ITRM20110010A1 - Pala eolica a massa variabile - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Il trovato comprende, in particolare, le seguenti parti:

"massa di riempimento": una sostanza il cui grado di immissione in una “sacca” consente di regolare il peso di tale sacca. In questo modo la massa di riempimento consente, con la sua presenza nella sacca abbinata a una pala eolica (o comunque al rotore), di appesantire tale pala eolica (o comunque il rotore), e con la sua assenza dalla sacca abbinata a una pala eolica (o comunque al rotore), di alleggerire tale pala eolica (o comunque il rotore). La massa di riempimento può essere qualsiasi, ad esempio un liquido o gas o solido (anche in polvere) o gel o una qualunque combinazione delle precedenti. Per formare la massa di riempimento può eventualmente essere impiegato un materiale, o una combinazione di materiali, anche a più fasi (coesistenti o meno) nelle temperature operative di interesse; - "sacca": una cavità o comunque un involucro idoneo a contenere la massa di riempimento, realizzata in materiale adatto a sopportare ripetute operazioni di riempimento e svuotamento, anche parziale, comprese le altre caratteristiche fisico-chimiche ed eventuali fenomeni comunque correlati (quali a titolo puramente esemplificativo ma non esaustivo, pressioni, temperature, grado di acidità, grado di umidità, cambiamenti di fase, condensa su una qualunque area, eccetera); “area di contenimento”: eventuale cavità controllata dal “sistema di controllo” che alloggia la sacca e che consente di controllare la forma della sacca o di specifiche aree della sacca. Il numero di aree di contenimento è pari al numero di sacche. Può eventualmente suddividere lo spazio di una sacca in più spazi funzionali, nel presente documento denominati “segmenti”. La suddivisione della sacca in segmenti avviene applicando o rimuovendo una forza di compressione su particolari porzioni in posizioni prestabilite, anche più porzioni alla volta, della sacca. Il sistema di controllo comanda attraverso appositi azionamenti la compressione dell’area di contenimento, e in questo modo, controlla la forma della sacca;

- "compressore": uno o più dispositivi elettromeccanici presenti nella soluzione che prevede l’area di contenimento. Il compressore è controllato dal “sistema di controllo”, opera su un fluido e permette di regolare la pressione interna all’area di contenimento o sue parti; - "buffer": area simile alla sacca, posta dietro il rotore oppure all'interno del palo di installazione, di dimensioni sufficienti a contenere tutta la massa di riempimento disponibile. Quando la massa di riempimento viene rimossa da una sacca viene posta nel buffer;

- "pompa": uno o più dispositivi elettromeccanici in grado di spostare la massa di riempimento dal buffer alla sacca, e dalla sacca al buffer; - "sistema di controllo": un dispositivo elettronico dotato di logica idonea e connesso a sensori e attuatori. Esso può, in particolare, raccogliere informazioni esterne tramite una connessione, anche via radio o comunque senza fili, alla rete telematica globale internet o ad altra apposita rete telematica, oppure provenienti da uno o più sensori o comunque dispositivi di misura (in particolare, strumenti idonei a misurare la velocità del vento, e caratteristiche associate alle pale o altra struttura di movimento, quali vibrazioni, velocità di rotazione, efficienza, eccetera); il sistema di controllo è in grado inoltre di integrare i dati raccolti e calcolare i vantaggi di ogni possibile operazione ed attuarla tramite la pompa (o un insieme di dispositivi che realizzano o comprendano una funzionalità del tipo “pompa”) e dell’eventuale compressore (o un insieme di dispositivi che realizzano o comprendano una funzionalità del tipo “compressore”).

La massa di riempimento può essere veicolata mediante tubi all’interno delle varie parti del sistema. La sacca può essere posta all’interno di ciascuna delle pale (o altra struttura di movimento), oppure all’esterno di ciascuna delle pale (o altra struttura di movimento), oppure su un dispositivo che può comunque gravare sull’asse del rotore, oppure secondo una qualunque combinazione delle precedenti.

Nel presente documento per velocità del vento deve essere inteso sia il valore assoluto di velocità del vento che le informazioni su direzione e intensità. In funzione della velocità del vento, o della velocità del rotore, il sistema di controllo aziona la pompa in modo da introdurre massa di riempimento in una sacca o da sottrarre massa di riempimento da una sacca, così da poter variare dinamicamente la massa di riempimento in ciascuna sacca e offrire al vento un diverso momento di inerzia delle pale (o altra struttura di movimento) o comunque del rotore in funzione delle condizioni. Inoltre nel caso il sistema di controllo aziona anche il compressore che agisce su ciascuna area di contenimento per controllare la forma della sacca; in particolare può regolare la geometria (ad esempio il diametro medio) di ciascuna sacca in modo indipendente. Per l’algoritmo sono possibili, in particolare, i seguenti casi: 1) La sacca è vuota, le pale sono molto leggere, quindi possono essere fatte girare da un vento più debole; 2) la sacca è piena, le pale sono molto pesanti, quindi possono sfruttare il vento più forte; 3) la massa di riempimento riempie parzialmente la sacca, in funzione della velocità del vento. Una pala (o altra struttura di movimento) più leggera è più sensibile in fase di avvio e può rimanere ugualmente in movimento e sfruttare vantaggiosamente anche il vento debole. Una pala (o altra struttura di movimento) più pesante consente di accumulare maggiore energia, può essere utilizzata così come un volano (consente di ottenere, in particolare, un margine di indipendenza da temporanee fasi di vento calante), inoltre rende efficiente la protezione della struttura in caso di vento particolarmente forte. Diventa quindi possibile creare le pale eoliche o comunque il rotore utilizzando materiali leggeri, e regolare la massa in base alle necessità. Considerazioni analoghe valgono comunque la massa di riempimento gravi sul rotore.

In presenza di un vento debole, il sistema di controllo aziona la pompa in modo da sottrarre massa di riempimento dalla sacca, oppure azionando il compressore per regolare una diversa forma della sacca. La massa sottratta dalla sacca viene ospitata nel buffer, in modo da non far gravare il peso di quanto rimosso sulla pala o comunque sul rotore.

In presenza di un vento forte, il sistema di controllo aziona la pompa in modo da introdurre massa di riempimento nella sacca, oppure azionando il compressore per regolare una diversa forma della sacca; questo consente, in particolare, di utilizzare le pale o comunque il rotore, in modo più efficiente dal punto di vista della generazione elettrica durante temporanee variazioni di vento. L’algoritmo del sistema di controllo prevede una tabella configurabile con le possibili operazioni da eseguire (spostamenti della massa, ed eventualmente i passi di regolazione della forma delle sacche) in funzione delle possibili modifiche del vento (in termini di velocità assoluta, direzione e intensità); se tale tabella non viene è stata configurata o in caso di anomalie di configurazione, il sistema di controllo prevede un comportamento predefinito di seguito specificato: quando viene identificata una riduzione progressiva di vento, il sistema di controllo aziona la pompa in modo da rimuovere massa di riempimento dalla sacca fino a raggiungere una nuova condizione ottimale, compreso eventualmente il caso di sacca completamente svuotata, e viceversa nel caso sia identificata un incremento progressivo di vento; il sistema di controllo può gestire la quantità di massa di riempimento nella sacca anche considerando gli effetti del principio di conservazione del momento angolare; in questo modo il sistema di controllo può sfruttare vantaggiosamente il vento più forte allo scopo di produrre maggiore energia. La misura della riduzione o incremento di vento è un parametro modificabile basato, in particolare, su specifiche relative alla velocità, intensità del vento e direzione del vento. In presenza di più sacche, come ad esempio nel caso di più pale eoliche ciascuna dotata di sacca, il sistema di controllo è in grado di gestire in modo indipendente il grado di riempimento di ciascuna singola sacca. Il sistema di controllo verifica che la massa di riempimento introdotta in ciascuna sacca non oltrepassi la soglia prevista per quella sacca; verifica inoltre che si tenti di rimuovere massa di riempimento da una sacca vuota.

Nel caso il sistema preveda la presenza di un’area di riempimento, il sistema di controllo può gestire opportuni azionamenti allo scopo di creare segmenti in ciascuna sacca, anche indipendentemente per ciascuna area di riempimento. In particolare, se si considera la rotazione delle pale eoliche in una turbina eolica ad asse orizzontale, per effetto della forza centrifuga la massa di riempimento all’interno delle pale tende a spostarsi verso l’estremità delle pale, e l’intensità di tale forza tende ad aumentare con la velocità di rotazione; quando la velocità di rotazione è troppo bassa, la massa di riempimento può imprimere una forza a seconda della posizione della pala e le caratteristiche della rotazione. Con riferimento alla sacca abbinata ad una pala eolica (per una turbina ad asse orizzontale) e per la quale sia prevista un’area di riempimento, il sistema di controllo è in grado di gestire dinamicamente la forma della sacca (in particolare, il diametro medio della sacca) e/o i segmenti in tale sacca, allo scopo di produrre particolari combinazioni di segmenti (compresa l’assenza di segmenti) in funzione della posizione della pala, della velocità di rotazione della pala, della forma della sacca, e della quantità di massa di riempimento presente nella sacca. L’algoritmo del sistema di controllo, prevede una apposita tabella con parametri configurabili (relativi a posizione della pala, velocità di rotazione, quantità di massa di riempimento, con valori puntuali o intervalli) e i codici corrispondenti agli azionamenti da eseguire.

Il sistema di controllo può azionare il compressore in modo da regolare la pressione nell’area di riempimento, e indirettamente la pressione alla quale è assoggettata la sacca, ovvero la pressione alla quale sono assoggettate parti della sacca o comunque i diversi possibili segmenti in cui la sacca può essere suddivisa. Il compressore spinge o rimuove aria (o altro fluido) in pressione dall’area di riempimento o sue parti, di conseguenza la sacca al proprio interno oppure un suo segmento, che contiene la massa di riempimento, viene compressa con una forza più o meno grande. Il sistema di controllo è in grado di ottenere movimenti della massa di riempimento azionando, in particolare, il compressore sui singole porzioni dell’area di riempimento. A titolo puramente esemplificativo, se la sacca risulta totalmente compressa, la massa di riempimento può essere rimossa dalla sacca e acquisita nel buffer; in alternativa possono essere compressi singoli segmenti secondo una opportuna sequenza. Nel caso di implementazione con massa di riempimento comunque in pressione, se la sacca all’interno dell’involucro di regolazione non viene compressa, o se viene creata una pressione negativa, la massa di riempimento passa dal buffer alle pale eoliche; in questa modalità, la pressione della massa di riempimento è dipende dall’attività del compressore.

Per supportare il caso di sacca ospitata all’interno di una pala, la pala deve essere cava o parzialmente cava. Se non è prevista l’area di riempimento abbinata alla sacca, la cavità (eventualmente rivestita da materiale idoneo in funzione della natura e delle qualità del materiale di riempimento) può essere utilizzata direttamente quale sacca (in questo caso tale cavità e la sacca corrispondono, almeno in parte), oppure la cavità può alloggiare una apposita sacca. Il sistema di controllo regola la quantità di massa di riempimento nella sacca, di conseguenza la massa di riempimento può essere aggiunta alla sacca e rimossa dalla sacca. Per tentare di prevedere le condizioni meteorologiche (in particolare l’andamento del vento) allo scopo di ottimizzare le operazioni, il sistema di controllo può avvalersi di uno strumento (o rete di strumenti) per misurare la velocità del vento, oppure di dispositivi in grado di acquisire informazioni (su dati rilevati e/o previsioni) disponibili presso un sistema remoto (attraverso una connessione alla rete globale Internet, o comunicazione telefonica, satellitare, o altro).

Il sistema di controllo varia la quantità di massa di riempimento all'interno della sacca anche in funzione del vento delle previsioni sull’andamento del vento eventualmente disponibili. Le previsioni sull’andamento del vento sono gestite, in particolare, definendo i diversi pesi da applicare nel corso del tempo (concordemente al periodo di tempo delle previsioni considerate). Il pesi sono scelti da tabelle configurabili in base alle probabilità dei diversi casi possibili nel corso del periodo di tempo delle previsioni considerate.

L'algoritmo nel sistema di controllo ha lo scopo di garantire l’esercizio in efficienza e l’economicità delle operazioni. L'algoritmo nel sistema di controllo può essere configurato in modo da iniettare o estrarre la massa di riempimento a velocità controllata, allo scopo di modificare anche gradualmente il momento del rotore, allo scopo di ridurre sollecitazioni e vibrazioni alle diverse componenti, controllare la dinamica nelle modifiche del moto, posizionare la massa di riempimento in modo da ottenere una dinamica adeguata a consentire di gestire con vantaggio le variazioni temporanee di vento. 1 dati non configurati possono essere determinati sulla base di configurazioni predefinite e/o mediante calcoli.

Un vento in principio troppo forte può essere sfruttato perché le pale possono diventare più pesanti di quanto fossero le pale senza massa di riempimento, che dovevano essere dimensionate (in geometria e in peso) in funzione del vento "medio" e altri criteri.

Se le geometria delle pale attuali consiste in una forma idonea ad essere sfruttata con efficienza solo dal vento "medio" (nel senso che è in grado di intercettare con efficienza soltanto determinati intervalli di velocità del vento), ma la forma esclude di fatto i venti deboli o forti in quanto in principio non sarebbe in grado di sfruttarli, la forma esterna delle pale potrebbe essere dinamicamente modificata utilizzando una geometria variabile. In questo caso il sistema di controllo, in base a un parametro configurabile, verifica tabelle con parametri oppure esegue calcoli di efficienza, quindi aziona appositi compressori (che operano su aria o altro fluido) per gonfiare specifiche porzioni di ciascuna pala secondo parametri che hanno lo scopo di ottimizzare i rendimenti per diverse intensità del vento ed eventuali altri parametri e caratteristiche specifiche dell’aerogeneratore. La modifica geometrica consiste nel modificare la forma della pala in una forma idonea a quella particolare velocità del vento. Può semplicemente ampliare la superficie della pala esposta al vento (con superfici suppletive) e/o alterare la curvatura di superfici.

L'algoritmo nel sistema di controllo può inoltre prevedere la gestione ottimale nel caso la turbina eolica sia parte di una schiera di turbine eoliche; in questo caso una parte dell’algoritmo può essere configurata per gestire la massa di riempimento e conseguentemente il controllo di rotazione delle pale o comunque del rotore (mediante una tabella parametrizzata su valori specificati in forma puntuale o come intervalli, in particolare in funzione della velocità di rotazione del rotore, la velocità del vento, le caratteristiche eventualmente misurate sulla qualità della rotazione quali le vibrazioni e le sollecitazioni dell’asse al generatore elettrico) allo scopo di gestire in modo controllato le perturbazioni create nel vento propagato alle altre turbine eoliche della schiera.

L’aerogeneratore può essere dotato di un ingranaggi variatori di velocità angolare (tra l’asse del rotore e l’asse del generatore elettrico) automatici o pilotabili dal sistema di controllo. In particolare in corrispondenza di cali di vento, è così possibile supportare la velocità dell’asse del generatore. L’algoritmo del sistema di controllo prevede inoltre parametri per formare condizioni logiche che permettono di discriminare i casi di intervento allo scopo di evitare interventi che, per specifiche installazioni, potrebbero comportare dispendi di energia superiori ai benefici ottenuti. L’algoritmo prevede inoltre un meccanismo di calcolo di prestazioni che permette di limitare o estendere le operazioni eseguite in funzione dei benefici; la valutazione è basata sull’analisi dei dati storici che può comprendere, in particolare, l’analisi delle medie mobili applicate su diversi periodi.

Si evidenzia esplicitamente che quanto descritto in riferimento al funzionamento per il caso di una turbina eolica è applicabile senza particolari modifiche anche al caso di idrogeneratori realizzati in modo funzionalmente simile o assimilabile. Quanto indicato nel presente documento, cioè, è indipendente dal fluido (aria o acqua) che alimenta il movimento delle pale o comunque del rotore.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Metodo per incrementare o ridurre dinamicamente la massa delle pale eoliche (o comunque la massa che grava sul rotore o sue parti).
2. 2. Metodo per modificare dinamicamente la geometria delle pale eoliche (o comunque la geometria del rotore o sue parti).
3. 3. Metodo per incrementare l’Intervallo operativo dell’esercizio in efficienza delle turbine eoliche, variando dinamicamente la massa e/o la geometria della porzione che ruota per effetto della forza del vento.
4. 4. Metodo per controllare il diametro o comunque la forma della sacca che conterrà la massa suppletiva per le pale o parti del rotore.
5. 5. Considerando la rivendicazione di cui al punto 1 e/o al punto 2, metodo per controllare il moto del rotore allo scopo di influenzare le perturbazioni nel vento nel caso di una schiera di turbine eoliche.
6. 6. Considerando la rivendicazione di cui al punto 1 e/o al punto 2, metodo per controllare la rotazione del rotore in una turbina eolica per ottimizzare l’efficienza considerando le previsioni sul vento.
7. 7. Metodo per gestire la massa suppletiva che può gravare sulle pale eoliche e/o comunque sul rotore o sue parti.
8. 8. Metodo per controllare la dinamica del rotore utilizzando la massa suppletiva per le pale eoliche e/o per il rotore o sue parti.
9. 9. Considerando la rivendicazione di cui al punto 1 e/o al punto 2, metodo per costruire turbine eoliche con materiali leggeri.
10. 10. Metodo per controllare il rapporto di velocità tra l’asse del rotore e l’asse del generatore elettrico.