ITTO20090008U1

ITTO20090008U1 - Fune per generatore eolico troposferico.

Info

Publication number: ITTO20090008U1
Application number: IT000008U
Authority: IT
Inventors: Massimo Ippolito
Original assignee: Massimo Ippolito
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-07-24
Also published as: RU2530423C2; HRP20150754T1; CA2750467C; US20120036821A1; UA102007C2; CA2750467A1; ES2542738T3; BRPI1007317B1; RU2011135033A; US8539746B2; IL214094A0; WO2010084520A1; CN102292498A; EP2393980B1; IL214094A; EP2393980A1; BRPI1007317A2; ZA201105137B; CN102292498B; SI2393980T1

Description

Descrizione del Modello di Utilità avente per titolo:

“FUNE PER GENERATORE EOLICO TROPOSFERICO”

DESCRIZIONE

Il presente trovato si riferisce ad una fune per generatore eolico troposferico.

È nota nella tecnica una nuova categoria di generatori eolici troposferici, attualmente in via di sviluppo ad opera di differenti gruppi di ricerca, che condividono l’obiettivo comune di sfruttare la grande quantità di energia eolica in alta quota attraverso aquiloni, ali, velivoli, aerostati e dirigibili vincolati al suolo tramite lunghe funi ad alta resistenza meccanica.

Il principio di funzionamento comune dei generatori eolici troposferici si basa sul mantenimento in volo di corpi aerodinamici in grado di convertire l’energia del vento in alta quota in energia meccanica in grado di compiere lavoro e, successivamente, sulla conversione dell’energia meccanica in energia elettrica utilizzabile per fini civili e industriali in genere.

Nella configurazione più semplice, efficiente e sicura, il corpo aerodinamico può essere semplicemente un’ala ad alta efficienza aerodinamica mantenuta in volo a quote irraggiungibili dagli attuali aerogeneratori e vincolata al suolo mediante funi ad alta resistenza.

In alternativa, il corpo aerodinamico può essere molto più complesso, ad esempio un rotore di turbina eolico mantenuto in volo grazie a un dirigibile, oppure un velivolo dotato di piani di coda e organi stabilizzatori.

In particolare, tutti i generatori di questa categoria sono dotati di almeno una fune di vincolo che viene periodicamente svolta e riavvolta mediante un verricello o un sistema di verricelli.

Non solo i generatori che sfruttano la rotazione del verricello per convertire l’energia meccanica in elettrica, ma anche i generatori in cui lo svolgimento e il riavvolgimento della fune viene utilizzato solo per il controllo della quota di volo e della traiettoria o, ancor più semplicemente, per le sole fasi di decollo e di atterraggio, possono trarre vantaggio dalla presente invenzione.

Anche i sistemi di trazione navale o di generazione elettrica a bordo di navi e imbarcazioni basati su aquiloni possono trarre vantaggio dalla presente invenzione.

Esempi di tali generatori eolici sono descritti nei brevetti italiani nn. 0001344401 e 0001344926 a nome dello stesso Richiedente che descrivono il concetto generale alla base del generatore eolico troposferico, nel brevetto europeo EP1672214 a nome dello stesso Richiedente che descrive la configurazione a carosello, nella domanda di brevetto PCT WO2007/129341 a nome dello stesso Richiedente che descrive il sistema di controllo, nella domanda di brevetto italiano TO2008A000423 a nome dello stesso Richiedente che descrive l’infrastruttura del generatore nella configurazione detta “a yo-yo”.

In particolare, l’energia estraibile mediante i generatori noti di cui sopra dipende in primo luogo da fenomeni atmosferici, come la velocità e la direzione del vento, che possono essere valutati in sede di progetto ma non possono essere influenzati dal progettista. L’energia estraibile dipende però anche da precise e controllabili scelte progettuali quali la superficie e le caratteristiche aerodinamiche delle vele.

Tutte le valutazioni condotte dal parte del Richiedente sull’energia estraibile mediante i generatori noti di cui sopra hanno confermato che, tra i parametri che restano a discrezione del progettista, l’efficienza aerodinamica del sistema complessivo costituito da ala e funi è l’elemento di maggiore importanza: infatti, l’efficienza aerodinamica compare al quadrato nelle formule che descrivono e prevedono l’energia raccoglibile, mentre la superficie delle vele compare linearmente. L’efficienza delle vele, rappresentata dal rapporto tra coefficiente di portanza e coefficiente di resistenza, è in genere elevata, grazie alla forma aerodinamica delle stesse che porta a un basso valore del coefficiente di resistenza aerodinamica.

Al fine di migliorare la sicurezza e all’affidabilità dei generatori divulgati dal Richiedente, è stata optata l’adozione di una coppia di funi, anziché l’utilizzo di una fune singola preferita da altri, come ad esempio descritto nella domanda di brevetto US 2008/0210826 di Ockels et al. Infatti, la coppia di funi permette innanzitutto il controllo della traiettoria dell’ala senza la necessità di installare componenti elettromeccanici a bordo e mette la capacità di manovra al riparo da malfunzionamenti, guasti, difficoltà di comunicazione di eventuali componenti installati a bordo dell’aquilone, nonché dalla caduta incontrollata e perdita dell’ala in caso di rottura dell’unica fune. La coppia di funi trasforma inoltre l’evento raro rappresentato dalla rottura di una fune, ad esempio per un difetto di fabbricazione, da evento potenzialmente pericoloso a semplice procedura di recupero e manutenzione: la rottura di una delle due funi comporta infatti l’istantanea diminuzione della portanza dell’ala, con conseguente riduzione della sollecitazione agente sulla fune superstite. In questo modo è sempre possibile riportare a terra l’ala riavvolgendo velocemente la fune superstite, grazie al comportamento dell’ala che diviene assimilabile a quello di un paracadute.

Lo stesso principio viene peraltro adottato e sfruttato vantaggiosamente in condizioni operative durante la fase di riavvolgimento delle funi che segue la fase di svolgimento e generazione di energia: rilasciando infatti in maniera controllata una delle funi e mantenendo la tensione sulla seconda, l’ala si porta naturalmente in una posizione per cui la risultante delle forze aerodinamiche è costituita quasi esclusivamente dalla resistenza, mentre la portanza diviene trascurabile. Mantenendo l’ala in questo assetto particolare, che potremmo definire manovra di “scivolata d’ala” in analogia a quanto viene fatto in situazioni d’emergenza o in combattimento dai piloti di aeroplano, è possibile riavvolgere le funi di controllo ad alta velocità con un minimo costo energetico.

L’utilizzo di due funi comporta dunque un aumento della resistenza complessiva rispetto alla soluzione con una fune, ma offre indubbi vantaggi in termini di sicurezza e affidabilità.

Le funi disponibili in commercio non sono però concepite, e di conseguenza ottimizzate, per essere utilizzate da un generatore eolico troposferico e rappresentano un fattore gravemente limitante delle prestazioni aerodinamiche complessive.

Come noto, il comportamento delle funi nelle simulazioni può essere assimilato in prima approssimazione a quello di un cilindro liscio di lunghezza infinita investito da una corrente ortogonale all’asse del cilindro, stimando un coefficiente di resistenza tipicamente pari a CD=1,2 sulla base dei dati sperimentali in galleria del vento relativi al numero di Reynolds tipico di molte applicazioni pratiche. Questo approccio, che non tiene conto della forma reale del cavo, della rugosità superficiale, dell’elasticità longitudinale e torsionale, porta a sottostimare in genere la reale entità del coefficiente di resistenza.

Ad esempio, una fune a più trefoli, può avere un coefficiente di resistenza ancora superiore, pari a CD=1,5 quando immersa in un fluido uniforme. Nel caso di cavi lunghi, quando si innesca il fenomeno della vibrazioni indotte da vortici (VIV), il coefficiente di resistenza può addirittura raggiungere valori dell’ordine di CD=2,5 – 3 , così come possono insorgere forze ortogonali alla corrente a cui corrisponde un coefficiente di portanza CL. Il problema é particolarmente sentito in molti campi applicativi, in particolare in campo navale e offshore, dove funi e cavi particolarmente lunghi sono sottoposti all’azione di correnti di intensità variabile, ad esempio i tiranti delle piattaforme petrolifere, oppure i cavi che trainano veicoli sottomarini comandati a distanza (ROV).

Non mancano ovviamente molti esempi in campo civile, dove le linee sospese di trasmissione dell’energia elettrica o i tiranti dei ponti sospesi possono essere interessati da oscillazioni potenzialmente pericolose. In queste applicazioni si cercano innanzi tutto soluzioni in grado di ridurre l’ampiezza delle oscillazioni e rendere improbabile l’insorgere di instabilità dell’equilibrio elastico, e se ne richiede l’efficacia indipendentemente dalla direzione del fluido incidente.

In altre applicazioni si cerca soprattutto una riduzione della resistenza fluidodinamica del cavo.

Tra i molti metodi proposti si possono ricordare le distribuzioni di rugosità secondo schemi ripetuti, la distribuzione di protuberanze o cavità superficiali, gli avvolgimenti elicoidali, l’aggiunta di strisce di tessuto, carenature rigide o flessibili più o meno aerodinamiche .

Quando il cavo è però soggetto a cicli ripetuti di avvolgimento e svolgimento sul tamburo di un verricello, come avviene nei generatori eolici del tipo precedentemente descritto, la complessità del problema tecnico aumenta e la scelta delle soluzioni disponibili si riduce.

Anche in aeronautica il problema è particolarmente sentito, al punto che già all’epoca dei biplani vennero sviluppati in Inghilterra degli elementi strutturali profilati detti “RAF wires” in sostituzione dei tiranti in cavo d’acciaio o in tondino pieno. L’incidenza del fenomeno si può valutare partendo da considerazioni sul dimensionamento di un tipico generatore troposferico. L’ala di un velivolo può generare una portanza dell’ordine di 10 kN/m<2>.

Ad esempio un Boeing 747-400 a pieno carico al decollo ha un rapporto tra peso e superficie alare pari a W/S = 7500 N/m<2>. Trattandosi di un velivolo per il trasporto passeggeri in cui le accelerazioni devono essere limitate (fattore di carico n = 2,5), si può dedurre che la struttura dell’ala è dimensionata per tollerare in condizioni di sicurezza una portanza specifica pari a 18750 N/m<2>.

Un valore di riferimento per il rapporto tra peso e superficie alare di un velivolo senza motore, quali ad esempio alianti, deltaplani, parapendio e aquiloni può essere dell’ordine di W/S = 300 N/m<2>.

Questi velivoli, nonostante la struttura delle loro ali pesi circa 50 N/m<2>, possono però compiere manovre ad alto numero di g (fattore di carico n = 6 per la categoria acrobatica), quindi possono sviluppare e tollerare valori di portanza specifica nell’ordine di 1800 N/m<2>.

Ipotizzando per l’aquilone del generatore ideato dal Richiedente e descritto nei brevetti di cui sopra, un coefficiente di portanza CL= 1, un valore della densità pari a ρ=1,225 kg/m<3>, una superficie alare S = 100 m<2>, una velocità di volo V= 40 m/s, la classica formula della portanza restituisce il valore di 98000 N, quindi un valore prossimo a 1000 N/m<2>.

Assumendo a titolo di esempio F = 100 kN come valore della forza generata dall’aquilone che si desidera trasmettere al generatore attraverso le funi, è evidente che queste ultime vadano dimensionate adeguatamente.

Esaminando le tabelle dei migliori costruttori di funi sintetiche, immaginando di utilizzare una singola fune (soluzione A) ottimizzata per cicli di flessione ripetuta e adottando un coefficiente di sicurezza S = 3, si renderebbe necessaria una singola fune del diametro pari a D(a) = 18 mm con carico di rottura 304 kN .

Immaginando di utilizzare invece una coppia di funi (soluzione B), per ragioni di affidabilità e sicurezza che sono state illustrate in precedenza, si renderebbero necessarie due funi aventi diametro D(b) = 14 mm e carico di rottura pari a 168,6 kN per complessivi 337 kN. Ipotizzando infatti, in maniera molto approssimata, ma rappresentativa dell’andamento tipico, che la fune si muova con velocità nulla rispetto all’aria in prossimità del generatore al suolo e con velocità pari a quella dell’aquilone in corrispondenza dell’aquilone stesso, dunque con una variazione lineare di velocità lungo la fune, è possibile stimare la resistenza complessiva della fune.

Adottando un coefficiente di resistenza aerodinamica CD= 1,2 e una velocità di volo pari a V=40 m/s , una singola fune di diametro D(a) = 18 mm e lunghezza 1000 m completamente svolta genera una resistenza complessiva prossima a 7054 N. Nelle stesse condizioni una fune di diametro D(b) = 14 mm genera una resistenza complessiva prossima a 5487 N, quindi considerando una coppia di funi aventi diametro D(b) = 14 mm la resistenza complessiva è prossima a 10974 N.

E’ evidente che dal punto di vista della resistenza aerodinamica, entrambe le suddette soluzioni A e B sarebbero comunque penalizzanti, con uno svantaggio della soluzione a due funi (soluzione B) che trova però ampia giustificazione nell’aumento di sicurezza e affidabilità.

Alla luce di quanto sopra, la tecnica ha proposto diverse soluzioni atte a migliorare la resistenza a fatica ciclica di funi sottoposte a flessione ripetuta intorno a pulegge e verricelli.

Ad esempio, la domanda di brevetto PCT WO2004/035896 a nome Knudsen R.B e Sloan F.E., descrive una fune costruita utilizzando una miscela di filamenti di natura diversa, in questo caso HMPE e LCP, secondo una particolare proporzione.

La domanda di brevetto PCT WO2005/019525 a nome Frazer et al. descrive una fune con un cuore senza funzione strutturale che va a riempire lo spazio vuoto tra i trefoli demandati a sostenere i carichi.

Analogamente, la domanda di brevetto PCT WO2006/086338 a nome Bucher et al., innova introducendo fibre a basso coefficiente di attrito, in particolare fluoro polimeriche, per comporre i trefoli della fune.

Una soluzione simile è presentata nella domanda di brevetto PCT WO2006/101723 a nome Nye, nel quale viene utilizzato un filamento di polimero fluorocarbonico.

La domanda di brevetto PCT WO2006/133881 a nome Bosman R. descrive invece una fune in cui la sezione trasversale è oblunga, avente un rapporto di finezza compreso tra 1,2 e 4,0, così come una puleggia con gola adattata alla sezione della fune.

In tutti i casi, lo scopo è aumentare il numero di cicli di vita utile della fune senza aumentare eccessivamente il diametro e il peso della fune stessa, mantenendo allo stesso tempo la possibilità di eseguire una ispezione visiva che metta in evidenza lo stato di usura ed eventuali danneggiamenti localizzati.

Svariate soluzioni sono state peraltro proposte anche per ridurre l’attrito fluidodinamico di funi che si muovono relativamente a un fluido, quasi tutti per applicazioni in campo navale e oceanografico, quindi con esigenze e soluzioni adottate molto diverse da quelle adatte a un generatore eolico troposferico.

Ad esempio si possono citare il brevetto CA887428 a nome Pearce et al, il brevetto US3859949 a nome Toussaint e Meyer, il brevetto US4365574 a nome Norminton, il brevetto US 4836122 a nome Henderson e Wingham, il brevetto US6179524 a nome Allen et al, la domanda di brevetto PCT WO2005/116459 a nome Allen et al., la domanda di brevetto PCT WO2006/134381 a nome Pearce, il brevetto US 6179524 a nome McMillan, il brevetto US6223672 a nome Allen et al. quali esempi di coperture, carenature, profilature adatte a sopprimere le vibrazioni indotte da vortici e ridurre la resistenza aerodinamica di corpi cilindrici immersi in ambiente marino.

Interessanti esempi sono poi il brevetto US 4084065 a nome Swenson e il più recente brevetto US 5067384 a nome Scala che descrivono come realizzare un cavo dotato di una calza in cui una serie di filamenti sono liberi di orientarsi nella corrente e riducono le vibrazioni indotte e la resistenza aerodinamica.

Dalle prove di generazione di potenza mediante il generatore descritto nei brevetti di cui sopra, il Richiedente ha rilevato che non è necessario riavvolgere completamente le funi alla fine della fase positiva di ogni ciclo di lavoro, riportando ogni volta l’aquilone in prossimità del suolo, ma è invece altamente desiderabile ripetere cicli di lavoro ad alta quota, tra una quota intermedia e la massima quota raggiungibile, riavvolgendo dunque solo parzialmente le funi prima di avviare un nuovo ciclo: applicando questa strategia, risulta dunque evidente che solo un settore di lunghezza limitata delle funi è sottoposto a un alto numero di cicli di flessione ripetuta ad alto carico negli organi meccanici del generatore, mentre un altro settore della fune viene avvolto o svolto sui verricelli solo durante le limitate fasi di decollo e atterraggio.

Scopo quindi del presente trovato è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo una fune per generatore eolico troposferico composta da almeno due settori di lunghezza e costruzione diversa ottimizzati per una o più funzioni specifiche e con una transizione dolce tra i vari settori.

Un altro scopo del presente trovato è quello di fornire una fune per generatore eolico troposferico composta da almeno due settori nella quale il settore fune più vicino al generatore, sottoposto a ripetuti cicli di flessione all’interno del sistema di trasmissione e conversione della potenza meccanica in potenza elettrica, viene strutturato in modo da garantire una lunga vita a fatica ciclica.

Un altro scopo del presente trovato è quello di fornire una fune per generatore eolico troposferico composta da almeno due settori nella quale il settore di fune più prossimo all’ala o all’aquilone, definibile come parte aerea della fune, viene strutturato e profilato in modo da offrire una bassa resistenza aerodinamica e il minimo peso.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi del trovato, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con una fune per generatore eolico troposferico come quella descritta nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali del presente trovato formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

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

- la FIG. 1 mostra una vista in prospettiva di un generatore eolico troposferico dotato di una realizzazione preferita della fune secondo il presente trovato;

- la FIG. 2 mostra una vista in prospettiva di un generatore eolico troposferico dotato di un’altra realizzazione preferita della fune secondo il presente trovato;

- la FIG. 3 mostra un diagramma che illustra le prestazioni di una fune secondo il presente trovato rispetto a funi della tecnica nota;

- la FIG. 4a è una vista laterale di un’altra realizzazione preferita della fune secondo il presente trovato;

- la FIG. 4b è una vista in sezione della fune della FIG. 4a;

- la FIG. 5 è una vista laterale di un’altra realizzazione preferita della fune secondo il presente trovato;

- la FIG. 6 è una vista di dettaglio della fune della FIG. 5; e

- la FIG. 7 è un’altra vista di dettaglio della fune della FIG. 5.

Facendo riferimento alla FIG. 1 è possibile notare schematicamente un generatore eolico troposferico 1 nella configurazione a due funi 3 secondo il presente trovato che possono raggiungere lunghezze dell’ordine della decina di migliaia di metri per il controllo e la trasmissione dell’energia meccanica da un aquilone 2 al generatore 1: in particolare, la fune 3 secondo il presente trovato per generatore eolico troposferico 1 è composta in lunghezza da:

- almeno un primo settore 4 ottimizzato per resistere a cicli di flessione ripetuta, preferibilmente realizzato con una miscela di fibre sintetiche ad alto modulo elastico e dimensionato adottando un coefficiente di sicurezza S1, cioè il rapporto tra il carico di rottura statico della fune e il carico massimo previsto in esercizio, compreso tra 3 e 15 e avente diametro D(b1), tipicamente compreso tra 6 mm e 72 mm, preferibilmente tra 8 mm e 48 mm e coefficiente di resistenza aerodinamico CD1;

- almeno un secondo settore 5 ottimizzato per resistere a cicli di trazione ripetuta ad alto carico, preferibilmente realizzato con una miscela di fibre sintetiche ad alto modulo elastico e dimensionato adottando un coefficiente di sicurezza S2 < S1 in modo che il diametro D(b2) del secondo settore 5 risulti minore del diametro D(b1) del primo settore 4. In particolare, il secondo settore 5 è a sezione circolare ed è ottimizzato per ridurre la resistenza aerodinamica e/o rivestito mediante un rivestimento a basso coefficiente di attrito in modo da permettere lo scorrimento relativo delle funi in caso di attorcigliamento reciproco.

In particolare, il primo ed il secondo settore rispettivamente 3 e 4 sono terminati alle proprie estremità e congiunti tra loro con uno o più elementi di giunzione in materiale metallico o composito, oppure uniti tramite una impiombatura o, preferibilmente, realizzando una transizione dolce tra i vari settori 3, 4 durante il processo stesso di costruzione o realizzando una variazione continua e progressiva.

Preferibilmente, tali fibre sintetiche sono fibre HMPE. Una caratteristica fondamentale infatti delle funi costruite con fibre HMPE, ad esempio utilizzando le fibre commercializzate con i marchi Dyneema® e Spectra®, è la grande capacità di resistenza a cicli di trazione semplice effettuati ad una alta percentuale del carico di rottura.

Preferibilmente, ciascuna fune 3 secondo il presente trovato è connessa all’aquilone 2 mediante almeno una coppia di briglie 7, una briglia anteriore ed una briglia posteriore realizzate rispettivamente con materiali aventi un diverso modulo di elasticità, che presentano quindi diverso allungamento sotto lo stesso carico, rendendo possibile fare in modo che l’angolo di attacco dell’aquilone 2 cambi in funzione del carico agente sull’aquilone 2 stesso.

Durante la sperimentazione, il Richiedente ha infatti rilevato che una regolazione fissa della lunghezza delle quattro briglie 7, rispettivamente due briglie anteriori e due briglie posteriori, determina in modo non regolabile l’angolo di attacco dell’aquilone 2 rispetto all’aria, rappresentando una limitazione alla facilità di decollo dell’aquilone o alla potenza generabile durante il funzionamento.

Durante la fase di decollo, quando i carichi agenti sull’aquilone 2 sono bassi, le briglie 7 costruite invece secondo il presente trovato hanno una lunghezza tale da garantire all’aquilone un assetto adatto al decollo, ad esempio un valore dell’angolo di attacco α = α1.

Durante le fasi di volo, quando i carichi agenti sull’aquilone 2 sono invece molto elevati, è possibile far sì che una coppia di briglie 7, ad esempio le due briglie anteriori, rispettivamente briglia anteriore destra e briglia anteriore sinistra, subiscano un allungamento sotto carico maggiore dell’allungamento delle briglie posteriori, rispettivamente briglia posteriore destra e briglia posteriore sinistra, andando a conferire all’aquilone un assetto più cabrato rispetto all’assetto di decollo, con angolo di attacco α = α2 > α1.

Un ragionamento analogo si può seguire nel caso si desideri un assetto dell’aquilone 2 più picchiato durante le fasi di volo rispetto all’assetto di decollo, facendo sì che le briglie posteriori si allunghino sotto carico più delle briglie anteriori.

L’allungamento relativo delle briglie può essere determinato in fase di progetto, in modo da riuscire a imporre il desiderato assetto di volo in funzione del carico sull’aquilone e quindi, per la relazione esistente tra carico e velocità di volo, in funzione della velocità di volo.

Nell’ipotesi che il settore 5 della fune, che potremmo definire “aereo”, sia sottoposto solo a cicli di trazione e che non sia invece sottoposto a cicli di flessione ripetuta su pulegge e verricelli, è pensabile sfruttare le ottime caratteristiche di resistenza a trazione di fibre come l’HMPE riducendo il coefficiente di sicurezza a valori più vicini all’unità.

Concentrando l’attenzione al caso in cui si utilizzino due funi, si potrebbe adottare per il solo settore 5 aereo un coefficiente di sicurezza ridotto pari a S2 = 1,5 e un conseguente diametro ridotto pari a D(b2) = 9 mm , corrispondente a un carico di rottura pari a 77,8 kN per complessivi 155.6 kN.

L’adozione di un coefficiente di sicurezza ridotto, permette di ridurre il diametro secondo settore 5 della parte aerea della fune 3 secondo il presente trovato senza compromettere la durata e la sicurezza della fune nel suo complesso.

Il rapporto tra il coefficiente di sicurezza del secondo settore 5 aereo della fune 3 e il coefficiente di sicurezza del primo settore 4 della fune 3 sottoposto a cicli di flessione ripetuta può ovviamente essere definito e ottimizzato in sede di progetto in modo che la vita a fatica di entrambe i settori di fune, sottoposti a sollecitazioni diverse, venga a coincidere.

Riprendendo i valori numerici dell’esempio precedente, un primo grande vantaggio legato all’adozione della fune 3 oggetto del presente trovato consiste nella possibilità di utilizzare due funi 3 aventi diametro del secondo settore 5 pari a D(b2) = 9 mm al posto di una singola fune tradizionale avente diametro costante e pari a D(a) 18 mm, senza alcuna penalizzazione aerodinamica ma con un grande vantaggio in termini di affidabilità e sicurezza.

Infatti, ipotizzando una fune composta da un primo settore 4 sottoposto a cicli di flessione ripetuta avente diametro D (b1) = 14 mm e lunghezza 500 m e da un secondo settore 5 avente diametro D(b2) = 9 mm e lunghezza 500 m, la resistenza complessiva della fune, calcolata per una velocità dell’aquilone 2 pari a V = 40 m/s e variazione lineare della velocità tra 0 e 40 m/s , si riduce a soli 3772 N, quindi nel caso di due funi una resistenza complessiva pari a 7544 N.

Il vantaggio della soluzione proposta a titolo di esempio consiste in una riduzione della resistenza complessiva pari a circa il 31% rispetto alla soluzione A di cui sopra mediante funi appartenenti alla tecnica nota.

Questo avviene in quanto il contributo maggiore alla resistenza aerodinamica complessiva deriva dal secondo settore 5 di fune 3 che si muove più velocemente rispetto all’aria, quindi dalla parte più prossima all’ala 2.

E’ invece ampiamente tollerabile adottare grandi diametri che garantiscano lunga vita a fatica per il primo settore 4 della fune 3 che si muove più lentamente, in prossimità dunque del generatore 1.

Un secondo grande vantaggio, legato alla strategia che prevede la ripetizione di cicli di lavoro ad alta quota, consiste nella possibilità di migliorare le caratteristiche aerodinamiche della parte aerea della fune con soluzioni che un riavvolgimento completo e ripetuto della fune precluderebbe. Infatti, durante le fasi di decollo e atterraggio dell’aquilone, si possono tollerare procedure che prevedano velocità di rotazione dei verricelli e tensioni nelle funi ridotte, sistemi automatizzati di guida delle funi, sistemi di aggancio e sgancio di presidi aerodinamici.

Durante la fase di generazione il sistema di controllo deve invece poter disporre di tutte le potenzialità meccaniche del generatore in termini di massima tensione nelle funi e velocità di rotazione, quindi la maneggevolezza del settore di fune sottoposto a flessione ripetuta negli organi meccanici diventa fondamentale.

Un primo miglioramento, di grande impatto sulle prestazioni del generatore eolico troposferico 1, si può ottenere adottando per il solo secondo settore 5 della parte aerea della fune 3 di diametro ridotto opportune soluzioni simili a quelle utilizzate con successo in altri campi, ma adattate ai requisiti operativi del generatore per ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamico.

E’ ad esempio possibile ricoprire il solo secondo settore 5 della fune 3 con una guaina o rivestimento di materiale plastico estremamente liscia per ridurre la rugosità superficiale e portare il CDa valori prossimi a quelli di un cilindro liscio (CD= 1,2) .

E’ altresì possibile ricoprire il solo secondo settore 5 della fune 3 con una guaina o rivestimento di materiale plastico dotato di una distribuzione di cavità e di rilievi in modo da anticipare la transizione turbolenta dello strato limite e ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamica.

Una ulteriore soluzione consiste nel ricoprire il solo secondo settore 5 della fune 3 con una guaina dotata superficialmente di almeno un profilo elicoidale di opportuno passo al fine di ridurre l’effetto del distacco dei vortici di scia, impedire l’insorgere di vibrazioni indotte da vortici e ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamica.

Una ulteriore soluzione consiste nel ricoprire il solo secondo settore 5 della fune 3 con una calza protettiva dotata di filamenti liberi di orientarsi secondo le linee di flusso in modo da anticipare la transizione turbolenta dello strato limite e ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamica.

Una ulteriore soluzione consiste nell’avvolgere intorno il solo secondo settore 5 della fune 3 nastri di tessuto o di materia plastica liberi di orientarsi secondo le linee di flusso in modo da anticipare la transizione turbolenta dello strato limite e ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamica.

Una ulteriore soluzione consiste infine nel dotare la sola parte aerea della fune di una guaina in materiale plastico profilata aerodinamicamente. Una soluzione totalmente nuova consiste invece nel costruire il solo secondo settore 5 della fune 3, solitamente circolare, in modo da attribuirgli una sezione allungata, con un rapporto tra asse maggiore e asse minore variabile tra 1,5 e 5. Questo è tecnicamente possibile, sebbene la sezione risultante non abbia ancora le caratteristiche aerodinamiche desiderate. Un miglioramento delle caratteristiche aerodinamiche si può ottenere avvolgendo la fune 3 costruita con sezione allungata con una calza e riempiendo le cavità con materiale a bassa densità in modo da ottenere una sezione ellittica. In alternativa, è possibile estrudere lungo la fune 3 costruita con sezione allungata una guaina in materiale plastico e flessibile in modo da ottenere una sezione ellittica. Un ulteriore grande miglioramento rispetto a questa soluzione consiste però nell’utilizzare al posto della singola fune 3 due o più funi di diametro differente poste reciprocamente in parallelo, in modo che la somma delle sezioni resistenti delle singole funi 3 sia pari alla sezione resistente adatta a sopportare le sollecitazioni meccaniche previste in sede di progetto. Riempiendo opportunamente le cavità tra le funi 3 di diametro differente con materiale a bassa densità è possibile attribuire alla sezione un profilo alare, in cui la fune 3 di diametro maggiore occuperà la zona di massimo spessore (FIG.

4b). La fune multipla 8 così profilata, così come illustrata per esempio nelle FIGG. 4a, 4b e 5, potrà essere rivestita da una calza protettiva tessuta in grado di partecipare alla resistenza meccanica complessiva.

In alternativa, la fune multipla 8 così profilata potrà essere ricoperta da una guaina in materiale plastico flessibile in modo da ridurre al minimo la rugosità superficiale.

In alternativa, la fune stessa potrà essere tessuta in modo da ottenere una forma aerodinamica.

In alternativa, la fune può essere tessuta secondo metodologie tradizionali, quindi annegata in un materiale plastico o elastomerico e deformata sotto pressione in modo da ottenere una forma aerodinamica.

L’eventuale calza protettiva in tessuto o l’eventuale guaina in materiale plastico possono essere interrotti a intervalli regolari (così come, per esemoi, illustrato nella FIG. 5), lasciando la fune singola o l’insieme di funi multiple che costituiscono la fune complessiva libere di flettere, in modo da aumentare la flessibilità della parte aerea della fune e facilitare il riavvolgimento sui tamburi dei verricelli.

Inoltre, considerando le diverse velocità di volo a cui si muovono rispetto all’ aria zone diverse della parte aerea della fune profilata, il profilo alare prescelto potrà avere caratteristiche geometriche e quindi aerodinamiche differenti in zone diverse della parte aerea della fune.

Profilare la fune secondo forme diverse dalla sezione circolare comporta però l’insorgenza di fenomeni di instabilità analogamente a quanto avviene per le ali dei velivoli. Sappiamo infatti che i profili ellittici e i profili alari simmetrici sono instabili, ovvero una variazione positiva dell’angolo di incidenza genera un momento aerodinamico che tende ad aumentare ulteriormente l’angolo di incidenza, fino al punto di orientare il profilo ortogonalmente alla corrente. Questo comportamento può indurre ovviamente separazioni della scia, aumento di resistenza e instabilità aeroelastica della fune nel suo complesso.

Per questo motivo, facendo in particolare riferimento alle FIGG 2, 4a, 4b, 5, 6 e 7, un’altra realizzazione preferita della fune 3 secondo il presente trovato può comprendere un secondo settore 5 dotato di veri e propri piani di coda, similmente a quelli utilizzati dai velivoli, in grado di equilibrare il momento aerodinamico generato dalle variazioni di incidenza sulla fune e garantire un comportamento stabile. Facendo quindi in particolare alla FIG. 2 è possibile notare che un’altra realizzazione preferita della fune 3 secondo il presente trovato per generatore eolico troposferico 1 è composta inoltre in lunghezza da almeno un terzo settore 6, tale terzo settore 6 essendo dotato di una sezione profilata 9 tale che la propria sezione trasversale abbia un coefficiente di resistenza aerodinamica CD3compreso preferibilmente tra 1,2 e 0,05, ancora più preferibilmente tra 0,6 e 0,05 tale che CD3< CD1; inoltre, tale terzo settore 6 può essere dotato di piani di coda 10 stabilizzatori in numero tale e posizionati a distanza reciproca tale da garantire la stabilità complessiva della fune.

Con riferimento alle FIGG. 5 e 6, i piani di coda 10 sono vincolati preferibilmente al terzo settore 6 della fune 3 mediante almeno una cerniera 12 e un perno 13 che, permettendo la rotazione dei piani di coda 10 intorno a un asse ortogonale all’asse della fune 3, garantisce un riavvolgimento ordinato del terzo settore 6 di fune 3 comprensivo dei piani di coda 10 sul tamburo di raccolta della fune 3 durante la procedura di atterraggio. Preferibilmente, la cerniera 12 è vincolata alla sezione profilata 9 mediante almeno una fascetta 11. Come illustrato nella FIG. 7, i piani di coda 10 possono ruotare intorno all’asse della cerniera 12 in modo da ripiegarsi verso la fune 3.

Il numero e la posizione reciproca dei piani di coda 10 dipenderà ovviamente dalle caratteristiche aerodinamiche della fune 3 e dalla velocità massima della fune 3 rispetto all’aria, scegliendo la soluzione che garantisca la stabilità della fune 3 in tutte le condizioni operative e la minima resistenza aerodinamica addizionale dovuta ai piani di coda 10.

I piani di coda 10 possono essere vincolati in modo definitivo alla parte aerea della fune, oppure possono essere agganciati al cavo in modo automatico con un meccanismo a clip nella fase di avviamento del generatore e svolgimento lento della parte aerea della fune, così come possono essere sganciati nella fase di riavvolgimento della parte aerea del cavo e arresto del generatore.

Nel caso in cui i piani di coda 10 siano vincolati in modo definitivo alla parte aerea della fune, questi devono poter essere avvolti sui verricelli di raccolta solidalmente alla fune in occasione delle limitate fasi di decollo e atterraggio.

Si è trovato che vincolando i piani di coda sulla cerniera 12 in corrispondenza del bordo di fuga della sezione 9 profilata aerodinamicamente, è possibile fare in modo che i piani di coda 10 si ripieghino in corrispondenza dei tamburi dei verricelli e vadano a disporsi ordinatamente sul tamburo di raccolta.

E’ evidente che i piani di coda 10 potranno essere avvolti più agevolmente sull’ultimo strato, più periferico, di fune avvolto sul tamburo di raccolta.

Per garantire il corretto orientamento dei piani di coda 10 durante le fasi di volo, si è trovato che una molla, ad esempio una molla di torsione, posizionata in corrispondenza della cerniera 12 e di rigidezza sufficiente a mantenere in posizione i piani di coda 10 nonostante l’azione delle forze aerodinamiche, può efficacemente risolvere il problema tecnico.

Come già anticipato, le innovazioni apportate dalla presente invenzione possono essere utilizzate con profitto da qualsiasi generatore eolico troposferico o d’alta quota.

In particolare però, nel caso si utilizzi la soluzione a due funi 3 per trasmettere l’energia meccanica a terra, come nel caso del generatore descritto dei brevetti di cui sopra a nome del Richiedente, è necessario tenere conto e garantire la possibilità che le funi si possano attorcigliare durante le fasi di volo e generazione. Durante la sperimentazione di un prototipo di tale generatore, si è ampiamente testato il comportamento delle ali e del sistema di controllo nel caso in cui le funi si attorciglino tra loro.

E’ stato dimostrato che il sistema può funzionare regolarmente anche con più avvolgimenti reciproci delle funi in quanto il controllo dell’ala è legato alla diversa lunghezza delle funi e ai diversi valori di tensione nelle funi.

Le funi a sezione circolare sono però libere di scorrere una rispetto all’altra anche quando attorcigliate, inoltre il numero di avvolgimenti reciproci non riduce l’efficacia del sistema di controllo del volo.

E’ altresì evidente che la libertà di scorrimento reciproca delle funi verrebbe limitata dalla sezione profilata e ostacolata o addirittura impedita dalla presenza dei piani di coda.

Durante la sperimentazione si è peraltro verificato che l’attorcigliamento del cavo si verifica a partire dalla mezzeria della parte in volo della fune e, all’aumentare degli avvolgimenti, si estende in direzione dell’ala in volo e in direzione del generatore a terra.

Per questo motivo si è trovato che la parte aerea della fune, in una realizzazione preferenziale, può essere a sua volta suddivisa in due settori, per complessivi tre settori.

Percorrendo la fune totalmente svolta a partire dal generatore in direzione dell’ala, abbiamo dunque in questo caso un primo settore sottoposto a cicli di flessione ripetuta, un secondo settore dotato di sezione circolare e in grado di tollerare gli attorcigliamenti reciproci delle funi, un terzo settore profilato aerodinamicamente e dotato di piani di coda.

In particolare, il settore della parte aerea della fune dotato di sezione circolare può essere ricoperto con una calza, una guaina o un rivestimento superficiale a basso attrito superficiale, in modo da agevolare lo scorrimento reciproco delle funi in corrispondenza alle zone dove gli avvolgimenti reciproci possono generarsi.

La guaina o il rivestimento possono peraltro essere vantaggiosamente dotati di cavità superficiali per anticipare la transizione turbolenta e ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamica.

Tornando all’esempio numerico precedente, é possibile realizzare una fune 3 secondo una forma preferenziale in cui una fune è costituita da un primo settore 4 avente diametro D(b1) = 14 mm, lunghezza 500 m, CD= 1,2, un secondo settore 5 avente diametro D(b2) = 9 mm , lunghezza 300 m e CD= 1,2, un terzo settore 6 avente diametro D(b3) = 9 mm, lunghezza 200 m e un coefficiente di resistenza aerodinamica ridotto CD= 0,5 che presenta una resistenza complessiva pari a 2768 N .

In definitiva, la fune per generatore eolico troposferico oggetto della presente invenzione è costituita da almeno due settori di lunghezza e caratteristiche costruttive differenti, Il settore di fune più vicino al generatore, sottoposto a ripetuti cicli di flessione all’interno del sistema di trasmissione e conversione della potenza meccanica in potenza elettrica, viene strutturato in modo da garantire una lunga vita a fatica ciclica.

Il settore di fune più prossimo all’ala o all’aquilone, definibile come parte aerea della fune, viene strutturato e profilato in modo da offrire una bassa resistenza aerodinamica e il minimo peso.

Il passaggio tra settori contigui di fune è realizzato in modo da garantire una transizione dolce.

Un ulteriore vantaggio derivante dalla realizzazione di una fune 3 secondo il presente trovato è rappresentato dal fatto che, in caso di rottura di uno delle funi, lo spezzone di fune plana dolcemente invece di cadere al suolo, quindi il sistema di controllo automatico ha un lasso di tempo sufficiente per riavvolgere velocemente la fune danneggiata prima che questa raggiunga il suolo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Fune (3) per generatore eolico troposferico (1), caratterizzata dal fatto di essere composta in lunghezza da: - almeno un primo settore (4) atto a resistere a cicli di flessione ripetuta, avente coefficiente di sicurezza (S1), diametro D(b1) e coefficiente di resistenza aerodinamico (CD1); - almeno un secondo settore (5) atto a resistere a cicli di trazione ripetuta ad alto carico, avente coefficiente di sicurezza S2 < S1 e diametro D(b2) < D(b1).
2. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di essere inoltre composta in lunghezza da almeno un terzo settore (6), detto terzo settore (6) essendo dotato di una sezione profilata 9 avente una sezione trasversale con un coefficiente di resistenza aerodinamica (CD3) tale che CD3< CD1.
3. Fune (3) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto coefficiente di resistenza aerodinamica (CD3) è compreso preferibilmente tra 1,2 e 0,05, ancora più preferibilmente tra 0,6 e 0,05.
4. Fune (3) secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti settori (4; 5; 6) sono uniti per realizzare una variazione continua e progressiva.
5. Fune (3) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detti settori (4; 5; 6) sono terminati alle proprie estremità e congiunti tra loro con uno o più elementi di giunzione in materiale metallico o composito.
6. Fune (3) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detti settori (4; 5; 6) sono uniti tramite una impiombatura.
7. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di essere connessa ad un aquilone (2) mediante almeno una coppia di briglie (7) realizzate rispettivamente con materiali aventi un diverso modulo di elasticità.
8. Fune (3) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto terzo settore (6) è dotato di piani di coda (10) stabilizzatori.
9. Fune (3) secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detti piani di coda (10) sono vincolati a detto terzo settore (6) mediante almeno una cerniera (12) e un perno (13) atti a consentire una rotazione di detti piani di coda (10) intorno a un asse ortogonale ad un asse di detta fune (3).
10. Fune (3) secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detta cerniera (12) è vincolata a detta sezione profilata (9) mediante almeno una fascetta (11).
11. Fune (3) secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detta cerniera (12) è dotata di almeno una molla atta a mantenere in posizione i piani di coda (10).
12. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo settore (4) e detto secondo settore (5) sono realizzati con una miscela di fibre sintetiche ad alto modulo elastico.
13. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto coefficiente di sicurezza (S1) è preferibilmente compreso tra 3 e 15.
14. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto diametro D(b1) è preferibilmente compreso tra 6 mm e 72 mm, ancora più preferibilmente tra 8 mm e 48 mm.
15. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo settore (5) è a sezione circolare e rivestito mediante un rivestimento a basso coefficiente di attrito.
16. Fune (3) secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto che dette fibre sintetiche sono fibre HMPE.
17. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo settore (5) è ricoperto con una guaina o rivestimento di materiale plastico liscio.
18. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo settore (5) è ricoperto con una guaina o rivestimento di materiale plastico dotato di una distribuzione di cavità e di rilievi atti ad anticipare la transizione turbolenta dello strato limite e ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamica.
19. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo settore (5) è ricoperto con una guaina dotata superficialmente di almeno un profilo elicoidale.
20. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo settore (5) è ricoperto con una calza protettiva dotata di filamenti liberi di orientarsi secondo delle linee di flusso.
21. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo settore (5) è avvolto con nastri di tessuto o di materia plastica liberi di orientarsi secondo delle linee di flusso.
22. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo settore (5) è ricoperto con una guaina in materiale plastico profilata aerodinamicamente.
23. Fune (3) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo settore (5) ha una forma in sezione allungata avente un rapporto tra asse maggiore e asse minore variabile tra 1,5 e 5.
24. Fune multipla (8), caratterizzata dal fatto di essere composta da una pluralità di funi (3) secondo la rivendicazione 1 poste reciprocamente in parallelo.
25. Fune multipla (8) secondo la rivendicazione 24, caratterizzata dal fatto che delle cavità tra dette funi (3) di diametro differente sino riempite con un materiale a bassa densità per realizzare un profilo alare in sezione, nel quale una detta fune (3) di diametro maggiore occupa una zona di massimo spessore di detto profilo alare.
26. Fune multipla (8) secondo la rivendicazione 25, caratterizzata dal fatto di essere ricoperta da una calza protettiva.
27. Fune multipla (8) secondo la rivendicazione 25, caratterizzata dal fatto di essere ricoperta da una guaina in materiale plastico flessibile.
28. Fune (3) secondo la rivendicazione 1 o fune multipla (8) secondo la rivendicazione 24, caratterizzata dal fatto di essere tessuta per ottenere una forma aerodinamica.
29. Fune (3) secondo la rivendicazione 1 o fune multipla (8) secondo la rivendicazione 24, caratterizzata dal fatto di essere tessuta e annegata in un materiale plastico o elastomerico e deformata per ottenere una forma aerodinamica.
30. Fune (3) o fune multipla (8) secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta calza protettiva in tessuto o detta guaina in materiale plastico è interrotta a intervalli regolari, lasciando detta fune (3) o detta fune multiple (8) libera di flettere.