ITPD20120127A1 - Struttura di turbina eolica o idraulica ad asse verticale - Google Patents

Description

STRUTTURA DI TURBINA EOLICA O IDRAULICA AD ASSE VERTICALE

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha per oggetto una struttura di turbina eolica o idraulica ad asse verticale. Ad oggi in Europa il 20% del proprio fabbisogno di energia elettrica à ̈ ottenuto mediante fonti rinnovabili, e più di un quarto di tale 20% à ̈ dato da energia prodotta da impianti di tipo eolico. Tali percentuali sono destinate a crescere nel prossimo futuro, secondo le direttive della Commissione dell'Unione Europea sulle Energie Rinnovabili, fino ad una produzione di energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili del 34% del totale dell’energia prodotta, con il 14% proveniente da fonte eolica.

Le turbine eoliche operanti negli impianti eolici presentano, sono prevalentemente del tipo ad asse orizzontale, con un rotore a tre pale.

E' tuttavia in aumento, negli ultimi anni, l'interesse per le turbine eoliche ad asse verticale, soprattutto per impianti di piccole dimensioni, con l’obiettivo di decentralizzare la produzione di energia elettrica dai grandi impianti sia verso l’interno delle città sia verso i piccoli paesi.

Le turbine ad asse verticale presentano alcuni vantaggi rispetto alle turbine ad asse orizzontale, tra i quali l'indipendenza di funzionamento rispetto alla direzione di provenienza del vento, una minore emissione acustica, dovuta alle modeste velocità periferiche delle sezioni palari, ed anche un più gradevole impatto visivo dovuto allo sviluppo sostanzialmente tridimensionale della loro struttura, contro la bidimensionalità tipica dei generatori ad asse orizzontale, costituiti normalmente da una elica portata da un lungo palo. Tra le turbine eoliche ad asse verticale à ̈ molto utilizzata la tipologia detta “a portanza†, il cui modello più conosciuto à ̈ costituito dalla turbina Darrieus.

Le turbine Darreius comprendono generalmente un albero ad asse verticale dal quale si allungano radialmente razze di supporto per almeno tre pale sviluppantisi dal basso verso l'alto secondo traiettorie rettilinee o curve, anch'esse ad asse verticale o inclinato in direzione tangenziale, ovvero sviluppantisi secondo una linea elicoidale. Le razze costituiscono una parte fondamentale dell’architettura del rotore della turbina, in quanto costituiscono l’elemento strutturale di collegamento fra le pale e l’albero di rotazione, essendo infatti preposte a trasmettere all’albero di rotazione stesso il momento torcente sviluppato dalle forze aerodinamiche.

E' quindi essenziale che le razze svolgano la propria funzione strutturale offrendo la minore resistenza aerodinamica possibile ed interferendo il meno possibile con il flusso sulle pale.

Le geometrie delle razze utilizzate di tipo noto negli anni sono assai varie.

Nel brevetto US5531567 a nome Anderson e Christian sono descritte razze dritte di sezione sostanzialmente rettangolare, la cui funzione à ̈ quella di regolare la posizione delle pale durante il funzionamento della turbina; la sezione proposta per tali razze non ha quindi alcun aspetto aerodinamico.

Inoltre tali razze sono di complessa installazione, essendo parte di un sistema di leveraggi per la movimentazione e il riposizionamento delle pale.

Nella domanda di brevetto US2009/0129928 a nome Sauer ed altri à ̈ descritta una turbina eolica avente molte di razze radiali, fissate ciascuna singolarmente ed indipendentemente dalle altre perpendicolarmente allo stesso albero di rotazione.

Tale sistema di assemblaggio per una turbina, pur diffuso, si rivela essere assai dispendioso in termini di tempo, componentistica di fissaggio e manodopera specializzata.

Nella domanda di brevetto US2010/0172759 a nome Sullivan à ̈ descritto un tipo di turbina avente i bracci delle razze ripiegabili, in modo da proteggere il rotore anche in presenza di vento forte; tali razze sono illustrate come aventi un profilo aerodinamico di sezione, ma la loro funzionalità à ̈ limitata dal fatto che esse si congiungono con albero di rotazione e con la pala corrispondente mediante una serie di mezzi di articolazione che inevitabilmente ne sviliscono le caratteristiche aerodinamiche.

Il compito del presente trovato à ̈ quello di realizzare una struttura di turbina eolica o idraulica ad asse verticale capace di ovviare agli inconvenienti delle turbine di tipo noto.

Nell'ambito di tale compito, principale scopo del trovato à ̈ quello di mettere a punto una struttura di turbina le cui razze siano semplici da montare e al contempo offrano la minor resistenza aerodinamica possibile.

Un altro scopo del trovato à ̈ quello di mettere a punto una struttura di turbina le cui razze assicurino rigidezza ottimale all'intero rotore. Non ultimo scopo del trovato à ̈ quello di mettere a punto una struttura di turbina eolica o idraulica ad asse verticale, producibile con impianti e tecnologie note.

Questo compito, nonchà ̈ questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da una struttura di turbina eolica o idraulica ad asse verticale, comprendente un albero ad asse verticale dal quale si allungano radialmente razze di supporto per almeno due pale sviluppantisi dal basso verso l'alto secondo traiettorie rettilinee o curve, con asse verticale o sviluppantesi secondo una traiettoria elicoidale o simile, che si caratterizza per il fatto che ciascuna razza presenta una porzione esterna, con profilo aerodinamico, una porzione interna di fissaggio a detto albero, ed una porzione intermedia di raccordo il cui profilo d'estremità esterno, di giunzione alla porzione esterna, corrisponde con il profilo aerodinamico della stessa porzione esterna, ed il profilo d'estremità interno essendo di geometria non aerodinamica, la superficie di detta porzione intermedia sviluppandosi tra i due profili d'estremità in modo continuo.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, della struttura di turbina secondo il trovato, illustrata, a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:

- la figura 1 illustra una vista prospettica di una struttura di turbina secondo il trovato;

- la figura 2 rappresenta una vista prospettica di una pluralità di razze di una struttura di turbina secondo il trovato;

- la figura 3 rappresenta una vista in pianta di una pluralità di razze;

- la figura 4 rappresenta una vista prospettica di una porzione intermedia di raccordo di una razza di una struttura di turbina secondo il trovato;

- la figura 5 rappresenta uno schema geometrico di un procedimento per definire il profilo d'estremità interno di detta porzione intermedia, rispetto al profilo d'estremità esterno, aerodinamico.

Con riferimento alle figure citate, una struttura di turbina eolica o idraulica ad asse verticale secondo il trovato à ̈ indicata nel suo complesso con il numero 10.

Tale struttura di turbina 10 comprende un albero 11 ad asse verticale, allungantesi da un sottostante generatore, non illustrato per semplicità, dal quale si allungano radialmente ad esempio due gruppi di tre razze 12, 13, 14 di supporto per tre pale 15, 16 e 17.

Le pale si sviluppano dal basso verso l'alto secondo traiettorie rettilinee o curve, come da figura 1, con asse verticale o, sviluppantesi secondo una traiettoria elicoidale o simile, come esemplificato in figura 1.

La peculiarità del trovato risiede nel fatto che ciascuna razza, ad esempio la razza 12, presenta una porzione esterna 18, con profilo aerodinamico, una porzione interna 19 di fissaggio a detto albero 11, ed una porzione intermedia 20, di raccordo, il cui profilo d'estremità esterno 21, di giunzione alla porzione esterna 18, corrisponde con il profilo aerodinamico 22 della stessa porzione esterna 18, il profilo d'estremità interno 23 essendo invece di geometria non aerodinamica.

La superficie 24 di detta porzione intermedia 20 si sviluppa tra i due profili d'estremità 21 e 23 in modo continuo.

Nella forma realizzativa della struttura di turbina 10 secondo il trovato qui descritta a titolo esemplificativo e non limitativo del trovato stesso, le razze, come accennato sono in gruppi di tre, un primo gruppo di razze 25, comprendente le prime razze superiori 12, 13 e 14, ed un secondo gruppo di razze 26, comprendente le seconde razze inferiori 27, 28 e 29.

Ciascun gruppo di razze, ad esempio 25, così come per il gruppo di razze 26, presenta una parte centrale 30, ben visibile nelle figure 2 e 3, con foro centrale 31 per il fissaggio all'albero 11, dalla quale si sviluppano radialmente, ed in corpo unico con la stessa parte centrale 30, le razze 12, 13 e 14.

Le razze 12, 13 e 14 sono distribuite simmetricamente ed angolarmente equidistanziate, rispetto all'asse di rotazione.

Le razze 12, 13 e 14 sono raccordate dalla parte centrale 30 mediante corrispondenti archi di raccordo 32, 33 e 34, tangenti, in pianta, alle linee delle porzioni intermedie che raccordano.

In tale esempio realizzativo, il profilo aerodinamico 22 della porzione esterna 18, aerodinamica, Ã ̈ un profilo NACA, ad esempio NACA 0018.

Il profilo d'estremità interno 23 della porzione intermedia 20 à ̈ a geometria simmetrica rispetto ad un asse verticale X posto nella mezzeria del profilo aerodinamico 22.

Tale profilo d'estremità interno 23 à ̈ definito, ad esempio, specchiando attorno al medesimo asse X il profilo aerodinamico 22, definendosi così il profilo speculare 22a, e tracciando due segmenti, 35 superiore e 36 inferiore, tangenti ai due profili aerodinamici 22 e 22a.

I punti di tangenza sono evidenziati dalle lettere A, B, C e D in figura 5.

La transizione geometrica dal profilo d'estremità esterno 21 al profilo d'estremità interno 23 della porzione intermedia 20 si ottiene graficamente mediante estrusione a mezzo di interpolazione, ad esempio di tipo lineare, come evidenziato in figura 4.

Come sopra accennato, vantaggiosamente ciascun gruppo di razze 25 e 26 Ã ̈ un pezzo unico.

Ciò conferisce alla struttura della turbina 10 facilità e rapidità di montaggio e una rigidità strutturale fondamentale per assicurarne la massima efficienza.

Si à ̈ in pratica constatato come il trovato raggiunga il compito e gli scopi preposti.

In particolare, con il trovato si à ̈ messa a punto una struttura di turbina le cui razze sono semplici da montare e al contempo offrono la minor resistenza aerodinamica possibile, grazie alla porzione aerodinamica e alla porzione intermedia la cui superficie esterna raccorda progressivamente in modo continuo i suoi profili d'estremità aerodinamico, esterno, e simmetrico, interno.

A differenza delle turbine note, le cui pale sono montate indipendentemente una dall'altra, e sovente con sistemi di fissaggio complessi e onerosi in termini di tempo e manodopera, con i gruppi di razze in pezzo unico, le operazioni i di montaggio sono assai semplificate, e quindi più economiche.

Inoltre, con il trovato si à ̈ messa a punto una struttura di turbina le cui razze assicurano rigidezza ottimale all'intero rotore.

Non ultimo, con il trovato si à ̈ messa a punto una struttura di turbina eolica o idraulica ad asse verticale, producibile con impianti e tecnologie note.

Il trovato, così concepito, à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e dello stato della tecnica.

Ove le caratteristiche e le tecniche menzionate in qualsiasi rivendicazione siano seguite da segni di riferimento, tali segni sono stati apposti al solo scopo di aumentare l'intelligibilità delle rivendicazioni e di conseguenza tali segni di riferimento non hanno alcun effetto limitante sull'interpretazione di ciascun elemento identificato a titolo di esempio da tali segni di riferimento.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1) Struttura di turbina eolica o idraulica ad asse verticale (10), comprendente un albero (11) ad asse verticale dal quale si allungano radialmente razze (12, 13, 14) di supporto per almeno due pale (15, 16) sviluppantisi dal basso verso l'alto secondo traiettorie rettilinee o curve, con asse verticale o sviluppantesi secondo una traiettoria elicoidale o simile, che si caratterizza per il fatto che ciascuna razza (12, 13, 14) presenta una porzione esterna (18), con profilo aerodinamico, una porzione interna (19) di fissaggio a detto albero, ed una porzione intermedia (20), di raccordo, il cui profilo d'estremità esterno (21), di giunzione alla porzione esterna (18), corrisponde con il profilo aerodinamico (22) della stessa porzione esterna (18), il profilo d'estremità interno (23) essendo di geometria non aerodinamica, la superficie (24) di detta porzione intermedia (20) sviluppandosi tra i due profili d'estremità (21, 23) in modo continuo.
2. 2) Struttura di turbina eolica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che dette razze sono in gruppi di tre, un primo gruppo di razze (25), comprendente prime razze superiori (12, 13, 14), ed un secondo gruppo di razze (26), comprendente seconde razze inferiori (27, 28, 29).
3. 3) Struttura di turbina eolica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che ciascun gruppo di razze (25, 26) presenta una parte centrale (30) con foro centrale (31) per il fissaggio all'albero (11), dalla quale si sviluppano radialmente, ed in corpo unico con la stessa parte centrale (30), le razze (12, 13, 14, 27, 28, 29).
4. 4) Struttura di turbina eolica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette razze (12, 13, 14, 27, 28, 29) sono posizionate simmetricamente ed angolarmente equidistanziate, rispetto all'asse di rotazione.
5. 5) Struttura di turbina eolica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto profilo aerodinamico (22) della porzione esterna (18), aerodinamica, Ã ̈ un profilo NACA.
6. 6) Struttura di turbina eolica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto profilo d'estremità interno (23) della porzione intermedia (20) à ̈ a geometria simmetrica rispetto ad un asse verticale (X) posto nella mezzeria del profilo aerodinamico (22).
7. 7) Struttura di turbina eolica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto profilo d'estremità interno (23) à ̈ definito specchiando attorno a detto asse (X) il profilo aerodinamico (22), definendosi un profilo speculare (22a), e tracciando due segmenti superiore (35) e inferiore (36), tangenti ai due profili aerodinamici (22, 22a).
8. 8) Struttura di turbina eolica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la transizione geometrica dal profilo d'estremità esterno (21) al profilo d'estremità interno (23) della porzione intermedia (20) si ottiene graficamente mediante estrusione a mezzo di interpolazione, ad esempio di tipo lineare.