ITRM20080420A1 - Silos eolico perfezionato. - Google Patents

Description

Silos eolico perfezionato

La presente invenzione riguarda un silos eolico perfezionato.

Più dettagliatamente, l’invenzione riguarda un silos eolico che consente di sfruttare in maniera ottimale l’energia disponibile nel campo eolico.

Come à ̈ noto, attualmente il sistema più diffuso nel campo della generazione di energia eolica à ̈ quello costituito da una turbina a vento (o rotore a pale), che ruota attorno ad un asse orizzontale sostenuto da un palo di altezza e diametro opportuni.

La corrente di aria agente sulla turbina à ̈ quella dello specifico campo eolico su cui à ̈ montato il collettore eolico.

L'energia raccolta dalle pale del rotore à ̈ funzione diretta del quadrato della velocità del vento nell'area della corrente di aria intercettata dalle pale, della densità dell'area e del coefficiente di Betz, che à ̈, per un rotore che ruota libero nel campo eolico, teoricamente pari a =O,592. In altre parole, anche per le pale molto efficienti non si supera mai (con velocità periferica all’estremità della pala pari a 6-7 volte la velocità del vento intercettato) il valore di 0,38 – 0,40.

Riassumendo, gli elementi importanti per la raccolta della potenza sono l'area della corrente intercettata e la velocità del vento.

Di conseguenza, si tende a realizzare i cosiddetti W.E.C. (Wind Energy Collector) sempre più grandi, con pali più alti (anche 120 m sul terreno), turbine di maggior diametro, (anche di 150 m di diametro)e quindi con costi sempre più elevati.

L'aumento del diametro del rotore à ̈ necessario per ottenere un'area di intercettazione più grande della corrente del campo eolico. La maggiore altezza del palo di sostegno à ̈ una necessità per permettere di realizzare il diametro del rotore più grande, ma contemporaneamente questa maggiore altezza del suolo alla quale si trova il rotore comporta una maggiore velocità del vento, la cui intensità aumenta con l’aumentare dell'altezza dal suolo.

In altre parole, una maggiore area e una maggiore velocità comportano una maggiore portata o volume al secondo che passa attraverso la turbina.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione che consente di ottenere una maggiore portata di aria, e pertanto, rispetto alle soluzioni note, di raccogliere la stessa potenza da uno stesso campo eolico, con un rotore di diametro inferiore, e con una realizzazione a minore altezza dal suolo, ovvero, a parità di diametro di rotore e di altezza dal suolo, di raccogliere dal campo eolico una potenza molto maggiore.

Un altro vantaggio della soluzione secondo la presente invenzione à ̈ quello di consentire di raccogliere la stessa potenza con una velocità di campo più bassa.

Si deve notare come, ad esempio in Italia, dove vengono da sempre privilegiate località con campi eolici con velocità di almeno 10 – 12 m/sec, si à ̈ ormai giunti all'esaurimento di campi aventi tali caratteristiche, mentre si segnala una relativa abbondanza dì campi con velocità con 6 - 7 m/sec, con una stabilità delle condizioni del vento almeno doppia rispetto ai campi con 12 m/sec di velocità del vento.

Tutte le considerazioni esposte in quel che precede devono partire dalla considerazione che la caratteristica essenziale che si richiede ad un collettore eolico à ̈ l'energia (KWh) raccolta in un tempo convenuto (ad esempio un anno) e da questo dato, associato al costo dell'impianto.

Con la soluzione proposta secondo la presente invenzione, Ã ̈ possibile prelevare dal campo eolico esistente, un numero "n" di correnti di aria, aventi le stesse caratteristiche fisiche del campo eolico "originario", ma tra loro separate, in modo da non potersi ostacolare, e quindi portarle ad agire contemporaneamente sulle pale del rotore del collettore di energia eolica.

Questi ed altri risultati sono ottenuti secondo la presente invenzione realizzando un rotore, preferibilmente ad asse verticale, intubato in una struttura che raccoglie le "n" correnti di aria, separate tra loro in modo da non ostacolarsi, bensì ottenendosi una sinergia di effetto delle proprietà fisiche del volume di aria trasportata, e quindi della velocità, sfruttando al meglio le leggi naturali della fisica.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un silos eolico comprendente, dal basso verso l’alto, una base, un corpo e una turbina, detto silos prevedendo n condotti di immissione dell’aria, con n 2, un primo condotto esterno, con prelievo dell’aria lateralmente da detto corpo del silos, e un secondo condotto interno rispetto a detto primo condotto, con ingresso dell’aria dal basso.

In particolare, detto silos prevede un diffusore in uscita a detta turbina.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, detto silos prevede 3 condotti.

Nella forma di realizzazione preferita del silos secondo l’invenzione sono previsti un primo condotto esterno, con prelievo dell’aria lateralmente da detto corpo del silos, un secondo condotto interno e un terzo condotto, sostanzialmente coassiali, interni rispetto a detto primo condotto, con ingresso dell’aria dal basso, l’estremità di detto terzo condotto terminando più in alto rispetto all’estremità di detto secondo condotto. Preferibilmente, secondo l’invenzione, a valle di detta turbina à ̈ previsto un diffusore.

In particolare, secondo l’invenzione, detto diffusore può essere costituito da una successione di elementi conici, con angolo di apertura preferibilmente di ca.

7°, preferibilmente una successione di 5 elementi conici.

Ancora secondo l’invenzione, detto silos può prevedere un numero di condotti superiore a 3, preferibilmente in numero multiplo di 3.

Secondo l’invenzione, detto secondo e detto terzo condotto hanno la presa d’aria in detta base.

Sempre secondo l’invenzione, detto primo condotto presenta alette, orientate favorevolmente rispetto ai venti dominanti nel campo eolico, nell’area di ingresso dell’aria.

Secondo l’invenzione, l’uscita di detto secondo condotto à ̈ prevista all’altezza del “filamento vorticoso†provocato dal flusso in detto primo condotto.

Ulteriormente, secondo l’invenzione, dette alette sulla entrata del primo condotto sono orientabili.

Il silos secondo l’invenzione può sfruttare in alternativa o in aggiunta ai flussi di vento, energia termica prelevata da fonti accessorie.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra schematicamente una forma di realizzazione di un “silos†eolico secondo l’invenzione;

la figura 2 Ã ̈ una seconda vista schematica del silos di figura 1;

la figura 3 à ̈ una vista in pianta del silos eolico secondo l’invenzione;

la figura 4 mostra dall’alto il silos eolico secondo l’invenzione;

la figura 5 à ̈ una vista in sezione secondo la linea bb’ di figura 3;

la figura 6 Ã ̈ una vista secondo la direzione A di figura 3;

la figura 7 à ̈ una vista in sezione secondo la linea cc’ di figura 3;

la figura 8 à ̈ una vista prospettica di un particolare interno del silos eolico secondo l’invenzione; e

la figura 10 Ã ̈ uno schema della distribuzione dei venti in un campo eolico standard.

L'esempio che si riporta, descrittivo e non limitativo nelle vaste possibilità di interpretazione dell'idea base, prende in considerazione tre distinte correnti di aria, provenienti da un unico "Campo eolico" esterno, con i seguenti parametri fisici:

velocità, V del Campo = V= 6 m/sec

temperatura assoluta, T = 298°K

pressione, P = 103.100 Pa

umidità assoluta standard

Il silos eolico mostrato nelle figure à ̈ costituito da un involucro 1 di lamiera di sezione circolare, avente un diametro D ed una altezza H, , sostenuto da una coppia di pilastri 2, che realizzano la base 2 opposti, opportunamente calcolati.

Il silos 1 poggia su una opportuna base 2 la cui funzione verrà descritta nel seguito.

In figura 1 à ̈ mostrata una metà del silos 1 secondo l’invenzione, (dalla mezzana alla periferia) in sezione verticale, indicata con il riferimento T, e mostra una sezione trasversale dove si nota una parete apribile 3, con alette a tutta altezza, cui fa speculare riscontro nella parete opposta un uguale sistema di alette.

L'orientamento del silos 1 Ã ̈ tale per cui le pareti apribili sono disposte frontalmente rispetto ai venti dominanti nel campo eolico.

Nella figura 9 Ã ̈ mostrato come si presenta normalmente una "rosa dei venti" in un campo eolico standard.

Nelle figure, con il riferimento A sono indicate le alette orientabili, che si aprono mediante un opportuno programma, così da ricevere il vento in direzione tangenziale rispetto alla parete perimetrale del silos 1.

L’area di ingresso della corrente tangenziale nel Silos, indicata con V1 in figura 1, provoca una circolazione rotatoria, e quindi un moto vorticoso che genera una forza centrifuga sulle molecole dell’aria vorticante pari a Fc = acx m = vol x x Vc2/R, in cui, in cui Vc = V = velocità del campo eolico, Fc = macin cui a=vc<2>/R, e la corrispondente pressione specifica sull'unità di volume à ̈ Pa = x V<2>/R, in cui R à ̈ il raggio della traiettoria considerata, à ̈ la densità dell'aria, ossia il peso per unità di volume, V à ̈ la velocità di entrata nel silos della corrente di aria, che può anche essere definita mediante ]'espressione V = 2nR, in cui R à ̈ il raggio di rotazione del volume elementare considerato, n à ̈ il numero dei giri che il volume elementare di aria (e.g. un gruppo di molecole) considerato, compie nel suo moto vorticoso. La pressione specifica che sì ha sull'unità di superficie à ̈ una funzione quadratica inversa dalla distanza, in metri, della superficie considerata, dal centro di rotazione.

Da ciò si deduce che all'interno del silos eolico 1 secondo l’invenzione si costituisce un "filamento vorticoso" di raggio R, con una depressione variabile in funzione del quadrato della distanza del centro vorticoso.

Ponendo all’interno del centro vorticoso una condotta 4 di comunicazione con il campo eolico esterno, si ha una aspirazione di corrente di aria verso l'interno del silos 1, quindi una portata che si somma all'afflusso di aria proveniente dal campo esterno. La velocità e la portata del campo saranno aumentate a causa dell'aspirazione del vortice.

Nella figura 1, detta condotta di comunicazione à ̈ indicata con il riferimento 4, ed à ̈ collegata opportunamente al campo eolico esterno attraverso una presa indipendente di aria predisposta nella base 2.

All'interno della condotta 4, la forma di realizzazione illustrata presenta una terza condotta di aria 5, che convoglia aria dalla presa del campo eolico “esterno†, fino all'interno del Silos. La condotta 5 termina con una bocca di uscita che à ̈ più in alto rispetto alla bocca di uscita della condotta 4, e si trova nella parte centrale del rotore.

La presa di aria della condotta 5 del campo eolico si trova nella base 2 del silos 1 come la analoga presa 4, ma à ̈ separata da quest’ultima, in maniera tale da rappresentare una sorgente di portata indipendente.

In questa maniera, si realizzano, per l'indice generalizzato "n†, tre diverse sorgenti, di portata indipendenti che non si influenzano negativamente l'una con l'altra. Al contrario, la corrente vorticosa incrementa con la sua depressione l'afflusso 4 (e 5), pur rimanendone praticamente separata dallo strato limite del "filamento vorticoso".

La applicazione separata per ognuno dei condotti 3, 4 e 5 della legge di Bernouille (p 1/2 V<2>= cost, in cui à ̈ la pressione e V la velocità del fluido in una qualsiasi sezione trasversale della condotta), permetterà, proporzionando adeguatamente i condotti, di ottenere, assieme alla condizione di continuità applicata al flusso, l'aumento desiderato fra la velocità del "Campo Eolico" e quella di efflusso ne1l'area della turbina, considerando i tre flussi e quindi il flusso risultante, isotermici, ciò che à ̈ lecito date le basse velocità e le basse variazioni di pressione in gioco.

Per il condotto 5, la separazione del flusso dagli altri à ̈ evidente, trattandosi dì una condotta ottenuta con una tubazione. Per il condotto 4, la stessa constatazione vale dalla presa del campo eolico fino alla bocca dove il suo flusso fuoriesce nel "filamento vorticoso" provocato dalla corrente 3, rimanendo confinata nella zona di bassa pressione determinata dal vortice. Infatti, à ̈ lo stesso “filamento vorticoso†sviluppato dal vortice, a costituire lo strato limite fra il flusso 4 ed il flusso 3.

Il flusso 3 ha un moto elicoidale nel volume del silos che si trova (procedendo in altezza nel silos, dalla sua base al piano del Rotore, indicato con il riferimento S).

Per far sì che le linee di corrente del flusso abbiano direzione prevalentemente verticale, si può disporre efficacemente in questa area un sistema di alette a sviluppo verticale. Le alette del reticolo, che suddividono il volume suddetto in canali verticali, permettono di raddrizzare i filetti fluidi del flusso, che andranno ad agire sul bordo di attacco del profilo alare delle pale del rotore, con la stessa direzione verticale delle correnti provenienti dalle condotte 4 e 5.

La sezione trasversale del silos 1 passa da un diametro esterno (nella forma di realizzazione illustrata à ̈ di 34 m) al più ridotto diametro D2di 26 metri che corrisponde al diametro esterno del rotore. Questo si ottiene con una rastremazione convergente sulla quale si applica di nuovo la legge di Bernouilli, ottenendo cosi i parametri fisici validi per il calcolo della potenza eolica raccoglibile dal rotore. Si deve osservare che, essendo il rotore intubato, non compaiono le perdite di flusso di Betz, come avviene per i rotori liberi nel campo eolico.

La formula della potenza raccoglibile à ̈ quindi:

p = Vt<3>x Atx x 1/2,

in cui Vtà ̈ la velocità della corrente al rotore, Atl’area spazzata dal rotore, e à ̈ la densità dell'aria. L’altro componente della soluzione secondo l’invenzione fondamentale per ottenere un aumento considerevole della potenza estraibile dal campo eolico à ̈ costituito dal diffusore 6.

Il flusso di aria, proveniente dall'interno del silos 1 attraversa l'area spazzata dal rotore, cedendo alle pale, secondo la teoria aerodinamica dei profili alari, gran parte della energia posseduta sotto forma di energia cinetica (1/2mV<2>) ed energia di pressione, lasciando poi il rotore per allontanarsi nell’atmosfera.

A questo punto la velocità residua della corrente à ̈ diminuita al di sotto del valore del campo eolico, così come la sua pressione, che sarà al di sotto di quella atmosferica di un valore in Pascal (Unità di misura) che dipende da diversi fattori. Essendo l'atmosfera circostante parte del campo eolico, da cui si à ̈ estratta precedentemente energia, a velocità e pressione atmosferica più alta, la corrente immediatamente dopo aver lasciato il rotore, riacquisterà i valori del campo eolico, non appena si mescolerà con l’atmosfera esterna.

Se invece di lasciare che la corrente di aria uscita dal rotore, si metta immediatamente in comunicazione con il campo eolico, si fa espandere la corrente in un tubo di scarico divergente dì lunghezza e diametro appropriati, si ottiene una espansione che, con apposite dimensioni dello scarico, comporta una forte depressione, e quindi una aspirazione di aria esterna dalla base, e quindi dal campo eolico, attraverso il rotore ed i tre condotti 3, 4, 5, aumentando di fatto il flusso di aria attraverso il rotore.

Il rapporto di scarico fra le aree di uscita e quella di entrata (pari all'area del rotore) deve essere molto alto per provocare un forte effetto aspirante, e, dato che l'inclinazione massima della parete conica dello scarico deve mantenersi pari o al di sotto di 7°, un effetto aspirante pari a "solo" 1,9 volte il flusso normalmente stabilito, sì ottiene con una lunghezza di tubo di 130-150 m (ovviamente improponibile).

Per ovviare a questo problema, sono state suggerite due soluzioni, entrambe per un rotore ad asse di rotazione orizzontale, ma non utilizzabili per i collettori eolici e palo (WEC) noti, perché molto ingombranti e non attuabili.

Una delle soluzioni proposte può essere applicata alla soluzione secondo la presente invenzione con rotore ad asse verticale, con l'uso di un particolare arteficio innovativo.

Dall'area di scarico si diparte uno scarico conico di piccola lunghezza con pendenza di 7°. Esiste una proporzione consigliata tra diametro e lunghezza. Al termine del tubo conico, viene sovrapposto un secondo tubo conico di diametro maggiore che ha la pendenza di 7°, partendo dal diametro in cui inizia la sovrapposizione. In pratica, le iniezioni di aria prelevate dalla corrente esistente presso il rotore, attraverso la fessura, costituisce un "cuscinetto" di energia eolica, che si appoggia sulla parete del secondo spezzone di tubo, e, verso l’interno, sul cono di aria in moto verso l'uscita. Il tutto impedisce l'influsso dell’atmosfera esterna, e la corrente in uscita dal rotore continua ad espandersi, con ulteriore diminuzione della pressione rispetto all'atmosfera. Aprendosi il nuovo spezzone di tubo di 7° rispetto al primo, il cono si aprirà di 14° con due spezzoni. Impiegando cinque spezzoni si avrà una apertura di 35°.

Nell’esempio mostrato nelle figure, con rotore di area corrispondente al diametro di 26 m, si avrebbe, dopo cinque spezzoni, un'area di diametro di 43 m, ed una lunghezza totale di circa 5 m.

Secondo la teoria dello Strato Limite (Boundary Layer Control) tale diffusore fa aumentare il flusso dal 30% al 50%.

La soluzione secondo l’invenzione può essere realizzata di dimensioni rilevanti, per il numero "n†, anche unendo sinergicamente più strutture che sfruttano un “n†= 3 fino alla parte S realizzandosi, per esempio, una nuova struttura, come segue.

Si pongono tre dei silos descritti ai vertici di un triangolo, costruendoli fino alla sezione S indicata dal disegno ivi riportato. Si sovrappone ai tre silos una struttura, costituita da un involucro che li collega raccogliendo i flussi di aria che, con apposite alette direttrici, saranno diretti nel vano rotore comune, che si trova nell'involucro. È evidente quindi che un solo rotore sarà alimentato da nove condotti provenienti dal campo eolico esterno.

Proporzionando adeguatamente i singoli silos (ad esempio con diametro esterno di 40 m) con un rotore di diametro 70 m, con effetto diffusore al 1,5, si otterrebbe da una unica centrale eolica 12 MW. Le dimensioni in altezza sono estremamente contenute: H = 60 m circa.

Occupazione in pianta del terreno: 150 m x 150 m, di cui solo il 50% costruito. Il campo eolico sempre limitato a 6-7 m/sec.

Il costo di un simile impianto à ̈ una frazione del costo attuale del silos V, costo che attualmente dovrebbe essere già inferiore al tradizionale WEC a palo. Considerando il costo per KWh di energia prodotta in un anno, il costo del silos eolico à ̈ circa il 50% del WEC allo Stato dell'Arte.

Considerando che i siti eolici con velocità di vento intorno ai 6 m/sec per una durata nominale di 4000 h/anno hanno un onere complessivo (al di fuori dei costi specifici di costruzione del manufatto), molto inferiore rispetto ai siti con ventosità sui 12 – 13 m/sec (ci si riferisce ai costi di affitto del sito, ai costi di trasporto, di predisposizione del terreno per l'insediamento, ai costi da collegamento con la rete, ai costi per la mano d'opera e trasferte, costo dì accesso, strade ecc, considerando che i siti con ventosità di 12 m/sec si trovano sui rilievi montuosi, ecc., oppure con soluzioni off-shore (costosissime) sembra evidente il forte sviluppo futuro del sistema proposto.

Si à ̈ precedentemente descritta una soluzione per l’area di ingresso della corrente di aria proveniente dal campo eolico esterno, attraverso un certo numero di alette mobili che si aprono alla periferia del silos. Riferendosi alla distribuzione locali dei venti (vedere ad esempio la figura 9), e constatando che i venti dominanti e persistenti provengono da direzioni in maggioranza da un ventaglio utile di angolo di circa 70° – 75°, le alette devono essere disposte tangenzialmente rispetto alla corrente alla periferia del silos, mantenendo la stessa direzione di ingresso. In altre parole, l’arco di cerchio della periferia occupato dalle alette à ̈ doppio rispetto all’angolo del ventaglio summenzionato, considerando i venti dominanti provenienti dalle due direzioni principali. Conseguentemente, ognuno dei due ventagli occuperà un arco di circa 150°.

Ogni aletta verticale mobile avrà un perno, due o più supporti, ed un sistema di movimentazione.

Nelle figure si nota che preferibilmente l’ingresso dell’aria nel silos non à ̈ diretto ma spostato in una struttura esterna al perimetro, dotata di alette fisse, opportunamente orientate, rivolte opportunamente verso il vento dei due ventagli opposti. Sia hanno così due pareti (opposte) tangenziali sul perimetro della torre, ciascuna per un arco ampio la metà di quello descritto in precedenza. Quindi, anche il numero di alette mobili sarà la metà con i conseguenti vantaggi di economia di costruzione.

La presente invenzione à ̈ stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma à ̈ da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Silos eolico caratterizzato dal fatto di comprendere, dal basso verso l’alto, una base, un corpo e una turbina, detto silos prevedendo n condotti di immissione dell’aria, con n 2, un primo condotto esterno, con prelievo dell’aria lateralmente da detto corpo del silos, e un secondo condotto interno rispetto a detto primo condotto, con ingresso dell’aria dal basso.
2. 2. Silos eolico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che prevede un diffusore in uscita a detta turbina.
3. 3. Silos eolico secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che prevede 3 condotti.
4. 4. Silos eolico secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sono previsti un primo condotto esterno, con prelievo dell’aria lateralmente da detto corpo del silos, un secondo condotto interno e un terzo condotto, sostanzialmente coassiali, interni rispetto a detto primo condotto, con ingresso dell’aria dal basso, l’estremità di detto terzo condotto terminando più in alto rispetto all’estremità di detto secondo condotto.
5. 5. Silos eolico secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto diffusore à ̈ costituito da una successione di elementi conici.
6. 6. Silos eolico secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti elementi conici hanno un angolo di apertura di ca. 7°.
7. 7. Silos eolico secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che à ̈ prevista una successione di 5 elementi conici.
8. 8. Silos eolico secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto silos prevede un numero di condotti superiore a 3.
9. 9. Silos eolico secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che à ̈ previsto un numero di condotti in numero multiplo di 3.
10. 10. Silos eolico secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto secondo e detto terzo condotto hanno la presa d’aria in detta base.
11. 11. Silos eolico secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo condotto presenta alette, orientate favorevolmente rispetto ai venti dominanti nel campo eolico, nell’area di ingresso dell’aria.
12. 12. Silos eolico secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che dette alette sulla entrata del primo condotto sono orientabili.
13. 13. Silos eolico secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’uscita di detto secondo condotto à ̈ prevista all’altezza del “filamento vorticoso†provocato dal flusso in detto primo condotto.
14. 14. Silos eolico secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sfrutta in alternativa o in aggiunta ai flussi di vento, energia termica prelevata da fonti accessorie.