ITPO20110012A1 - Aerogeneratore perfezionato ad asse verticale - Google Patents

Description

Descrizione

AD ASSE

La presente invenzione riguarda un aerogeneratore perfezionato ad asse verticale. Più specificamente l’invenzione riguarda un aerogenetarore di tipo Darrieus ad elevate prestazioni.

E’ noto che negli aerogeneratori (nel seguito anche “turbine eoliche†o, semplicemente, “turbine†) di questo tipo sono previsti due o più elementi aerodinamici rettilinei o incurvati (nel seguito “pale†) - operanti prevalentemente per effetto della portanza - disposti verticalmente e ruotanti intorno ad un asse verticale comune.

E’ altresì noto che l’efficienza di una turbina Darrieus risulta, nella pratica, ridotta rispetto a quella teorica a causa dei vincoli strutturali e delle sollecitazioni meccaniche. In particolare, a causa delle condizioni incostanti di vento tipiche della maggior parte delle aree urbane, suburbane e rurali, l’efficienza (definita dal coefficiente di potenza Cp dato dal rapporto tra la potenza estratta dalla vena fluida per opera della turbina e quella totale disponibile nel vento) à ̈ generalmente, nella pratica, non superiore al 25%. Ulteriore limite delle turbine Darrieus à ̈ dato dalla difficoltà di mettersi in movimento a velocità del vento inferiori a 3,5 m/sec, il che può richiedere l’adozione di motori di ausilio o dispositivi per la riduzione della resistenza.

Scopo principale della presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire una turbina perfezionata di tipo Darrieus avente forma e struttura tali da determinare la massima efficienza energetica nelle condizioni di ventosità media che caratterizzano la maggior parte della aree urbane, suburbane e rurali.

E’ altresì scopo dell’invenzione quello di fornire un aerogeneratore ad asse verticale il cui autoavviamento avvenga con velocità ridotte di vento.

Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello garantire una elevata sicurezza in caso di fulmini o di accidentale distacco di parti della turbina.

A questi scopi si à ̈ pervenuti realizzando un aerogeneratore secondo le rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni, dati quale esempio non limitativo, nei quali:

- la Fig. 1 illustra una vista prospettica schematica di una turbina secondo l’invenzione;

- la Fig.2 mostra una vista in elevazione laterale della superficie dorsale di una pala della turbina di Fig.1;

- la Fig. 3 Ã ̈ la sezione longitudinale della pala di Fig. 2 secondo il piano di traccia III-III di Fig.2;

- la Fig.4 illustra tre profili alari della pala;

- la Fig.5 illustra una vista in pianta dall’alto della turbina.

Con riferimento alle figure allegate, un aerogeneratore ad asse verticale di tipo Darrieus e perfezionato in conformità dell’invenzione comprende tre pale 1 equispaziate vincolate meccanicamente tramite bracci 3a,3b ad un elemento centrale rotante 5, vantaggiosamente costituito da un alternatore per la conversione dell’energia cinetica di rotazione in energia elettrica da accumulare o destinare ad una utenza.

In ciascuna pala 1 (vd. Figg. 2) i bordi di attacco 10 e di uscita 12 presentano un andamento arcuato essenzialmente ad arco di cerchio con il raggio di curvatura R1 del bordo di attacco maggiore del raggio di curvatura R2 del bordo di uscita. La pala presenta altresì (vd. Fig. 3) una sezione longitudinale ricurva simmetrica rispetto al piano mediano orizzontale M.

Secondo l’invenzione, detta sezione longitudinale ha sostanzialmente la forma di un arco di cerchio di raggio Rc essenzialmente uguale a 4 volte il raggio medio Rr di rotazione della pala attorno all’asse della turbina.

Inoltre (vd. Figg. 2 e 4) la pala presenta un profilo alare simmetrico, preferibilmente del tipo NACA 0018, in cui:

- la lunghezza della corda decresce simmetricamente dal piano mediano M verso i bordi superiore 14 ed inferiore 16;

- i punti di ciascuna corda posti ad una distanza pari al 30% della corda dal bordo di attacco sono fra loro allineati, il che risulta vantaggioso sia per la prestazione aerodinamica, sia per la riduzione delle sollecitazioni torsionali indotte dalle forze aerodinamiche;

- la lunghezza della corda massima Cmax (del profilo alare in corrispondenza del piano mediano M) à ̈ maggiore della lunghezza della corda media Cmed dei profili del 5 – 15% e preferibilmente del 10%; analogamente la lunghezza della corda minima Cmin (dei profili alari ai bordi superiore e inferiore) à ̈ minore della lunghezza della corda media Cmed del 5 – 15% e preferibilmente del 10%; ciò, unito a quanto indicato al punto precedente, conferisce alla pala il profilo rastrematoillustrato in Fig.2;

- la solidità della turbina, V = 3Cmed/Rr, à ̈ compresa fra 0,8 e 0,9 e preferibilmente uguale a 0,85.

Vantaggiosamente ciascuna pala 1 presenta un angolo di calettamento compreso tra 2° e 4° e preferibilmente di circa 3° (vd. Fig.5).

Come illustrato in Fig. 1, ciascuna pala à ̈ sostenuta da una coppia di bracci 3a,3b aventi profilo alare (ad es. del tipo NACA 0028), simmetrici rispetto al piano mediano. Vantaggiosamente, il punto di connessione 18a,18b di ciascun braccio alla pala à ̈ posto ad una distanza dal piano mediano sostanzialmente pari ad 1⁄4 dell’altezza H della pala, al fine di minimizzare il momento flettente. Inoltre ciascun punto di connessione intercetta la corda del profilo alare corrispondente sostanzialmente ad una distanza pari al 30% della corda dal bordo di attacco, al fine di evitare torsioni indotte da forze aerodinamiche.

L’altezza H della pala à ̈ vantaggiosamente scelta sostanzialmente uguale a 2 volte il raggio medio di rotazione Rr.

Al fine di migliorare l’efficienza delle pale, un'aletta d'estremità (o ZLQJOHW) 20a,20b à ̈ vantaggiosamente prevista applicata ai bordi superiore 14 e inferiore 16 di ciascuna pala 1.

Prove sono state effettuate in condizioni incostanti di vento con una turbina avente le pale realizzate in materiale composito costituito da resina vinilestere e tessuto vetro-carbonio, di altezza H = 200 cm, raggio di curvatura delle pale Rc = 400 cm e con le caratteristiche preferite sopra indicate.

L’efficienza Cp à ̈ stata misurata pari a circa il 35%, assai superiore quindi all’efficienza delle turbine note quando utilizzate in condizioni simili; inoltre la turbina ha rivelato una capacità di autoavviamento già a partire da una velocità del vento di 2,5 m/sec.

In una forma ulteriormente preferita di attuazione dell’invenzione, al fine di proteggere la turbina dai fulmini ed anche al fine di minimizzare i rischi conseguenti all’eventuale distacco di parti, le pale 1 ed bracci 3a, 3b sono provvisti di cavetti metallici, tra loro collegati nei punti di connessione dei bracci con le pale. In ciascuna pala le estremità del cavetto sono collegate con le alette 20a,20b, anch’esse metalliche. Nei bracci 3a,3b le estremità dei cavetti dal lato dell’alternatore 5 sono collegate nel punto di attacco tra braccio ed alternatore. Detti cavetti sono costituiti da materiali caratterizzati da elevata resistenza alla trazione, quali il “BAYCO†prodotto da Bayer oppure da una treccia di acciaio di adeguato diametro. Parallelamente ai cavetti corre un filo o un cavo di rame con funzione di conduttore elettrico antifulminazione, il quale dovrà essere connesso elettricamente con la terra.

L’esempio descritto à ̈ dato a titolo esemplificativo, ma si intende che varianti equivalenti potranno essere concepite senza uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Aerogeneratore ad asse verticale per la produzione di energia elettrica, comprendente tre pale equispaziate (1) vincolate mediante bracci (3a,3b) ad un elemento centrale rotante (5), in ciascuna pala (1) i bordi di attacco (10) e di uscita (12) presentando un andamento arcuato essenzialmente ad arco di cerchio con il raggio di curvatura (R1) del bordo di attacco maggiore del raggio di curvatura (R2) del bordo di uscita, la sezione longitudinale della pala essendo ricurva e simmetrica rispetto al piano mediano orizzontale (M), caratterizzato dal fatto che detta sezione longitudinale ha sostanzialmente la forma di un arco di cerchio di raggio (Rc) essenzialmente uguale a 4 volte il raggio medio (Rr) di rotazione della pala attorno all’asse dell’aerogeneratore e dal fatto che la pala presenta un profilo alare simmetrico, preferibilmente del tipo NACA 0018, in cui: - la lunghezza della corda decresce simmetricamente dal piano mediano (M) verso i bordi superiore (14) ed inferiore (16); - i punti di ciascuna corda posti sostanzialmente alla distanza del 30% della corda dal bordo di attacco sono fra loro allineati; - la lunghezza della corda massima (Cmax) del profilo alare in corrispondenza del piano mediano (M) à ̈ maggiore della lunghezza della corda media (Cmed) dei profili del 5 – 15% e preferibilmente del 10%; - la lunghezza della corda minima (Cmin) dei profili alari ai bordi superiore (14) e inferiore (16) à ̈ minore della lunghezza della corda media (Cmed) del 5 – 15% e preferibilmente del 10%; - la solidità dell’aerogeneratore, V = 3Cmed/Rr, à ̈ compresa fra 0,8 e 0,9 e preferibilmente uguale a 0,85.
2. 2. Aerogeneratore secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuna pala (1) presenta un angolo di calettamento di 2°-4° e preferibilmente di circa 3°.
3. 3. Aerogeneratore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascuna pala (1) à ̈ sostenuta da una coppia di bracci (3a,3b) aventi profilo alare, simmetrici rispetto al piano mediano (M) e connessi alla pala in punti (18a,18b) posti, ciascuno, ad una distanza dal piano mediano sostanzialmente pari ad 1⁄4 dell’altezza (H) della pala.
4. 4. Aerogeneratore secondo la rivendicazione 2, in cui ciascuno di detti punti di connessione (18a,18b) intercetta la corda del profilo alare corrispondente sostanzialmente alla distanza del 30% della corda dal bordo di attacco.
5. 5. Aerogeneratore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’altezza (H) della pala à ̈ sostanzialmente uguale a 2 volte il raggio medio di rotazione (Rr).
6. 6. Aerogeneratore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui un'aletta d'estremità (20a,20b) à ̈ prevista applicata ai bordi superiore (14) e inferiore (16) di ciascuna pala (1).
7. 7. Aerogeneratore secondo la rivendicazione 6, in cui le pale (1) ed bracci (3a,3b) sono provvisti di cavetti metallici, tra loro collegati nei punti di connessione dei bracci con le pale, in ciascuna pala le estremità del cavetto essendo collegate con dette alette (20a,20b), anch’esse metalliche, nei bracci le estremità dei cavetti dal lato dell’elemento rotante (5) essendo collegate nel punto di attacco tra braccio ed elemento rotante.
8. 8. Aerogeneratore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento rotante (5) Ã ̈ costituito da un alternatore.