ITRM20120456A1 - Dispositivo di generazione di energia elettrica galleggiante con struttura modulare oscillante rotatoria sollecitata dal moto ondoso - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Descrizione dell’invenzione industriale avente per titolo: . “Dispositivo di generazione di energia elettrica galleggiante con struttura modulare oscillante rotatoria sollecitata dal moto ondoso”,

Di seguito una breve descrizione del problema contestuale, dello stato dell’arte e dei vantaggi del trovato. La disponibilità, e quindi la produzione di energia è un bisogno primario a livello planetario. In questi anni stiamo assistendo a un incremento della domanda, per l’aumento dei bisogni e del numero di abitanti, concomitante a una riduzione delie riserve da combustibile fossile, quali gas, petrolio e carbone, da sempre la fonte primaria per la produzione di energia elettrica, e l’innalzamento dei gas di scarico nell’atmosfera, l’aumento della temperatura media del pianeta e la necessità di controllare e far decrescere l’emissione di biossido di carbonio. Da qui la crescente attenzione e proliferazione di soluzioni e installazioni di impianti a energie rinnovabili, in particolare idroelettrico e geotermico, e poi eolico e solare fotovoltaico che stanno raggiungendo una maturità tecnica. Nello specifico, nonostante l’enorme potenziale disponibile, che ammonta a circa 50.000 TWh/anno di energia disponibile dal moto ondoso sul pianeta, a oggi sono pochissime le soluzioni e realizzazioni che stanno uscendo dalla fase prototipale, in quanto è ancora un settore lontano dal consolidamento di soluzioni economiche e ripetibili con produzioni di scala. In termini di potenza disponibile, negli oceani il valore dei flusso di potenza delle onde per metro lineare ammonta tra i 20 e 70 KW/m, mentre nei mari quasi chiusi come il Mediterraneo il valore di potenza è inferiore, tra i 5 e 18 KW/m, ma ancora di interesse per un suo utilizzo.

Le attuali soluzioni per lo sfruttamento dei moto ondoso hanno diversi vantaggi e svantaggi:

Ci sono soluzioni denominate a colonna d’acqua oscillante, con impianti sulla costa, che, mediante la costruzione di condotti ove l'onda si trova forzata, l’aria interna ne risulta compressa e aziona una turbina ad aria, come ad esempio per le applicazioni Pico in Portogallo, e Limpet in Gran Bretagna; questi dispositivi possono arrivare anche alla potenza di 1MW, ma hanno limiti legati al sito e hanno costi di realizzazione molto elevati; ci sono altre soluzioni funzionanti sullo stesso principio delle precedenti ma realizzate su piattaforme galleggianti, come la giapponese Mighty Whale, che ha dimensioni 50m per 30m, lavora con tre turbine ad aria per un totale di massimo 120 KW; anche questo tipo di soluzioni ha costi di realizzazione molto elevati data la dimensione degli impianti.

Ci sono soluzioni denominate a turbina ad acqua, con impianti costruiti in modo che una parte della massa d’acqua dell’onda si riversi su un bacino superiore, e poi ne attivi la turbina nel riflusso per caduta a effetto della forza di gravità, come nelle centrali idroelettriche; possono essere costruite sulla costa, come ad esempio le istallazioni norvegesi Tapchan e SSG; o anche realizzate su piattaforme galleggianti, come la danese Wave Dragon, da 140 KW; anche questo tipo di soluzioni ha costi di realizzazione molto elevati data la dimensione degli impianti.

Ci sono soluzioni denominate a corpi oscillanti, che possono essere galleggianti o sommersi, con parti fisse al fondo marino o ancorate; i principi di funzionamento per questa categoria di dispositivi varia da applicazione ad applicazione; tra i dispositivi sommersi possiamo citare: ^ .

o l’Archimedes Wave Swing, testato in Portogallo, i cui dispositivi hanno una parte fissa al fondo marino ed una parte dotata di movimento traslatorio rispetto alla prima, sottoposto a movimento per effetto della variazione di pressione dovuta al passaggio delle onde marine sulla superfice, che produce energia elettrica tramite generatore lineare; possono arrivare a 1 ,25MW per unità, e i costi di installazione sono alti sia per la realizzazione che per la messa in opera sul fondo marino; o altri dispositivi della categoria sono il finlandese Wave Roller e lo scozzese Oyster, entrambi funzionalmente costituiti da flaps ancorati su perni sul fondo marino in prossimità della costa, il cui movimento oscillatorio prodotto al passaggio delle onde produce una variazione di pressione sui martinetti idraulici connessi; tale pressione viene convogliata a terra per azionare una turbina; anche per queste applicazioni i costi di installazione sono alti sia per la realizzazione che per la messa in opera sul fondo marino;

tra i dispositivi galleggianti possiamo citare:

o dispositivi che hanno parti mobili traslatorie, come il Wavebob sviluppato in Irlanda, costituito funzionalmente da due sottostrutture, una completamente immersa e l’altra semi immersa, dotate di possibilità di mutuo movimento traslatorio; avendo masse, volumi e forme differenti, le forze di gravità e spinta di Archimede sono diverse quando sollecitate dalle onde, il che produce un lento movimento sussultorio tra le parti, che viene convertito in energia elettrica da un convertitore lineare; tale dispositivo ha un diametro di 14m e può arrivare a 1MW di potenza, non necessita di lavori importanti di ancoraggio in sito, viene utilizzato negli oceani e ha bisogno di onde mediamente alte per una produzione significativa. Tra gli altri dispositivi di questa categoria possiamo citare, di dimensioni più contenute ovvero 6m di diametro, l’italiano Wave Energy Module, costituito da sei galleggianti ancorati in circolo ad una torretta fissata sul fondo marino; tali galleggianti sono dotati di movimento verticale sollecitati dalle onde marine, e con una trasmissione meccanica tale energia viene trasferita a un generatore, per un valore di circa 4KW; tale dispositivo è piccolo e relativamente leggero, circa 7,7 T compresi i galleggianti, ed è utilizzato anche in siti con onde medie contenute, ad esempio la laguna di Venezia; ha però lo svantaggio di dover essere fissato sul fondo marino, con i necessari costi di messa in opera;

tra i dispositivi galleggianti passiamo ora a citare quelli con parti mobili rotatorie, tra i quali il più famoso e che ha raggiunto una fase di produzione commerciale è il Pelamis, di origine scozzese; è costituito da quattro corpi cilindrici interconnessi, del diametro di 3,5m, per un totale di 150m di lunghezza; in ogni giunto di interconnessione, tra due corpi cilindrici contigui, è presente un corpo cilindrico dedicato che trasforma il mutuo movimento impresso dalle onde in pressione sui pistoni meccanici posti sulle articolazioni, collegati a generatori elettrici per la produzione, che si attesta ad una potenza di 750KW. Tale dispositivo non necessita di sistemi di fissaggio sul fondo ma deve essere opportunamente ancorato in modo che sia orientato longitudinalmente alia direzione delle onde; ha un costo significativo data la dimensione, sia di produzione che di trasporto in sito.

Allo stato attuale della tecnica, quindi, pur esistendo diverse soluzioni al problema della produzione di energia elettrica dal moto ondoso, non si è ancora consolidata una tecnologia che contempli contemporaneamente i vantaggi di: non essere vincolata alla morfologia della costa; essere modulare nelle dimensioni e nella potenza installata; essere utilizzabile con onde di diversa altezza media, ovvero negli oceani e nei mari chiusi; essere economica in termini di costo del dispositivo e soprattutto di messa in opera in sito; minimizzare i costi di gestione e manutenzione.

Tali vantaggi possono essere ottenuti mediante il dispositivo di generazione di energia elettrica galleggiante con struttura modulare oscillante rotatoria sollecitata dal moto ondoso formante oggetto del presente, trovato.

Esso è caratterizzato dal fatto di essere costituito da due o più moduli galleggianti interconnessi tramite traversa, alla cui estremità il perno è dotato di movimento rotatorio rispetto al corpo galleggiante corrispondente; tale movimento rotatorio relativo, ovvero tra due moduli contigui, impresso alia struttura dal moto ondoso, viene opportunamente trasferito al gruppo di conversione elettrica posto all'Interno dei moduli galleggianti e reso disponibile per il trasporto dell’energia all’esterno.

La presente invenzione sarà ora descritta, a titolo illustrativo e non limitativo, secondo la sua preferita forma di realizzazione, con particolare riferimento ai disegni allegati in cui:

o le fig.1 e fig.2 mostrano lo schema di funzionamento del trovato, secondo una vista trasversale della struttura, in differenti condizioni rispetto al moto ondoso;

o la fig. 3 mostra una sezione longitudinale dei moduli galleggianti di cui è composta la struttura, e la modalità di interconnessione degli stessi.

Nelle figure 1 e 2 viene illustrata una possibile dinamica del presente trovato in presenza di moto ondoso. La struttura è composta da due o più moduli galleggianti (1), (1a),(1b), tutti connessi tramite i perni (12) e gli attacchi (13), in cui il primo (1) presenta il gancio (5) cui è connessa la cima o catena di ancoraggio, il cui estremo opposto è fissato a un’ancora o massa (6) sul fondale, o ad un anello posto sulla banchina o costa. La parte finale della struttura (1c) è costituita da un modulo galleggiante sprovvisto dei gruppi di conversione meccanico (16) ed elettrico (17), e opportunamente bilanciato nel peso tramite i serbatoi stagni interni che ne determinano la massa e il peso. In presenza di moto ondoso, la struttura, ancorata solo ad un estremo (5), si orienterà nel verso* della direzione del gruppo d’onda, e ogni modulo galleggiante (1, 1a, 1b) ne seguirà la dinamica ascendente e discendente, mantenendo teso il tirante al gancio (5) che farà da vincolo alla rotazione del modulo (1), così come gli attacchi delle travi ai punti (13) costituirà un vincolo alla rotazione dei moduli (1a) e (1 b). In questo modo il moto ondoso produrrà delle rotazioni relative tra i moduli (1, 1a e 1b) e i perni (4) secondo angoli (7) rispetto alla condizione orizzontale di riposo in assenza di onde, e la cui energia viene trasferita ai gruppi di conversione meccanica (16) ed elettrica (17) per la produzione di energia elettrica.

Nella figura 3 viene illustrata una sezione longitudinale dei moduli galleggianti di cui è composta la struttura, e la modalità di interconnessione degli stessi. In particolare i punti connessione al gancio (5) o all'estremo della traversa (13), l’asola (26) come spazio di rotazione della traversa (3), la baderna premistoppa o cuffia stagna (12), con le stesse caratteristiche degli alberi d’elica passanti delle barche, il gruppo di conversione meccanico (16) costituito da un primo moltiplicatore di giri, poi un giunto di sopravanzo per imprimere la coppia in un solo verso all’estremo di una molla a spirale di carica, di opportuna sezione e costante K, alla cui altra estremità è collegato un secondo moltiplicatore di giri, e poi un volano di opportuno momento di inerzia per la stabilizzazione della velocità di rotazione da imprimere all’asse di ingresso del gruppo di conversione elettrico (17). In alternativa, può essere omessa la presenza della molla a spirale e del secondo moltiplicatore di giri.

Da notare come la presenza del giunto di sopravanzo, funzionalmente lo stesso presente nei rocchetti delle biciclette, consente di imprimere la coppia solo in un verso e che ogni volano giri sempre nella stessa direzione, e i due volani contrapposti dello stesso modulo galleggiante (1) abbiano spin opposto. Questo limita la presenza di scomode coppie per effetto giroscopico. Ovviamente ogni gruppo di conversione lavora su un solo semi-ciclo dell’onda.

La coppia del volano viene trasferita all’ingresso del gruppo di conversione elettrico (17) costituito da un alternatore a magneti permanenti e inverter, o generatore elettrico trifase, in modo da avere in uscita (15) una tensione elettrica compatibile in tensione e frequenza alla rete cui è connessa. Eventualmente può essere presente un trasformatore per elevare la tensione di uscita e minimizzare le perdite per caduta ohmica nella trasmissione via cavo a terra. Tutte le uscite dei gruppi di conversione elettrica (17) sono raccolte in un quadro di parallelo, stagno in loco presso il dispositivo generatore, o se ritenuto più opportuno a terra.

I moduli galleggianti (1 , 1a, 1b) possono essere parzialmente riempiti d’acqua, con appositi serbatoi interni, in modo che lo stesso modulo rimanga parzialmente immerso quando sottoposto contemporaneamente alle forze di gravità e spinta di Archimede. Per eventualmente rendere più robusta la struttura alle sollecitazioni trasversali e quindi di taglio sui perni (4), sono previste delle travi di rinforzo (21) ai lati dei moduli galleggianti (1, 1a, 1 b), bloccate a un estremo (25 e 22) e con possibilità di rotazione all’estremo opposto (23 e 24).

Il presente trovato può essere realizzato con diverse dimensioni, in funzione dell’altezza media dell’onda, e con un numero arbitrario di moduli galleggianti, purché maggiori o uguale a due, in funzione della potenza desiderata.

A titolo illustrativo e non limitativo, al fine di fornire alcuni aspetti dimensionali, considerando ad esempio un sito marino con altezza media dell'onda pari a 2m - 3m ed un flusso di potenza pari a 30 KW/m, rappresentativo di una potenza media in oceano, con un modulo galleggiante costituito da un cilindro di raggio 2m semiimmerso, lunghezza 4m, quindi per un flusso di potenza d’onda pari a 120 KW, ed un peso di 25 T per modulo, ottenuto con riempimento d’acqua dei serbatoi interni, si ottiene che la potenza erogabile può raggiungere 80 KW/modulo per ogni modulo galleggiante attivo. L’ultimo modulo infatti non ha a bordo i moduli di conversione né i perni e non produce. Con 5 moduli si ottengono 320 KW di potenza, quindi circa 1150 MWh/anno, per un sistema di 4m di larghezza, 2m di altezza emersa, 32m di lunghezza, 125 T di peso.

Allo stesso modo, sempre a titolo di esempio, considerando ad esempio un sito marino con altezza media dell'onda pari a 1m ed un flusso di potenza medio annuo pari a 5 KW/m, rappresentativo di un mare chiuso come il Mediterraneo, con un modulo galleggiante costituito da un cilindro di raggio 1m semi-immerso, lunghezza 4m, quindi per un flusso di potenza d’onda pari a 20 KW, ed un peso di 6,4 T per modulo, ottenuto con riempimento d’acqua dei serbatoi interni, si ottiene che la potenza erogabile può raggiungere 15 KW/modulo per ogni modulo galleggiante attivo. Con 5 moduli si ottengono 60 KW di potenza, quindi circa 215 MWh/anno, per un sistema di 4m di larghezza, 1m di altezza emersa, 20m di lunghezza, 32 T di peso.

I vantaggi che possono quindi essere ottenuti mediante il dispositivo di generazione di energia elettrica galleggiante con struttura modulare oscillante rotatoria sollecitata dal moto ondoso formante oggetto del presente trovato sono: non essere vincolata alla morfologia della costa, in quanto potenzialmente installabile in qualsiasi tratto di mare; essere modulare nelle dimensioni e nella potenza installata, quindi utilizzabile con onde di diversa altezza media, ovvero negli oceani e nei mari chiusi, con opportuno dimensionamento delle misure e del numero dei moduli; essere economica in termini di costo del dispositivo e soprattutto di messa in opera in sito, in quanto di semplice costituzione e rapida installazione; essere economica in termini di costi di gestione e manutenzione, in quanto il sistema è robusto e non necessità di particolari azioni di manutenzione ordinaria, in quanto tutti gli elementi di conversione meccanica ed elettrica sono interni ai moduli galleggianti, in opportuna scatola stagna interna, e protetti dalla struttura stagna esterna, i cui unici elementi di transito dall'esterno sono i perni di rotazione e i cavi elettrici, con passaggi opportunamente impermeabili.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo e non limitativo secondo sue preferite forme di realizzazione, ma è da intendersi che eventuali variazioni o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del settore senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione. Si intendono possibili, in particolare, inversioni strutturali o dislocazioni alternative dei componenti o delle parti che complessivamente formano il dispositivo di generazione di energia elettrica galleggiante con struttura modulare oscillante rotatoria sollecitata dal moto ondoso, oggetto della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo di generazione di energia elettrica galleggiante con struttura modulare oscillante rotatoria sollecitata dal moto ondoso, caratterizzato dal fatto di essere costituito da due o più moduli galleggianti (1 , 1 a, 1 b) interconnessi tramite una traversa (3), alla cui estremità il perno (4) è dotato di movimento rotatorio rispetto al corpo galleggiante corrispondente (1 , 1a).
2. 2) Dispositivo secondo la rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto che il modulo galleggiante (1) permette esternamente il fissaggio del gancio (5), se è il primo modulo della struttura, oppure il fissaggio di un estremo (13) della traversa (3) di collegamento dei moduli (1a, 1 b), se è successivo nella struttura modulare.
3. 3) Dispositivo secondo le rivendicazioni 1), 2), caratterizzato dal fatto che la forma del modulo galleggiante (1) presenta un’asola (26) per permettere la rotazione del perno (4) e della traversa (3) quando sollecitati dall’onda.
4. 4) Dispositivo secondo le rivendicazioni 1), 2), 3) caratterizzato dal fatto che la rotazione del perno (4) viene trasmessa all’interno del modulo galleggiante (1) tramite baderna premistoppa o cuffia stagna al gruppo di trasmissione meccanica (16), costituito da moltiplicatore di giri, poi giunto di sopravanzo per imprimere la coppia in un solo verso e lasciare libera la rotazione per coppia inferiore o assente, poi volano di opportuno momento di inerzia per l’accumulo dell’energia cinetica dall’impulso dell’onda, e il rilascio più lento della stessa.
5. 5) Dispositivo secondo le rivendicazioni 1), 2), 3) caratterizzato dal fatto che la rotazione del perno (4) viene trasmessa all’interno del modulo galleggiante (1) tramite baderna premistoppa o cuffia stagna al gruppo di trasmissione meccanica (16), costituito da un primo moltiplicatore di giri, poi un giunto di sopravanzo per imprimere la coppia in un solo verso all'estremo di una molla a spirale di carica, di opportuna sezione e costante K, alla cui altra estremità è collegato un secondo moltiplicatore di giri, e poi un volano di opportuno momento di inerzia per la stabilizzazione della velocità di rotazione da imprimere all'asse di ingresso del gruppo di conversione elettrico (17).
6. 6) Dispositivo secondo le rivendicazioni 1), 2), 3), caratterizzato dal fatto che la rotazione del volano all’uscita del gruppo di trasmissione meccanica (16) viene trasmessa al gruppo di conversione elettrica (17), costituito da un alternatore a magneti permanenti e inverter, o generatore elettrico trifase, in modo da avere in uscita (15) una tensione elettrica compatibile in tensione e frequenza alla rete cui è connessa.
7. 7) Dispositivo secondo le rivendicazioni 1), 2), 3), 6), caratterizzato dal fatto che all'interno del gruppo di conversione elettrica (17) sia presente un trasformatore per elevare la tensione di uscita e minimizzare le perdite per caduta ohmica nella trasmissione via cavo a terra della potenza elettrica generata dal presente dispositivo.
8. 8) Dispositivo secondo le rivendicazioni 1), 2), 3), caratterizzato dal fatto che i moduli galleggianti (1) sono parzialmente riempiti d’acqua, con appositi serbatoi interni, in modo che lo stesso modulo (1) rimanga parzialmente immerso quando sottoposto contemporaneamente alle forze di gravità e spinta di Archimede.
9. 9) Dispositivo secondo le rivendicazioni 1), 2), 3), caratterizzato dal fatto che sono eventualmente presenti delle travi di rinforzo (21) ai lati dei moduli galleggianti (1 , 1a, 1 b), bloccate a un estremo (25 e 22) e con possibilità di rotazione all'estremo opposto (23 e 24).
10. 10) Dispositivo di generazione di energia elettrica galleggiante con struttura modulare oscillante rotatoria sollecitata dal moto ondoso, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e come sostanzialmente descritto in precedenza e rappresentato nei disegni allegati.