ITRA20070033A1

ITRA20070033A1 - OPENING AND CLOSING SYSTEM OF ONE OR MORE SAILS, SUPPORTED BY AN AEROSTATIC BALL, WHICH ARE ABLE TO CAPTURE THE KINETIC ENERGY OF THE WIND.

Info

Publication number: ITRA20070033A1
Authority: IT
Inventors: Paolo Brighi
Original assignee: Paolo Brighi
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2007-07-23

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Lo stato della tecnica The state of the art

In tutto il mondo si è alla ricerca di soluzioni sempre piu efficienti per sfruttare l'energia aerodinamica del vento ad altezze non raggiungibili dagli aerogeneratori, dove i venti sono più forti e costanti; la velocità de! vento aumenta progressivamente con l altitudine per il venir meno dellattrito con gli ostacoli presenti sul terreno e aumenta la sua energia cinetica che varia con il cubo della sua velocità. All over the world we are looking for more and more efficient solutions to exploit the aerodynamic energy of the wind at heights not reachable by wind turbines, where the winds are stronger and more constant; the speed of! wind progressively increases with altitude due to the lack of friction with obstacles on the ground and increases its kinetic energy which varies with the cube of its speed.

I sistemi attualmente in uso per raggiungere altitudini ragguardevoli sono complessi e difficili da realizzare; ad esempio i brevetti N. TO 2003A0007I7, T020t)6A000372. TO 2003A000945, si basano sullutilizzo di vele la cui esposizione al vento viene comandata a distanza in base a rilevazioni effettuate da sensori; esse per essere recuperate con poco dispendio di energia una volta che sono state trainate dal vento captandone l'energia cinetica, per mantenersi sospese, devono rimanere aperte riducendo Γ esposizione al vento in una posizione di quasi stallo: esse abbisognano comunque del vento per rimanere sospese in qualsiasi fase sì trovino. The systems currently in use to reach considerable altitudes are complex and difficult to implement; for example patents N. TO 2003A0007I7, T020t) 6A000372. TO 2003A000945, are based on the use of sails whose exposure to the wind is remotely controlled based on measurements made by sensors; to be recovered with little energy expenditure once they have been towed by the wind, capturing the kinetic energy, to remain suspended, they must remain open, reducing Γ exposure to the wind in a near-stall position: they still need wind to remain suspended at any stage they find.

Col sistema oggetto del presente brev etto, le vele sono sospese ad un pallone aerostatico di dimensioni proporzionate al loro peso e trattenute da due funi che sono alternativamente in trazione; durante il recupero, esse vengono trainate da una unica fune e sotto razione dei vento, si chiudono perdendo completamente portanza e non precipitano a terra perchè sostenute dal pallone aerostatico; Inoltre esse potendo essere chiuse in qualsiasi momento con una semplice manovra, possono essere messe in sicurezza qualora insorgano forti tempeste di vento che potrebbero danneggiarle. II sistema qui descritto, è molto semplice da realizzare ed economico ed è in grado di produrre grandi quantità di energia, con un bassissimo impatto ambientale. Si possono realizzare, nelle molte zone nelle quali è vietato il volo a bassa quota, parchi eolici costituiti da gruppi di più linee dì vele collegate ad uno o più generatori di corrente, sia in mare che sulla terraferma: detti parchi eolici, per la loro alta produttività e basso costo possono essere realizzati in zone molto ventose e disabitate o desertiche per produrre energìa da utilizzare per produrre ad esempio idrogeno a basso costo da impiegare nella auto trazione 0 per altri scopi. With the system object of the present patent, the sails are suspended from an aerostatic balloon of dimensions proportionate to their weight and held by two ropes which are alternately in traction; during recovery, they are pulled by a single rope and under the wind, they close completely losing lift and do not fall to the ground because they are supported by the aerostatic balloon; Furthermore, since they can be closed at any time with a simple maneuver, they can be secured in the event of strong wind storms that could damage them. The system described here is very simple to implement and economical and is capable of producing large quantities of energy, with a very low environmental impact. In the many areas where low-altitude flying is prohibited, wind farms can be built consisting of groups of several sail lines connected to one or more current generators, both at sea and on land: these wind farms, due to their high productivity and low cost can be achieved in very windy and uninhabited or desert areas to produce energy to be used to produce, for example, low cost hydrogen to be used in auto traction or for other purposes.

Inoltre si presta molto bene alla microgenerazione di energia che sta prendendo piede m tutta Europa. It also lends itself very well to the microgeneration of energy which is gaining ground throughout Europe.

II presente sistema ha i seguenti vantaggi: This system has the following advantages:

viene sollevato con facilità dal pallone aerostatico per essere portato all'altitudine desiderata anche con poco vento: it is easily lifted by the balloon to be brought to the desired altitude even with little wind:

- può essere mantenuto sospeso in aria anche in mancanza di vento; - it can be kept suspended in the air even in the absence of wind;

- può essere messo rapidamente in sicurezza in caso di improvvisa tempesta mettendo in tiro la fune di recupero con conseguente chiusura delle vele; - it can be quickly secured in the event of a sudden storm by pulling the recovery rope with consequent closing of the sails;

- il recupero delle vele avviene con poco dispendio di energia e con facilìtà; - the recovery of the sails takes place with little expenditure of energy and with ease;

- si ha una costante produzione dì enormi quantità di energia meccanica attiva; - there is a constant production of enormous quantities of active mechanical energy;

L' innovazione proposta The proposed innovation

Struttura: l’unità di base della struttura in grado di sfruttare l’energia aerodinamica del vento, è costituita dalle seguenti tre partì (Fìg. 1/5): Structure: the basic unit of the structure capable of exploiting the aerodynamic energy of the wind, consists of the following three parts (Fig. 1/5):

1 ) — una base formata da due cilindri denominati cilindro di lavoro C e cilindro di recupero A ai quali sono fissate ed avvolte due funi chiamate rispettivamente fune di lavoro H e fune di recupero 1; essi hanno il compito di avvolgere o svolgere le due funi che passano poi in una puleggia orientabile p bozzello orientabi G e F (In uso nelle barche a vela) nella quale avviene il loro cambio di direzione: il passaggio delle funi dentro a un bozzello orientabile è necessario per evitare che, cambiando la direzione del vento, durante lavvolgimento non escano dal cilindro. 1) - a base formed by two cylinders called work cylinder C and recovery cylinder A to which two ropes called work rope H and recovery rope 1 are fixed and wound respectively; they have the task of winding or unwinding the two ropes which then pass into an orientable pulley p orientable block G and F (Used in sailing boats) in which their change of direction takes place: the passage of the ropes inside an orientable block it is necessary to avoid that, by changing the wind direction, they do not come out of the cylinder during winding.

All'asse del cilindro di lavoro C è collegato, tramite un pignone a scatto libero, un generatore di corrente E in grado di sfruttare la energia meccanica attiva prodotta. A current generator E capable of exploiting the active mechanical energy produced is connected to the axis of the work cylinder C by means of a free-moving pinion.

Ad ambedue Ì cilindri, sono collegati due motori. B e D funzionanti a corrente elettrica di rete o a corrente proveniente da accumulatori o altro tipo di energia, che hanno il compito di fare girare i cilindri per riavvolgere le funi, dopo che queste sono state svolte dal trascinamento del vento per recuperare le vele ad esse collegate; Two engines are connected to both cylinders. B and D operating on mains electricity or current from accumulators or other types of energy, which have the task of making the cylinders turn to rewind the ropes, after these have been unwound by the dragging of the wind to recover the sails to them connected;

2) - Una vela P, che è costituita da una superficie di tela o di sottile ma robusto materiale sintetico, di qualsiasi forma e dimensione, appesa ad un pallone aerostatico N ad un punto circa centrale M della sua calotta e trattenuta da due funi che si chiamano fune di recupero I e fune di lavoro H: la fune dì recupero I è fissata alla vela in corrispondenza del punto M al quale dallaltra parte è fissato il pallone aerostatico: la fune di lavoro H si fissa a delle funicelle L che hanno l'altro capo fissato a dei punti distribuiti intorno alla superfìcie della vela in modo tale che. sotto la spinta del vento e trattenuta dalla fune di lavoro H essa si dispone perpendicolare alla direzione del vento captandone la energia cinetica. 2) - A sail P, which is made up of a surface of canvas or thin but sturdy synthetic material, of any shape and size, hanging from a balloon N at an approximately central point M of its canopy and held by two ropes which they are called recovery rope I and work rope H: the recovery rope I is fixed to the sail at point M to which the balloon is fixed on the other side: the work rope H is fixed to ropes L which have the The other end is fixed to points distributed around the surface of the sail in such a way that. under the thrust of the wind and held by the work rope H it is arranged perpendicular to the direction of the wind, capturing its kinetic energy.

3 un pallone aerostatico N ai quale viene appesa la vela P; detto pallone, pieno di un gas a peso specifico inferiore all'aria, ha la funzione di trainare in quota la vela e di sostenerla quando essa va in stallo per assenza di vento o quando viene chiusa perché trainata dalla fune di recupero. 3 an aerostatic balloon N to which the sail P is hung; this balloon, filled with a gas with a specific weight lower than air, has the function of towing the sail up and supporting it when it stalls due to the absence of wind or when it is closed because it is pulled by the recovery rope.

In genere i palloni aerostatici, dei quali esistono modelli di varie forme e dimensione, sono pieni di gas elio che ha un peso specifico di 0,176 Kg. m3 contro il p. s. dell'aria è di 1,16: pertanto ad esempio un pallone dal diametro dì 3 m„ e che ha un volume di 1 13,04 m3„ può sollevare circa 113 kg. di peso (comprendendo peso del pallone, delle vele e delle funi). Generally the aerostatic balloons, of which there are models of various shapes and sizes, are filled with helium gas which has a specific weight of 0.176 Kg. M3 against the p. s. of air is 1.16: therefore for example a balloon with a diameter of 3 m "and which has a volume of 13.04 m3" can lift about 113 kg. weight (including weight of balloon, sails and ropes).

Movimentazione della vela; La vela viene sollevata in aria dal pallone aerostatico N; durante questa fase, sia il cilindro di lavoro C che dì recupero A vengono lasciati liberi di svolgere le rispettive funi fino a che la vela non ha raggiunto una altezza dove si ritiene che 11 vento sìa forte a sufficienza, À quel punto inizia la fase dì lavorò: al cilindro dì lavoro viene collegato il generatore di corrente che oppone resistenza: detta resistenza viene trasmessa al cilindro e quindi alla fune H e quindi alla vela che, sospìnta dalla forza aerodinamica del vento e trattenuta dalla fune di lavoro si apre disponendosi perpendicolare alia direzione del vento stesso. La forza aerodinamica, una volta che ha superato la resistenza opposta dal generatore E. spinge la vela che procede nella stessa direzione del vento; la velocità a cui detta vela procede, deriva dall'equilibrio fra la forza aerodinamica e la resistenza opposta dal generatore; questa trazione, esercitata dalla vela P sulla fune di lavoro Π è convertita in rotazione a livello del cilindro di lavoro C e trasmessa al generatore elettrico E; la energia elettrica prodotta, può essere utilizzata direttamente o accumulata o immessa in rete. Durante questa fase il cilindro di recupero A continua a lasciare libera la rispettiva fune di svolgersi. Sail handling; The sail is lifted into the air by the balloon N; during this phase, both the working cylinder C and the recovery cylinder A are left free to unwind their respective ropes until the sail has reached a height where it is believed that the wind is strong enough, at that point the phase of worked: the current generator is connected to the working cylinder which opposes resistance: this resistance is transmitted to the cylinder and then to the rope H and then to the sail which, suspended by the aerodynamic force of the wind and held by the working rope, opens up and is perpendicular to the wind direction itself. The aerodynamic force, once it has overcome the resistance opposed by the generator E. pushes the sail which proceeds in the same direction as the wind; the speed at which said sail proceeds derives from the balance between the aerodynamic force and the resistance opposed by the generator; this traction, exerted by the sail P on the working rope Π, is converted into rotation at the level of the working cylinder C and transmitted to the electric generator E; the electricity produced can be used directly or accumulated or fed into the grid. During this phase the recovery cylinder A continues to leave the respective rope free to unwind.

Giunti alla fine della corsa, o in un punto della corsa nel quale si decide di invertire Π ciclo, inizia la fase dì recupero (Fig. 2/9): viene messo in funzione il motore B collegato al cilindro di recupero A ed inizia a farlo girare in senso inverso alla direzione del vento e mette in trazione la rispettiva fune 1 che agisce sul punto di sospensione M ad essa collegato; la vela, rimasta appesa ad un unico punto di sospensione M e sotto la spìnta aerodinamica del vento, perde equilìbrio, sì rovescia su se stessa e sì chiude come un ombrello rovesciato dal forte vento, disponendosi parallela alla direzione del vento stessa; la vela viene così trascinata verso la base opponendo una minima resistenza. Iniziato il recupero ad opera del cilindro A, viene messo in funzione pure il motore D che la girare il cilindro di lavoro C col solo scopo di riavvolgere la rispettiva fune senza esercitare alcuna trazione sulla vela; (il generatore non oppone più resistenza essendovi collegato con pignone a scatto lìbero), L'avvolgimento viene fermato nel punto nei quale si vuole fare riprendere la fase di lavoro: detto avvolgimento può essere stoppato da un contagiri o da un sensore inserito nelle funi o da un computer all'uopo programmato o altro; a quel puntò vengono fermati i due motori B e D che agiscono sui due cilindri i quali vengono nuovamente lasciati liberi di svolgere le funi; a questo At the end of the stroke, or at a point of the stroke in which it is decided to reverse the cycle, the recovery phase begins (Fig. 2/9): the motor B connected to the recovery cylinder A is put into operation and starts to making it turn in the opposite direction to the direction of the wind and puts in traction the respective rope 1 which acts on the suspension point M connected to it; the sail, which has remained suspended from a single suspension point M and under the aerodynamic thrust of the wind, loses its equilibrium, it overturns on itself and closes like an umbrella overturned by the strong wind, arranging itself parallel to the direction of the wind itself; the sail is thus dragged towards the base opposing a minimum resistance. Once the recovery by the cylinder A has started, the motor D is also put into operation which turns the work cylinder C with the sole purpose of rewinding the respective rope without exerting any traction on the sail; (the generator no longer opposes resistance as it is connected to it with a free snap pinion), The winding is stopped at the point where you want to restart the work phase: this winding can be stopped by a tachometer or by a sensor inserted in the ropes or from a computer programmed for this purpose or other; at that point the two motors B and D are stopped and act on the two cylinders which are again left free to unwind the ropes; to this

punto sotto la forza aerodinamica, la vela si apre e riprende nuovamente la fase di lavoro( 1/9), point under the aerodynamic force, the wing opens and resumes the work phase again (1/9),

Vele in lìnea: questa struttura, per avere una maggiore efficienza energetica, può essere composta da più vele in linea, anche decine ( tìg. 3/5 e 4/5), collegale l' una all'altra con delle funicelle: un estremo delle funicelle viene fissato in corrispondenza dei punti distribuiti attorno alla superfìcie della prima vela ai quali si fissano le funicelle che poi convergono nella fune di lavoro e l'altro estremo negli stessi punti della vela successiva e cosi fino all’ultima (FI,F2.F3); il punto di sospensione della fune di recupero della prima vela, viene collegato con una funicella con le vele successive allo stesso modo (El.,E2,E3); tutte le funicelle hanno la stessa lunghezza in modo che le superfic si dispongano parallele l' una all'altra sia nella fase di lavoro (ftg. 3/5) che nella fase di recupero (fig. 4/5). 11 pallone aerostatico, di dimensioni proporzionare al peso da sostenere, è legalo all' ultima vela nel punto G corrispondente al punto di giunzione con Γ ultima funicella di recupero. Sails in line: this structure, to have greater energy efficiency, can be composed of several sails in line, even dozens (tìg. 3/5 and 4/5), connect them to each other with ropes: one extreme of the cords is fixed in correspondence with the points distributed around the surface of the first sail to which the cords are fixed which then converge in the working rope and the other extreme in the same points of the following sail and so up to the last one (FI, F2. F3); the suspension point of the recovery rope of the first sail is connected with a rope to the following sails in the same way (El., E2, E3); all the ropes have the same length so that the surfaces are arranged parallel to each other both in the work phase (ftg. 3/5) and in the recovery phase (fig. 4/5). The aerostatic balloon, whose size is proportional to the weight to be supported, is tied to the last sail at point G corresponding to the junction point with the last recovery rope.

Vele in parallelo; Più linee come sopra descritte possono essere messe in parallelo una di fianco allaltra (Fig. 5/5); in questo modo»se ad esempio abbiamo 4 linee ( A.B.C.D), potremmo averne tre in fase di lavoro (A.C.D) con le superfici delie vele GJ,L aperte e disposte perpendicolarmente alla direzione del vento ed una linea di vele 11 le cui superfici sono in fase di recupero chiuse e ad essa parallele; dato che la velocità di recupero può essere superiore a quella della fase di lavoro, avremo sempre più linee nella fase di lavoro rispetto a quelle in fase dì recupero . Parallel sails; Several lines as described above can be placed in parallel side by side (Fig. 5/5); in this way "if for example we have 4 lines (A.B.C.D), we could have three in the working phase (A.C.D) with the surfaces of the sails GJ, L open and arranged perpendicular to the direction of the wind and a line of sails 11 whose surfaces are in the recovery phase closed and parallel to it; since the recovery speed can be higher than that of the work phase, we will always have more lines in the work phase than those in the recovery phase.

Inoltre le basi A.B.C.D, possono essere messe vicine l’una all<'>altra mentre le linee delle vele G.H.l.L vengono distanziate, tacendo passare le relative funi di lavoro e di recupero su delle pulegge delle quali quella più vicina alle lince delle vele, sono orientabili; i cilindri di lavoro delle basi, essendo vicini, possono essere facilmente collegati con cinghie di trasmissione o cardani o ingranaggi o altri sistemi, sempre con pignone a scatto libero, ad un albero di trasmissione E al quale viene trasmesso il moto rotatorio che a sua volta viene trasmesso, tramite riduttori, al generatore di corrente; in questo modo abbiamo la trasmissione continua al generatore di corrente di energia meccanica attiva ed un suo funzionamento costante. Furthermore, the A.B.C.D bases can be placed close to each other while the lines of the G.H.l.L sails are spaced apart, without passing the relative working and recovery ropes on pulleys of which the one closest to the lynx of the sails, are orientable; the working cylinders of the bases, being close together, can be easily connected with transmission belts or cardans or gears or other systems, always with free-running pinion, to a transmission shaft E to which the rotary motion is transmitted which in turn it is transmitted, through reducers, to the current generator; in this way we have the continuous transmission to the current generator of active mechanical energy and its constant operation.

Si possono così realizzare parchi eolici, nei quali c’è una centrale dove sì concentra l'energia meccanica che può essere poi trasformata in energia elettrica, prodotta da linee di vele che lavorano in un posto distante anche km»; si possono ad esempio avere più basi sulla terra ferma dalle quali partono funi che passano su pulegge fissate sul fondale del mare e dalle quali si innalzano le vele sollevate dal pallone aerostatico, Traino di navi: un sistema costituito da una generatore elettrico e da una linea con una o più vele e pallon montato sulla prua di navi mercantili, petroliere, navi passeggeri o altre grosse imbarcazioni, col compito di trainarle con consìstente riduzione del consumo di carburante. Quando le vele, trascinate verso l' allo dal pallone aerostatico, hanno raggiunto una altezza dove spira un vento sufficientemente forte, viene bloccata la fune dì lavoro; sotto l’azione della forza aerodinamica del vento le vele, trattenute dalla fune di lavoro, si aprono e la trazione esercitata su di esse viene trasmessa tramite la fune di lavoro alla imbarcazione che viene cosi trainata con conseguente riduzione della energia necessaria per il suo spostamento; i propulsori della imbarcazione, pur continuando a funzionare, avranno un consumo molto inferiore di carburante dovendo fornire minor energìa per la navigazione. La fune dì recupero durante questa fase non esercita alcuna trazione sulle vele; essa viene messa in trazione quando si vuole recuperare tutto il sistema o quando si vogliono chiudere le vele perché il vento non ha la direzione favorevole alla navigazione o quando, per vento troppo forte o tempeste, sì vogliono evitare danneggiamenti. Wind farms can thus be built, in which there is a power station where mechanical energy is concentrated which can then be transformed into electricity, produced by sail lines that work in a place that is even km away "; for example, it is possible to have several bases on dry land from which ropes depart that pass on pulleys fixed to the seabed and from which the sails lifted by the balloon are raised, Towing ships: a system consisting of an electric generator and a line with one or more sails and balloon mounted on the bow of merchant ships, oil tankers, passenger ships or other large boats, with the task of towing them with a considerable reduction in fuel consumption. When the sails, dragged downwards by the balloon, have reached a height where a sufficiently strong wind blows, the working rope is blocked; under the action of the aerodynamic force of the wind the sails, held by the working rope, open and the traction exerted on them is transmitted through the working rope to the boat which is thus towed with consequent reduction of the energy necessary for its movement ; the propellers of the boat, while continuing to function, will have a much lower fuel consumption, having to provide less energy for navigation. The recovery rope during this phase does not exert any traction on the sails; it is put in traction when you want to recover the whole system or when you want to close the sails because the wind does not have the direction favorable to navigation or when, due to too strong wind or storms, you want to avoid damage.

Questo sistema, che può avere una superficie velica complessiva imponente, presenta i seguenti vantaggi: This system, which can have an impressive overall sail area, has the following advantages:

- le vele vengono sollevate con facilità dal pallone aerostatico per essere portato all'altitudine desiderata: - the sails are easily raised from the balloon to be brought to the desired altitude:

- le vele non precipitano in caso di bonaccia ø durante la fase di recupero; - the sails do not fall in case of calm ø during the recovery phase;

le vele possono essere rapidamente chiuse mettendo in tiro la fune dì recupero in caso di improvvisa tempesta: the sails can be quickly closed by pulling the recovery rope in the event of a sudden storm:

- le vele chiuse possono essere mantenute in aria sostenute dal pallone aerostatico anche durante le soste o le manovre: - closed sails can be kept in the air supported by the balloon even during stops or maneuvers:

Claims

CLAIMS 1 - The use of an air balloon to lift and support a single sail or more sails in the air, used to capture the aerodynamic energy of the wind and produce convertible and accumulable active mechanical energy; 2 - Opening and closing system of one or more sails in line as in point 1, held alternately by two ropes called work rope and recovery rope: when they are held by the work rope they are open and produce active mechanical energy; when they are pulled by the recovery moons they close and are recovered with little energy expenditure: 3 - active mechanical energy production system that can be converted and accumulated by exploiting the traction phase of a single sail or several sails in line, as in points 1 and 2. which are alternatively opened or closed with simple mechanical operations; 4 - system consisting of several lines of sails as described in points 1 and 2 which open and close alternately, continuously producing active mechanical energy that can be converted and accumulated without interruption. 5 - use of one or more pulleys and orientable pulleys anchored to the ground, on which to pass the working ropes and the recovery ropes of several lines of sails as in point 4 with the aim of spacing them and making them work in a distant area from the basics: 6 the use of a single sail or more sails in line, as in points I and 2 which are opened or closed by putting in traction respectively the working rope or the recovery rope, mounted on large boats; when the sails are open they exert traction on the boat, reducing its fuel consumption; 7 - the use of pulleys and adjustable pulleys on which to pass the working ropes and the recovery ropes of the systems of points 1,2, 3, 4.5 and 6 to ensure that whatever the wind direction these ropes can is to be wrapped without coming out of the respective cylinders and to make sure that more lines of sails can work far from each other and from the base.