ITRM20080204A1

ITRM20080204A1 - Dispositivo a geometria variabile per l incremento delle prestazioni delle turbine eoliche e marine

Info

Publication number: ITRM20080204A1
Authority: IT
Inventors: Francis Allen Farrely
Original assignee: Farrelly Francis Allen
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2009-10-17
Also published as: WO2009130730A1

Description

DESCRIZIONE dell’Invenzione avente per TITOLO: “Dispositivo a geometria variabile per l’incremento delle prestazioni delle turbine eoliche e marine”

RIASSUNTO

È oggetto della presente invenzione un dispositivo in grado di variare la sua geometria, con l'obiettivo di accrescere in maniera controllabile la portata del flusso di un fluido in una o più turbine per la conversione di energia cinetica in energia meccanica da fonti rinnovabili.

SETTORE DI APPLICAZIONE

Questa invenzione è applicabile al settore della conversione di energia da fonti rinnovabili quali le turbine sia di tipo eolico che marino. È oggetto di descrizione un dispositivo a geometria variabile per accrescere, in maniera controllata, la portata del flusso attraverso una turbina mediante la tecnica detta Difiuser Augmented Turbine (DAT).

CONTESTO

È ormai dimostrato come le turbine munite di dispositivi DAT hanno una reale possibilità di produrre energia da fonti rinnovabili a costi competitivi, sebbene una effettiva applicazione su larga scala di questi dispositivi resta ancora un obbiettivo da raggiungere. Numerosi studi teorici e sperimentali sono stati condotti su tali dispositivi DAT allo scopo di ridurre i costi relativi allo sfruttamento delle energie rinnovabili. A tal fine, nei dispositivi DAT si cerca di incrementare la produzione di energia sia aumentando la portata del flusso del fluido sia incrementando l’efficienza di conversione rispetto a quella raggiungibile con una turbina tradizionale.

STATO DELL’ARTE

Esperimenti sui dispositivi DAT applicati alle turbine eoliche (noti con Γ acronimo DAWT -Difiùser Augmented Wind Turbines) sono stati condotti a partire dagli anni 1950. Recentemente alcuni studi hanno mostrato risultati molto promettenti (vedi ad esempio il brevetto WO01D6122), anche se l’economicità di queste soluzioni non è ancora dimostrata. Anche per quanto riguarda il settore delle turbine per correnti marine, diversi sistemi sono stati provati (vedi ad esempio il brevetto EP1430220B1) mostrando risultati di notevole interesse.

Il principale svantaggio dei sistemi eolici DAWT, rispetto ai sistemi tradizioni, è stato identificato nella presenza di maggiori sollecitazioni dovute alla forza di attrito. Infatti le strutture possono essere soggette a carichi eccessivi quando la velocità del vento presenta valori notevolmente maggiori di quelli a regime.

OGGETTO

L’invenzione qui descritta offre una soluzione efficace adatta a risolvere il problema dei carichi elevati sostenuti da una struttura di tipo DAT in presenza di fluidi ad alta velocità. Inoltre, questa invenzione fornisce un mezzo con il quale è possibile ripristinare il corretto funzionamento del DAT nel caso si verifichi il distaccamento dello strato limite a causa, ad esempio, di forte presenza di turbolenze nel flusso.

Nei Dispositivi a Conversione di Energia Cinetica (DCEC), la potenza erogata è proporzionale al cubo della velocità del fluido, mentre la dipendenza dall’attrito può essere descritta con un polinomio di secondo grado nella variabile velocità. Quindi le forze agenti sulla struttura seguono una legge polinomiale di 3° grado con la velocità stessa. Recenti analisi dei costi nello sviluppo dei sistemi DAT evidenziano come i costi struturali rappresentano una parte considerevole nell’economia complessiva. Questo perché la struttura deve essere in grado di -sopportare condizioni di velocità molte più critiche di quelle a regime.

L’introduzione del dispositivo a geometrìa variabile per raccrescimento, in maniera controllata, della portata di flusso attraverso una turbina, consente di controllare tale incremento, aumentando il flusso per velocità inferiori a quelle di regime e riducendolo per velocità più elevate. Quindi riducendo i coefficienti del polinomio, le forze sulla struttura diminuiscono. I coefficienti di grado più elevato hanno l’impatto maggiore, pertanto la massima riduzione delle forze sulla struttura si ottiene diminuendo la portata. Operando in questo modo si potrà ridurre considerevolmente le forze sulla struttura quando la velocità del fluido è maggiore di quella di regime, conservando tuttavia la capacità di accrescere il flusso nella turbina quando la velocità è inferiore.

ENUNCIATO DELL’INVENZIONE

L’oggetto della presente invenzione consiste nell’implementazione un dispositivo in grado di variare la sua geometria, con l'obiettivo di accrescere in maniera controllabile la portata del flusso di fluido in una o più turbine, siano essi di tipo assiale o di altro tipo.

In generale un dispositivo DAT è un ugello composto da tre moduli: un concentratore che funziona da imbocco per il fluido, una gola nella quale è presente almeno una turbina e un diffusore che forma lo sbocco dell’ugello per il deflusso del fluido all’uscita dalle turbine. Tipicamente l’area della sezione del bordo di uscita del diffusore è molto più grande di quella del bordo di entrata del concentratore. Il più delle volte, quando una sola turbina assiale è collocato all’interno della gola, il modulo diffusore ha uno sbocco di uscita con una sezione circolare. Nel caso di una o più turbine ad asse trasversale, lo sbocco di uscita del diffusore ha una sezione rettangolare risultando quindi in una configurazione ad ugello lineare.

RAPPRESENTAZIONE ESEMPLIFICATIVA

Una rappresentazione esemplificativa della presente invenzione, visibile in Fig. 1, realizza un DAT a geometrìa variabile composto da un ugello lineare a sezione pressoché rettangolare avente tre moduli: un concentratore (Fig. 1, etichetta 1), una gola (etichetta 2) nella quale viene alloggiata almeno una turbina, è un diffusore a geometria variabile (etichetta 3). In questa semplice configurazione a ugello lineare con sezione pressoché rettangolare, il bordo di uscita del modulo diffusore è suddiviso in 4 parti, due di lunghezza maggiore degli altri due. I bordi più lunghi sono mobili, e possono dispiegarsi raggiungendo una posizione distanziata ed angolata, verso Γ esterno, rispetto a quella di riposo. Il risultato finale è che nella modalità dispiegata, il fluido che scorre al di fuori dell’ugello viene suddiviso in due parti: una parte viene deviata esternamente al bordo mobile dispiegato, Γ altra parte del flusso si inserisce fra il bordo di uscita del diffusore e il bordo mobile. Quesfultima componente di flusso possiede una energia cinetica specifica maggiore rispetto a quella della scia delle turbine, e quindi fornisce energia a quesfultima aumentandone l’efficienza. Inoltre, questo flusso ha un effetto positivo sulla stabilità dello strato limite attorno al bordo, e di riflesso, sullo strato limite nella porzione del diffusore più vicino alla turbina. Un possibile meccanismo che può essere usato per azionare questi bordi mobili, derivato da sistemi in uso nell’ingegneria aeronautica, è visibile in Fig. 2. Questo meccanismo consente di variare sia per l'angolo sia la distanza del bordo dalla parete fissa del diffusore, e risulta essere concettualmente simile ad un “flap” (elemento ipersostentatore del bordo di uscita dell’ala) che, in questo caso, interessa l’ala intera. In pratica, il progettista può scegliere se rendere mobili tutti o solo alcuni dei bordi o addirittura una solo. Nel caso in cui i bordi mobili fossero adiacenti, dispiegando tali bordi si formerebbe uno spazio che potrebbe perturbare notevolmente il flusso del fluido. In questo caso, il progettista può scegliere di montare una o più lamine di scorrimento semi-rigide sovrapposte sul bordo mobile affinché lo spazio fra i bordi adiacenti sia adeguatamente colmato. In questo modo, nella fase di dispiegamento dei bordi mobili, lo spazio tra questi risulta comunque impenetrabile al flusso di fluido. _

Qualora fosse necessario, i bordi mobili possono essere ritirati in posizione di riposo (Fig. 2, etichetta 6) riducendo in questo modo sia la portata del flusso attraverso le turbine sia la forza di attrito, al fine di ridurre notevolmente le forze agenti sulla struttura.

Un’ulteriore rappresentazione esemplificativa, adatta a diffusori il cui sbocco abbia una sezione con forma pressoché ellittica, estende questa tecnica di suddivisione in bordi mobili dotati di lamine di scorrimento semi-rigide sovrapposte, al fine di ottenere un diffusore, con sezione di sbocco controllabile, dotato di un bordo mobile formato da una superficie continua impenetrabile al fluido.

In una successiva realizzazione esemplificativa di un diffusore con sbocco a sezione circolare, il suddetto bordo mobile segmentato forma in effetti un “flap” a forma anulare. Anche in questo caso, la fessura che si forma fra i segmenti adiacenti al momento dell’azionamento del dispositivo potrà essere resa impenetrabile al flusso del fluido con la tecnica delle lamine semirigide di scorrimento sovrapposte.

In tutte le realizzazioni l'efficacia del diffusore può essere incrementata aumentando il rapporto fra l’area dell’imbocco e quello dello sbocco mediante una configurazione a “flap” multiplo. Questa configurazione consente di aumentare tale rapporto mantenendo l’aderenza dello strato limite sulla superficie dei bordi mobili. Anche in questo caso, seguendo la pratica nelle progettazioni aeronautiche, è possibile realizzare tale configurazione ponendo in serie, a cascata una sequenza di bordi mobili (Fig. 3 - etichette 12, 13).

In pratica, i dettagli e l'esecuzione potranno comunque variare senza uscire dall’ambito del trovato e quindi dal dominio del brevetto d’invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo a geometrìa variabile atto a realizzare un diffusore capace di aumentare, in maniera controllabile, la portata del flusso di un fluido attraverso almeno una turbina allo scopo di convertirne l’energia cinetica del flusso in energia meccanica; il suddetto diffusore avente due estremità, mia estremità detta imbocco, rivolta verso il flusso del fluido e la seconda estremità detta sbocco, formando l’uscita del diffusore stesso, è rivolta a valle del flusso; il suddetto sbocco presenta almeno un bordo mobile; il suddetto bordo mobile ha una posizione di riposo nella quale forma parte integrante della struttura del diffusore, facendo in questa posizione parte dello sbocco di quest’ultimo. Il suddetto bordo mobile può essere azionato portandolo ad una posizione distanziata ed angolata, verso l’esterno, rispetto a quella di riposo dando luogo ad una configurazione nella quale la sezione finale dello sbocco interessa un’area maggiore rispetto alla posizione di riposo del bordo mobile, al fine di aumentare la portata del flusso del fluido attraverso le suddette turbine.
2. Un dispositivo a geometria variabile atto a realizzare un ugello avente almeno un diffusore capace di aumentare, in maniera controllabile, la portata del flusso di un fluido attraverso almeno una turbina allo scopo di convertirne l’energia cinetica del flusso in energia meccanica; il suddetto ugello avente due estremità, una estremità detta imbocco, rivolta verso il flusso del fluido e la seconda estremità detta sbocco, formando l’uscita dell’ugello stesso, è rivolta a valle del flusso; il suddetto sbocco presenta almeno un bordo mobile; il suddetto bordo mobile ha una posizione di riposo nella quale forma parte integrante della struttura del diffusore, facendo in questa posizione parte dello sbocco di quest’ultimo. Il suddetto bordo mobile può essere azionato portandolo ad una posizione distanziata ed angolata, verso l’esterno, rispetto a quella di riposo dando luogo ad una configurazione nella quale la sezione finale dello sbocco interessa un’area maggiore rispetto alla posizione di riposo del bordo mobile, al fine di aumentare la portata del flusso del fluido attraverso le suddette turbine.
3. Un dispositivo a geometria variabile atto a realizzare un ugello avente 3 moduli; un concentratore, una gola nella quale si trova almeno una turbina e un diffusore capace di aumentare, in maniera controllabile, la portata del flusso di un fluido attraverso le suddette turbine allo scopo di convertire l’energia cinetica del flusso in energia meccanica; il suddetto modulo concentratore del suddetto ugello è rivolto verso il flusso del fluido e lo sbocco del suddetto diffusore, formando l’uscita dell’ugello stesso, è rivolto a valle del flusso; il suddetto sbocco presenta almeno un bordo mobile; il suddetto bordo mobile ha una posizione di riposo nella quale forma parte integrante della struttura del diffusore, facendo in questa posizione parte dello sbocco di quest’ultimo. Il suddetto bordo mobile può essere azionato portandolo ad una posizione distanziata ed angolata, verso l’estemo, rispetto a quella di riposo dando luogo ad una configurazione nella quale la sezione finale dello sbocco interessa un’area maggiore rispetto alla posizione di riposo del bordo mobile, al fine di aumentare la portata del flusso del fluido attraverso le suddette turbine.
4. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 1 munito di almeno una lamina flessibile, montata su un lato del suddetto bordo mobile, capace di scorrere in contatto con la superficie del bordo adiacente, fisso o mobile che sia, del suddetto diffusore allo scopo di dare continuità tra le superficie.
5. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 2 munito di almeno una lamina,flessibile, montata su un lato del suddetto bordo mobile, capace di scorrere in contatto con la superficie del bordo adiacente, fisso o mobile che sia, del suddetto diffusore allo scopo di dare continuità tra le superficie.
6. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 3 munito di almeno una lamina flessibile, montata su un lato del suddetto bordo mobile, capace di scorrere in contatto con la superficie del bordo adiacente, fisso o mobile che sia, del suddetto diffusore allo scopo di dare continuità tra le superficie.
7. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 1 ove il fluido nel quale il dispositivo opera è aria, adatto quindi ad applicazioni nel campo della trasformazione dell’energia eolica.
8. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 1 ove il fluido nel quale il dispositivo opera è acqua, adatto quindi ad applicazioni nel campo della trasformazione dell’energia delle correnti idriche.
9. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 2 ove il fluido nel quale il dispositivo opera è aria, adatto quindi ad applicazioni nel campo della trasformazione dell’energia eolica.
10. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 2 ove il fluido nel quale il dispositivo opera è acqua, adatto quindi ad applicazioni nel campo della trasformazione dell’energia delle correnti idriche.
11. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 3 ove il fluido nel quale il dispositivo opera è aria, adatto quindi ad applicazioni nel campo della trasformazione dell’energia eolica.
12. Dispositivo a geometria variabile secondo la rivendicazione n. 3 ove il fluido nel quale il dispositivo opera è acqua, adatto quindi ad applicazioni nel campo della trasformazione dell’energia delle correnti idriche.