aria (o collegamento tramite elettrovalvola/e come già descritto).

Tutte le strutture sommerse, se non già espressamente indicato, dovranno ovviamente, resistere alla pressione idrostatica relativa alla profondità d’installazione deirimpianto; i serbatoi (4), inoltre, dovranno resistere alla pressione di mandata del compressore cosi come i tubi di collegamento per la stessa mandata.

La turbina (1) può essere direttamente integrata nella camera del collettore (2) evitando cosi un collegamento tramite canale flessibile o rigido; integrando inoltre i due serbatoi (4) sotto alla suddetta camera del collettore (2) in una struttura unica, si potranno eliminare anche i di collegamento collettore-serbatoio consentendo il passaggio d'acqua con una sola valvola di collegamento (invece di due valvole più il tubo) in modo anche da ridurre eventuali perdite di carico; ed ancora, i tubi dell’aria espulsa dai serbatoi, che risalgono in superfìcie, potranno essere uniti in modo da risalire in superfìcie con un solo tubo, oppure ancora potranno essere collegati alla eventuale camera sommersa del compressore (12).

I tubi (3 e/o 10) che dalle strutture sommerse risalgono fino al pelo libero dell’acqua, se di tipo flessibile saranno attaccati ad un’apposita struttura galleggiante (11) che prowederà a sostenerli oltre che a fornire anche l'eventuale alloggio per il compressore (9) (nel caso si scelga la soluzione del compressore in superfìcie) e detta struttura andrà ancorata alle strutture sommerse che saranno a loro volta zavorrate per essere installate alla profondità voluta; se si opterà per i tubi rigidi, allora questi dovranno risalire oltre il pelo libero dell’acqua in misura sufficiente da non consentire l’ingresso dell’ acqua delle onde in movimento (anche in questo caso si potrà installare il compressore in superficie con una struttura galleggiante come sopra, dedicata ad esso).

Tutte le valvole citate, ad eccezione di quelle di sicurezza, saranno elettricamente ed automaticamente azionate tramite temporizzatori, sensori ed attuatori, oppure tramite telecontrollo (con conseguente installazione dei necessari sensori ed attuatori).

In base alle suddette premesse su strutture, macchinari e collegamenti, si spiega di seguito dettagliatamente il processo suddividendolo in due cicli che chiameremo per comodità: ciclo di riempimento e ciclo di svuotamento. Partendo dalla situazione iniziale in cui i due serbatoi sono entrambi vuoti, i cicli si alternano nel seguente modo.

Ciclo di riempimento: essendoci all’interno del collettore (2) una pressione pari a quella atmosferica (o simile), l’acqua riesce ad attraversare la turbina (1) cadendo per gravità (con la spinta della relativa pressione idrostatica)nel collettore (2) e generando cosi un flusso; il collettore (2) a sua volta prowederà tramite elettrovalvola/e (5) a smistare l'acqua nei Γ serbatoio (4) alla stessa velocità (stessa portata) dell’acqua in uscita dalla turbina (1), tramite l’apposita valvola di collegamento(5) e per ottenere ciò ovviamente, tutte le valvole (6, 8) del serbatoio (4) dovranno essere chiuse, tranne quella deH'aria in uscita (7) e quella d’ingresso dell’acqua(5). In questo ciclo, la valvola d'ingresso acqua (5) del ΙΓ serbatoio (4) dovrà essere chiusa perché i serbatoi vanno riempiti alternativamente tra loro. L'acqua continuerà ad entrare nel l° serbatoio (4) fino al suo riempimento, per un periodo di tempo relativo alla portata d’acqua ed al volume del serbatoio stesso. A riempimento avvenuto del l° serbatoio (4), nel collettore (2) si prowederà a chiudere la valvola d’ingresso acqua (5) del serbatoio (4) e ad aprirla (5) nel ll° serbatoio (4) dove, aprendo anche la valvola di uscita deN’aria (7) e tenendo tutte le altre (6, 8) chiuse si otterrà il riempimento del ΙΓ serbatoio(4), analogamente a quanto awenuto nel l° serbatoio (4) e mantenendo quindi un deflusso del collettore (2) costante, con una rotazione della turbina (1) altrettanto costante.

Ciclo di svuotamento: contemporaneamente al riempimento del ΙΓ serbatoio (4), si dovrà prowedere allo svuotamento del serbatoio (4) pompandovi aria all’interno tramite il compressore (9) ed aprendo quindi la relativa valvola (6) per l’immissione deH’aria; nel contempo tutte le altre valvole (5, 7) del serbatoio (4) dovranno essere chiuse, tranne quella per la fuoriuscita dell’acqua (8) dal serbatoio (4) per consentirne appunto lo svuotamento.

Avendo avuto cura di dimensionare la portata della mandata d’aria dal compressore (9) ai serbatoi (4), ad un valore almeno pari (se non maggiore) al valore della portata d’acqua nella turbina (1); ed avendo avuto cura che la stessa portata si abbia anche per il deflusso d’acqua dal collettore (2), il risultato sarà che mentre un serbatoio (4) riceve l’acqua dal collettore (2) e si riempie, l’altro (4) si svuota dell’acqua ricevuta dallo stesso collettore (2) nel ciclo precedente e viceversa, permettendo cosi alla turbina (1) di girare in modo continuo.

L’impianto è stato descritto in una delle sue varie soluzioni possibili come si evince anche dalla descrizione; ed anche la forma delle strutture cosi come i macchinari possono avere diverse soluzioni possibili; inoltre l’intero impianto può essere di diverse grandezze ed installato a diverse profondità con diversi quantitativi di produzione elettrica o meccanica. Quello che viene quindi reclamato in quest’idea, riguarda la metodologia ed il processo più che altro, senza comunque tralasciare le particolari e dedicate strutture da realizzare appositamente.

Un ulteriore dettaglio tecnico riguarda la zavorra in quanto, essendoci dei volumi d’aria all’interno delle vane camere e serbatoi sommersi, questa dovrà essere pesante abbastanza da garantire un ancoraggio stabile sul fondale scelto per l’installazione dell'intera struttura. Sarà però utile calcolare bene i pesi ed i volumi in modo tale da consentire l’eventuale risalita dell'impianto, semplicemente avendo entrambi i serbatoi pieni d’aria e quindi, il peso complessivo delia struttura sommersa non dovrà superare il peso del volume d’acqua di un singolo serbatoio; altrimenti per la risalita si potrà utilizzare un serbatoio (o più d'uno), riempiti d’aria tramite il compressore, per un volume tale da avere una forza di spinta idrostatica verso l'alto, maggiore della forza peso tendente a trattenere la struttura sul fondo; 0 ancora, sia la struttura galleggiante che quella sommersa potranno avere dei verricelli attaccati alle funi di collegamento tra le suddette strutture, con l’azionamento dei quali si provvederà allo spostamento longitudinale per salita e discesa delle stesse.

Altre implementazioni per questo tipo di centrali, potrebbero essere l’installazione di pannelli fotovoltaici sulle strutture galleggianti oppure, per grossi impianti, l'installazione di particolari turbine eoliche posizionate all’interno dei condotti dell’aria; ed ancora, la generazione di idrogeno tramite elettrolisi.

1 vantaggi di questa nuova metodologia dovrebbero essere indubbi, in quanto la produzione energetica generata da tali impianti può facilmente e largamente essere aumentata semplicemente aumentando portata e/o profondità, riuscendo in base anche alle macchine adoperate, a raggiungere delle altissime efficienze di produzione energetica, anche rispetto alle attuali fonti di produzione.

Le soluzioni impiantistiche del metodo qui fornito possono essere molteplici, come può intuire chi è esperto del settore e quindi, il disegno allegato citato nella descrizione va inteso solamente come esempio di una delle varie soluzioni realizzabili.

Infine va chiarito che per il calcolo dell’effettiva potenza utile generata dall’impianto, bisogna sottrarre all'energia prodotta dalla turbina, l'energia spesa dal compressore (o più d'uno), l’energia spesa dalla centrale per sensori, attuatoli, telecontrollo, ecc, oltre che ad eventuali altre perdite di carico e/o trasformazione; tramite comunque le formule di riferimento per il calcolo, si intuisce chiaramente l’enorme efficienza e potenziale di questo nuovo tipo di centrale idroelettrica che può diventare una forte e concreta risposta al problema del fabbisogno energetico in continua crescita. Nel dettaglio le formule (in se già note) per i calcoli necessarie al dimensionamento delle

valutazione delle energie utilizzate, sono le

- l’energia prodotta da una turbina idroelettrica è calcolata come

dove:

“Pp” è la potenza elettrica generata, in w(watt);

“p" è la densità del fluido che attraversa la turbina, in Kg/m<3>;

<U>Q" è la portata volumetrica del fluido che attraversa la turbina, in m<3>/sec;

“g” è l’accelerazione di gravità;

“h” è l'altezza del salto motore (colonna d'acqua sovrastante la turbina) ed in questo caso la profondità d’installazione della turbina, in mt(metri);

è il rendimento della turbina, con valori solitamente compresi da 0,6 a 0,9 circa.

Essendo la densità "p " dell’acqua pari a 1000 Kg/m<3>la formula si può anche scrivere come

-la portata dell’acqua “Q" sarà calcolata secondo la formula: dove: “A" è la superficie attraversata dal fluido, in m<2>;

V è la velocità con la quale il fluido attraversa suddetta superficie, in m/sec;

“cos Θ " è l’angolo di incidenza con cui un fluido attraversa una superficie, e nel caso specifico di flusso perpendicolare alla superficie, si avrà:

- la velocità di un fluido è calcolata secondo l’efflusso Torricelliano, la cui formula deriva direttamente dal principio di conservazione dell'energia ed è: dove: V è la velocità del fluido considerato, in m / sec;

“g” è l’accelerazione di gravità;

“h” differenza di quota tra pelo libero superiore dell’acqua e la presa della turbina, in mt;

-la portata reale d'aria effettivamente resa nelle camere serbatoio (portata min. necessaria), durante il loro ciclo di svuotamento (essendoci quindi una contropressione allo scarico della mandata, pari alla pressione dell'acqua alla relativa profondità d’installazione della valvola di evacuazione di detta acqua dai serbatoi), in base alla formule già date, è stata calcolata come segue:

Ja velocità V, come visto sopra, dipende dal valore di “h” che è anche legato alla pressione secondo la formula di Stevino dove:

“ p “ è la pressione, in Pa;

“ p “ è la densità del fluido considerato ( acqua nel nostro caso ), in kg/rri<3>·,

“ g " è l’accelerazione di gravità;

“ h “ è l’altezza di una colonna del fluido considerato, alla pressione considerata, in mt; quindi nota la pressione “ p i" del compressore, la sua sezione di mandata, la pressione idrostatica "p2" dell’acqua, ed essendo nota anche la densità “p “ dell’acqua, con le formule date ricaveremo la velocità “vx" relativa alla pressione “px, e la velocità “v2” relativa alla pressione ( o meglio contropressione ) “p2”. Possiamo adesso considerare i due fluidi (acqua e aria) all’interno di uno stesso tubo ( di sezione pari alla sezione della mandata del compressore ) dove il verso di scorrimento sarà quello dato dalla pressione prevalente tra “Pi"<e>3⁄4"<e>la velocità “vr" sarà pari a per o pari a P<er>

( considerando comunque che per il funzionamento dell’impianto, la pressione “pxdel compressore dovrà essere necessariamente e sufficientemente superiore alla pressione idrostatica “p2” dell'acqua ).

-la potenza utile ricavabile dall’impianto sarà calcolata come segue Pn = Pp - Pu - Pi dove :

“Pn” è la potenza nominale utile prodotta dall’impianto, in Kw;

“Pp” è la potenza nominale prodotta dalla turbina, in Kw;

“Pu" è la potenza nominale assorbita dal compressore, in Kw;

“Pi” è la potenza utilizzata per l’autosostentamento dell’intero impianto (elettrovalvole, telecontrollo, sensori, ecc) considerando anche le varie perdite di carico per la trasformazione.

Si riporta infine un impianto di esempio con valori relativi ad una profondità d’installazione pari a 100 mt (“/i2”)

Compressore trovato: portata ;

pressione 3⁄4"= 70 Bar; potenza assorbita “Pn”= 149 Kw; sezione mandata “A”= 0,017m<2>

Aria effettivamente resa CQrl nei serbatoi considerando la pressione idrostatica dell’acqua durante il ciclo di svuotamento:

dove V è la velocità relativa alla pressione d’adattamento pari a vr- v1- v2quindi per "v/ relativa alla pressione 3⁄4" di mandata (70 Bar) che spinge contro l’acqua,

pari a si avrà che “ v2" relativa alla pressione

idrostatica dell’acqua (“ p2" pari a 10 Bar) che spinge contro l’aria in ingresso (quindi in senso

opposto), sarà pari a

di conseguenza la velocità "vr" dell’aria effettivamente resa nel serbatoi, relativa alla pressione di adattamento sarà pari a vr= 98,53 - 44,46 = 54,07 m/sec e la portata

effettiva sarà quindi

Potenza “Pp” producibile da una turbina con una portata d’acqua che la attraversa, pari alla portata effettiva d’aria nei serbatoi:

La potenza “Pi” necessaria per il funzionamento delle elettrovalvole e di tutti i congegni elettrici installati nell’impianto (escluso il compressore considerato a parte), varierà a secondo del consumo di detti congegni scelti. In questo caso di esempio adotteremo un valore indicativo che dovrebbe essere abbondantemente sufficiente nelle condizioni reali, pari a Pi = 51 Kw

La potenza utile “Pn” generata quindi dall’impianto sarà pari a:

Infine il volume “V” dei serbatoi andrà calcolato, secondo la suddetta portata considerata, in base alla durata del ciclo che nel nostro caso vorrà essere pari a t = 60 sec e quindi

per si avrà

Col suddetto impianto si dovrebbe generare quindi una produzione annua pari a

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1.Si rivendica il metodo fornito per la generazione di energia elettrica (o solamente meccanica), immettendo l’acqua che attraversa una (o più) turbina, all’interno di apposite camere (serbatoi) per poi evacuarla dalle stesse camere attraverso una (o più) valvola fornita o secondo le varie soluzioni possibili.
2. 2. Secondo rivendicazione 1, le camere sommerse (serbatoi), con caratteristiche tecniche e realizzate secondo la suddetta descrizione o secondo le varie soluzioni possibili, che servano al contenimento di acqua e/o d’aria immessa secondo il metodo fornito.
3. 3. Secondo rivendicazione 1, le camera sommersa (collettore) con turbina elettrica (o semplice turbina meccanica) integrata, con caratteristiche tecniche e realizzate secondo la suddetta descrizione o secondo le varie soluzioni possibili, che servano per raccogliere l’acqua immessa dalla turbina stessa evacuandola poi da apposita valvola, come da metodo fornito nella descrizione.
4. 4. Secondo rivendicazione 3, le camere sommerse con più turbine e valvole integrate, con caratteristiche tecniche e realizzate secondo la suddetta descrizione o secondo le varie soluzioni possibili.
5. 5. Secondo rivendicazione 1, le camere sommerse, con caratteristiche tecniche e realizzate secondo la suddetta descrizione o secondo le varie soluzioni possibili, che servano per contenere un compressore macchinari e/o i congegni non immergibili direttamente in acqua secondo il metodo fornito.
6. 6. Secondo rivendicazioni 2, 3, 4, 5, le suddette strutture considerate singolarmente o in una struttura unica, con caratteristiche tecniche e realizzate secondo la suddetta descrizione o secondo le varie soluzioni possibili.
7. 7. Secondo rivendicazione 6, una struttura unica sommersa, composta dall'insieme delle varie camere sommerse, con caratteristiche tecniche e realizzate secondo la suddetta descrizione o secondo le varie soluzioni possibili.
8. 8. Secondo rivendicazione 6, le camere sommerse e collegate tra loro tramite tubazioni (flessibili o rigide), con caratteristiche tecniche e realizzate secondo la suddetta descrizione o secondo le varie soluzioni possibili.
9. 9. Le strutture galleggianti o immergibili se necessario, con caratteristiche tecniche e realizzate secondo la suddetta descrizione o secondo le varie soluzioni possibili.