ITTO20010492A1 - Dispositivo statico a propulsione eolica. - Google Patents

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale avente per titolo:

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo statico a propulsione eolica, ed in particolare ad un dispositivo che può funzionare da motore eolico di tipo "statico" (in quanto non espone all'esterno organi in movimento) per sfruttare la forza del vento in azionamenti di vario tipo.

Sono noti nella tecnica vari dispositivi che sfruttano la forza del vento come propulsione per vari tipi di applicazioni motorizzate a valle.

Questi dispositivi, tuttavia, non sono completamente soddisfacenti, dato che richiedono sempre costruzioni complesse e di notevoli dimensioni (come ad esempio i dispositivi a due o tre pale tipo mulino) , che presentano costi proibitivi per il risultato energetico che alla fine ottengono.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore, fornendo un dispositivo statico a propulsione eolica che sia di semplice costruzione, abbia costi molto contenuti e consenta nel contempo di ottenere potenze di uscita notevoli per applicazioni domestiche o industriali.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo come sopra indicato che possa essere applicato in corrispondenza di velocità del vento di qualsiasi tipo, adattandolo di volta in volta a velocità anche sostenute, e realizzato in modo da non essere influenzato negativamente dalle velocità del vento in entrata, ma anzi di sfruttarle al meglio.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un dispositivo come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l'oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la Figura 1 è una vista laterale schematica di una realizzazione del dispositivo secondo la presente invenzione;

la Figura 2 è una vista in dettaglio del dispositivo di Fig. 1;

la Figura 3 è una vista laterale schematica di una possibile variante realizzativa del dispositivo di Fig. 1; e

la Figura 4 è una vista in dettaglio del dispositivo di Fig. 3.

Facendo riferimento alle Figure, sono illustrate due forme possibili di realizzazione del dispositivo statico a propulsione eolica 1 della presente invenzione: risulterà immediatamente ovvio agli esperti nel ramo che tali realizzazioni sono puramente esemplificative e non limitative dell'invenzione, dato che sono possibili numerose varianti che tengano conto sia della realizzazione delle singole parti componenti, sia degli angoli di inclinazione che tali parti presentano rispetto alla direzione del vento.

Come illustrato nelle Figure, il dispositivo 1 dell'invenzione sfrutta l'energia del vento inserendosi nel contempo nell'ambiente senza esporre all'esterno organi mobili, guali ad esempio le pale rotanti delle attuali macchine ad asse orizzontale, che costituiscono indubbiamente motivo di pericolo per i mezzi in volo, oltre a risultare costosissime ed a necessitare, per l'installazione, di luoghi il più possibile aperti e lontani dalle zone abitate. Il dispositivo 1 dell'invenzione, invece, presenta al vento una sezione rigida e compatta, di forma preferibilmente rettangolare, all'interno della quale sono interamente collocati gli organi mobili a cui è affidata la funzione di sfruttare l'energia eolica. La forma rettangolare è atta a sfruttare al meglio la sezione del vento, non completamente sfruttata invece dalle ventole ad asse orizzontale, il cui fronte esposto al vento ha forma circolare. Per la sua caratteristica di non esporre all'esterno organi in movimento, una struttura di questo tipo si presta inoltre piuttosto bene ad essere installata nelle vicinanze di zone abitate, o all'interno di esse, ad esempio sulla sommità di edifici, o comunque in luoghi che espongono al vento un profilo accidentato.

Il dispositivo 1 dell'invenzione, come illustrato nelle Figure, presenta una struttura di supporto 2 che consente l'entrata del vento lungo la direzione Δ nelle Figure e l'uscita del vento lungo la direzione C in Fig. 1 e 3. All'interno della struttura di supporto 2 è collocato un organo mobile o elemento propulsore 3 esposto all'azione del vento e costituito da una serie di elementi paralleli 6, 7, di sezione uguale o assimilabile ad un arco di corona circolare ed aventi come caratteristica dimensioni molto contenute rispetto allo sviluppo in lunghezza (non illustrato in quanto diretto in senso normale al piano dei disegni) . Questi elementi 6, 7 saranno indicati qui di seguito come "alette" (anche se non sono limitati a questa soluzione), e sono uguali, paralleli ed equidistanti tra loro, e formano nel complesso un anello chiuso, scorrevole sotto l'azione del vento lungo un percorso caratterizzato da due tratti piani paralleli collegati tra loro da due tratti semicilindrici 8, 9.

Lungo questo percorso ad anello, le alette 6, 7 (suddivise per chiarezza in una pluralità di alette di andata 6 ed una pluralità di alette di ritorno 7) sono mantenute equidistanti e parallele fra loro da uno o più elementi di supporto 10 flessibili ed inestensibili (ad esempio del tipo cinghia dentata o catena) , fra loro uguali e paralleli, ai quali esse sono ancorate in modo da non avere alcuna libertà angolare nel loro piano di sezione. Di questi elementi, nelle Figure ne è ovviamente indicato uno solo, cioè quello che si trova nel piano della figura. E' chiaro che l'operazione di ancoraggio delle alette 6, 7 agli elementi di supporto 10 viene effettuata in modo che il piano di simmetria longitudinale delle alette 6, 7 presenti rispetto alla direzione del vento un angolo che viene scelto al momento della progettazione del dispositivo 1 in maniera ottimale a seconda delle applicazioni. Ciò implica generalmente che anche i piani di scorrimento dei supporti 10 in corrispondenza dei tratti rettilinei del percorso siano inclinati rispetto alla direzione del vento, come si vede in tutte le Figure.

L'elemento di supporto flessibile 10 (mobile lungo la direzione B nelle Figure) è impegnato, nelle zone 8, 9 di inversione del moto, su gruppi di due o più pulegge dentate 4, 4', almeno uno dei quali è in grado di trasmettere la potenza meccanica ricevuta dalle alette 6, 7 ad una macchina utilizzatrice a valle (non illustrata, ad esempio un generatore elettrico, una pompa idrovora, ecc.). Ovviamente, nei tratti piani del percorso, l'elemento di supporto 10 dovrà essere guidato con sistemi a basso attrito (rotelle a sfera, bronzine o altro) poiché in generale le alette 6, 7 ricevono, dall'aria in transito attraverso di esse, spinte dotate di una componente trasversale non nulla. La zona interna all'anello delle alette 6, 7 in movimento è occupata da elementi di guida 5' fissi, geometricamente dello stesso tipo delle alette 6, 7, il cui compito è quello di consentire il passaggio dell'aria dalle alette 6 che si trovano nella zona di andata alle alette 7 che si trovano nella zona di ritorno, con perdite di energia minime.

Per quanto riguarda il funzionamento del dispositivo 1 dell'invenzione, in Fig. 2 è riportato un tratto ingrandito del sistema ad alette mobili 6, 7 ed elementi di guida 5', in cui compaiono anche vettori che indicano le velocità dell'aria ai vari piani di passaggio tra le alette 6, 7 e gli elementi di guida 5'. I moduli dei vettori di velocità assoluta (VA) e relativa (VR) dell'aria, e delle velocità di scorrimento (V) delle alette 6, 7 (espressi graficamente in una scala arbitraria) nonché la loro angolazione rispetto al piano trasversale del dispositivo 1, sono frutto di un calcolo teorico, la cui assunzione di base è che la portata volumetrica dell'aria sia costante attraverso tutto il dispositivo 1. Si trascurano così tutte le variazioni di pressione, massa volumica e temperatura, dovute alle perdite per attrito e per vorticosità parassite, e soprattutto all'energia utile che l'aria trasmette alle alette 6, 7, con conseguente modifica del modulo della sua velocità fra entrata ed uscita.

Sono state sviluppate dall'inventore anche le formule che tengono conto delle suddette variazioni, basate sulla teoria delle correnti stazionarie nei fluidi. Si noterà che lo schema teorico riportato in Fig. 2 è del tutto arbitrario per guanto riguarda le dimensioni lineari delle alette 6, 7, in accordo con l'assunzione di base precedente: se si trascurano le perdite, la lunghezza dei percorsi non è necessaria ai calcoli. Naturalmente non sono arbitrari gli angoli di entrata ed uscita delle alette mobili 6, 7 e degli elementi di guida 5'. Essi devono necessariamente essere definiti (in modo diverso o uguale tra loro) in modo che la velocità dell'aria non subisca variazioni angolari nel passaggio tra i vari organi, variazioni che darebbero origine a vorticosità. Nel particolare caso di calcolo i cui risultati sono qui riportati, si sono effettuate inoltre le seguenti ipotesi: a) la potenza sottratta all'aria dalle alette di ritorno 7 è uguale a quella assorbita dalle alette in andata 6. Questo ha portato ad elementi di guida 5' fissi simmetrici rispetto al piano mediano del dispositivo 1, e ad alette mobili 6, 7 ad angolo zero sul loro bordo interno; b) la potenza ceduta dal vento al dispositivo 1 è, compatibilmente con l'ipotesi a), la massima possibile: questo ha definito un angolo ottimale fra il piano mediano del dispositivo 1 e l'orizzonte che è di 35°16'. Per quanto riguarda la potenza ottenibile per unità di sezione del vento, nel caso di calcolo scelto si utilizza la formula:

P = 1/3 età ro V<3>

dove: ro è la densità dell'aria all'ingresso in kg/mc;

V è la velocità del vento in m/s; ed

età è un coefficiente di rendimento.

Supponendo, ad esempio, ro = 1,25 kg/mc ed età = 0,7, si ottengono i seguenti, notevoli valori di potenza rispetto alla velocità del vento:

V 8 12 16 20 m/ s

P 149,3 504,0 1194,7 2333,3 W/m<2 >Naturalmente, è possibile che una diversa impostazione del calcolo porti a risultati ancora migliori. I valori di potenza indicati in precedenza corrispondono ad una situazione di equilibrio fra la somma delle spinte esercitate dal vento sulle alette e la coppia (o le coppie) resistente esercitata nelle zone di uscita della struttura 2. Si supponga ora di staccare l'utilizzazione. Le alette cominceranno ad accelerare, mantenendo però invariata la direzione del moto. Poiché anche la direzione del vento è invariata, per lo meno all'inizio del transitorio, la conseguenza inevitabile è una diminuzione in modulo, ed una modifica in direzione, della velocità relativa dell'aria rispetto alle alette in andata. La modifica in direzione implica a sua volta la presenza di una componente della velocità relativa, normale alla superficie delle alette, che inevitabilmente crea vorticosità, con conseguente perdita di energia cinetica ed aumento di pressione nell'aria in transito. Questo fenomeno, che si ripete anche negli altri due passaggi a valle fra alette mobili e fisse, fa sì che il vento in arrivo trovi maggiori ostacoli alla penetrazione nel dispositivo 1 e di conseguenza cominci a deviare verso il basso, tendendo al parallelismo con la superficie esposta del dispositivo 1. Ciò diminuisce ulteriormente la portata dell'aria attraverso il dispositivo 1, e così via. Alla fine del transitorio, le alette avranno raggiunto una velocità che corrisponde ad una portata utile quasi nulla, che è quella strettamente necessaria a compensare gli attriti interni. Si darà a questa velocità a vuoto il nome di "velocità di fuga".

Se il sistema utilizzatore non è escluso, ma richiede meno potenza di quella nominale, il dispositivo 1 tende ad accelerare, senza raggiungere la velocità di fuga. Ciò può essere accettabile, sia pure entro certi limiti (per esempio: dinamo che alimenta batterie o bagni elettrolitici), o può non esserlo (per esempio; alternatore collegato in rete) . Ma è comunque necessario prevedere un sistema di regolazione della portata d'aria in ingresso.

Una prima possibilità di regolazione (non illustrata) è quella di prevedere che l'intera struttura 2 sia installata su una piattaforma girevole intorno ad un asse verticale, in modo che essa, dotata di un'apposita meccanizzazione, possa essere movimentata da operatori o da sistemi automatici per regolarne l'esposizione al vento. Sarà magari opportuno, in altri casi, che il dispositivo 1 possa essere orientato dalla stessa azione del vento, in modo da presentare ad esso comunque la massima superficie utile. In questi casi le regolazioni andranno affidate ad un altro organo automatico, come indicato più avanti. Una simile piattaforma rotante, essendo su base relativamente grande, presenta indubbiamente minori problemi di stabilità e di sicurezza rispetto ai sistemi di orientamento delle grandi ventole ad asse orizzontale.

Un secondo sistema di regolazione, come illustrato nelle Fig. 3 e 4, prevede che il dispositivo 1 sia dotato all'ingresso (vedere Fig. 3 e 4) di un sistema di parzializzazione costituito da una pluralità di alette orientabili 11 disposte lungo la superficie del dispositivo 1 esposta direttamente al vento. Se ad esempio la macchina sarà utilizzata per l'alimentazione di alternatori collegati alla rete elettrica, deve essere assicurata una velocità costante delle alette al variare del carico. Dopo aver quindi determinato, in base a rilievi ambientali, quale sia la velocità del vento più frequente nella zona di installazione, si dovrà progettare il dispositivo 1 in modo che la potenza di targa richiesta all'impianto corrisponda a quella velocità (o ad una velocità ragionevolmente minore se si vogliono allungare i periodi di utilizzo), e che, in caso di vento più forte, la portata dell'aria venga automaticamente diminuita orientando diversamente le alette 11 del sistema di parzializzazione, o la piattaforma rotante, o entrambi.

In un secondo esempio, non limitativo, di utilizzo di questo sistema, il dispositivo 1 può lavorare entro un dato intervallo di velocità (se si tratta ad esempio di una dinamo). Anziché sulla frequenza, qui il dispositivo automatico di azionamento delle alette parzializzatici 11 potrà basarsi sulla velocità delle alette mobili, agendo in modo da mantenere tale velocità entro l'intervallo richiesto dalle caratteristiche dell'utilizzazione .

Un terzo sistema di regolazione può infine essere la possibilità di variare l'inclinazione del fronte del dispositivo 1 rispetto all'orizzonte, rendendo il dispositivo 1 stesso girevole intorno ad uno dei suoi assi orizzontali, ad esempio quello inferiore. Ciò può essere utile fra l'altro in caso di vento eccezionalmente forte, per "coricare" più o meno il dispositivo 1 in modo da ridurre il fronte esposto al vento e le sollecitazioni nella struttura e nelle fondamenta.

Sono state illustrate e descritte in precedenza alcune forme di realizzazione preferite della presente invenzione: ovviamente, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, si può prevedere una protezione della zona di uscita dell'aria dalla struttura 2 dall'azione diretta del vento. Questo, se da un lato permette un'uscita non disturbata dell'aria dal dispositivo 1, dall'altro determina, come noto, un aumento di pressione in questa zona, auspicabile in quanto anche l'aria proveniente dal dispositivo 1, avendo perduto velocità, in base alla già citata teoria delle correnti stazionarie, guadagna certamente in densità e pressione.

Come ulteriore esempio, si può prevedere di dotare il dispositivo 1 dell'invenzione di almeno un sensore (non illustrato) della velocità del vento ed un sensore (non illustrato) della velocità della macchina utilizzatrice, al fine di predisporre una parte elettronica di controllo e comando che, in funzione delle velocità rilevate, consenta di orientare il dispositivo 1 nella maniera più efficace.

Ancora, è possibile prevedere una pluralità di dispositivi 1 come sopra descritti disposti sia uno sopra all'altro, sia uno affiancato in parallelo all'altro, a seconda delle applicazioni.

Ancora, la velocità di fuga può essere utilizzata nella manovra di avviamento del dispositivo 1, avviandolo a vuoto fino a raggiungere tale velocità e quindi inserendo gradualmente l'utilizzazione (tramite ad esempio un dispositivo a frizione) con il conseguente rallentamento graduale del dispositivo fino alla velocità di esercizio.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo statico a propulsione eolica (1) caratterizzato dal fatto di comprendere: una struttura di supporto (2) atta a consentire l'entrata e l'uscita del vento; ed un elemento propulsore ad alette (3) collocato all'interno di detta struttura di supporto (2) in modo da essere attraversato e tenuto in moto dal vento, detto elemento propulsore (3) essendo realizzato ad anello chiuso e rotante intorno ad almeno una coppia di pulegge dentate (4, 4') atte a trasmettere energia a macchine utilizzatrici a valle, dette pulegge dentate (4, 4') essendo atte a ruotare intorno ad assi la cui posizione reciproca può essere fatta variare in modo comandato nello spazio, detto elemento propulsore (3) essendo collocato intorno ad una zona interna di trasferimento aria (5) ed essendo costituito da una pluralità di alette di andata (6), una pluralità di alette di ritorno (7) ed almeno due zone di inversione ad alette (8, 9) atte a collegare tra loro dette alette di andata (6) e dette alette di ritorno (7).
2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di alette di andata (6) e detta pluralità di alette di ritorno (7) sono supportate da uno o più elementi di supporto (10) ad anello chiuso e sono atte a realizzare un angolo diverso da 0° tra il loro piano di simmetria longitudinale e la direzione del vento in entrata ed in uscita.
3. 3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che l'angolo formato dal piano di simmetria longitudinale delle alette di andata (6) e la direzione del vento in entrata è diverso dall'angolo formato dal piano di simmetria longitudinale delle alette di ritorno (7) con la direzione del vento in uscita.
4. 4. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta zona interna di trasferimento aria (5) è dotata di una pluralità di elementi di guida (5') il cui piano di simmetria longitudinale forma con la direzione del vento in entrata un angolo diverso da 0°.
5. 5. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2, 3 o 4, caratterizzato dal fatto che gli angoli formati dagli assi longitudinali delle palette di andata (6), delle palette di ritorno (7) e degli elementi di guida (5') con la direzione del vento sono tutti rispettivamente diversi tra loro.
6. 6. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere dotato inoltre di una pluralità di alette parzializzatrici 11 collocate a monte della pluralità di alette di andata (6) in modo da ridurre la forza del vento in entrata in detto dispositivo (1).
7. 7. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che dette alette parzializzatrici (11) sono atte ad essere fatte ruotare in modo da offrire un angolo di entrata variabile al vento.
8. 8. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta struttura (2) è installata su una piattaforma girevole intorno ad un asse verticale, in modo che detta struttura (2) possa essere orientata in maniera da presentare al vento la massima superficie utile, o diminuire l'esposizione in caso di vento forte.
9. 9. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'angolo fra il piano mediano del dispositivo (1) e l'orizzonte è variabile e regolabile in funzione della forza del vento e delle esigenze dell'utilizzatore.
10. 10. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo (1) è atto a variare l'inclinazione del proprio fronte rispetto all'orizzonte, il dispositivo (1) essendo girevole intorno ad uno dei suoi assi orizzontali, ad esempio quello inferiore.
11. 11. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere dotato inoltre di almeno un sensore della velocità del vento ed un sensore della velocità della macchina utilizzatrice, detto dispositivo (1) essendo comandato e controllato da una parte elettronica di controllo e comando che, in funzione delle velocità rilevate, consente la regolazione automatica del dispositivo (1) a seconda delle applicazioni.
12. 12. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere atto ad essere utilizzato operativamente impilato ad altri dispositivi (1) dello stesso tipo.
13. 13. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12, caratterizzato dal fatto di essere utilizzato operativamente affiancato in parallelo ad altri dispositivi (1) dello stesso tipo.