ITUD980010A1 - Sistema di estrazione energia da un flusso di fluido e relativo dispositivo - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"SISTEMA' DI ESTRAZIONE ENERGIA DA UN FLUSSO FLUIDO E RELATIVO DISPOSITIVO

CAMPO DI APPLICAZIONE

Forma oggetto del presente trovato un sistema di estrazione energia da un flusso di fluido, nonché il relativo dispositivo, come espressi nelle rispettive rivendicazioni principali.

Il trovato si applica per la produzione di energia e consente di sfruttare, in modo migliorato rispetto ai sistemi convenzionali, l'energia cinetica di un flusso di fluido in movimento, quale aria, acqua od altro, la quale energia cinetica può essere poi trasformata in altro voluto tipo di energia.

STATO DELLA TECNICA

Attualmente è sempre più marcata la tendenza a sviluppare sistemi di generazione energia ad alto rendimento alternativi ai sistemi convenzionali, sia per problemi di reperibilità della materia prima che per limitare l'inquinamento ambientale.

Tra questi sistemi alternativi vanno considerati i sistemi che sfruttano l'energia cinetica posseduta da un flusso di fluido in movimento, quale aria od acqua, per azionare un dispositivo rotante a pale, o simile, l'energia meccanica del quale viene sfruttata o trasformata in altra forma di energia.

Il principale vantaggio dei sistemi alternativi che sfruttano l'energia cinetica di un fluido, denominati eolici o idrici se sfruttano il vento o l'acqua, è dato dal fatto che utilizzano fonti di energia inesauribili, non inquinano e non inducono nell'ambiente carichi termici supplementari.

Allo stato attuale, però, detti sistemi presentano ancora molti inconvenienti.

I sistemi convenzionali estraggono l'energia cinetica primariamente dall'aria, meno dall'acqua.

Quelli che sfruttano l'energia cinetica dall'acqua (da non confondere con quelli che sfruttano l'energia potenziale, come il caso delle dighe), costituiscono una piccola frazione del complessivo sfruttamento di energia cinetica. Normalmente, tali sistemi operano con asse di rotazione perpendicolare alla direzione del flusso d'acqua.

Per questo motivo, la descrizione della tecnica nota si riferisce per lo più a sistemi convenzionali eolici che presentano in generale l'asse di rotazione parallelo alla direzione del vento.

I sistemi convenzionali di questo tipo estraggono energia soltanto da una limitata sezione d'urto del fluido in movimento, più piccola della superficie frontale coperta dal dispositivo rotante, o rotore. Ciò comporta che per produrre una potenza elevata il rotore deve essere corrispondentemente grande, quanto meno in termini di superficie frontale.

II flusso d’aria, o d'acqua, sfruttabile non è uguale alla superficie del rotore ma più piccolo in quanto il flusso, attraversando la zona dei rotori, si allarga. Tale situazione si verifica per il fatto che il flusso totale deve essere conservato, cioè il prodotto fra velocità e sezione d'urto deve rimanere costante a monte ed a valle del rotore.

Si è calcolato che un rotore convenzionale sfrutta un'energia cinetica del fluido equivalente a quella contenuta in una sezione pari al 60% della superficie del rotore, per una data velocità del flusso. Il passaggio del fluido nella parte periferica dell'elica provoca un'ulteriore riduzione di efficienza del sistema che il rendimento complessivo, senza considerare ulteriori perdite a causa dei cinematismi, è dell'ordine del 50%.

La necessità di utilizzare rotori di grandi dimensioni per ottenere potenze elevate comporta una plu-ralità di svantaggi. In primo luogo, l'elevato peso dei rotori e la notevole pressione del vento sul sistema rendono necessaria una costruzione resistente, costosa, pesante e poco funzionale.

I rotori di elevata dimensione ruotano lentamente; la trasformazione di questa rotazione lenta in una rotazione veloce per l'eventuale generatore elettrico associato determina inefficienze e bassi.rendimenti per le alte forze applicate.

Un ulteriore svantaggio è il fatto che i sistemi convenzionali di grandi dimensioni devono avere strutture di fondamenta molto forti per garantire l'assoluta stabilità del sistema sì che tali sistemi non possono essere portati da barche o piattaforme galleggianti in quanto il rollio danneggerebbe il sistema e ne comprometterebbe la funzionalità.

La tecnica di costruzione dei mulini a vento convenzionali (con asse di rotazione parallelo alla direzione del flusso) permette la messa in opera solo in aria e non consente, ad esempio, l'installazione in acqua per sfruttare le correnti di mare.

Per risolvere questi inconvenienti ed ottenere ulteriori vantaggi il proponente ha ideato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rispettive rivendicazioni principali.

Le rivendicazioni secondarie espongono varianti all’idea di soluzione principale.

Scopo del presente trovato è quello di fornire un sistema migliorato per lo sfruttamento dell'energia cinetica da un flusso di fluido in movimento.

Tale scopo viene ottenuto attraverso la riduzione delle dimensioni delle eliche dei dispositivi di generazione energia, ciò consentendo di alleggerire le strutture portanti, semplificare i cinematismi e quindi ridurre i costi globali del dispositivo aumentandone nel contempo l'efficienza.

Ulteriore scopo è quello di consentire l'utilizzo di detti dispositivi per sfruttare l'energia cinetica di qualsivoglia fluido sia esso aeriforme che liquido, quale un corso d'acqua ed il mare.

Altro scopo ancora è consentire lo sfruttamento di flussi di fluidi presentanti anche basse velocità attualmente non sfruttabili dai sistemi convenzionali per la generazione di energia.

Il trovato ha in comune con i sistemi convenzionali il fatto che l'energia viene estratta da un fluido in movimento, portando detto fluido da una ’

pressione pi ad una pressione p2, con p1 maggiore p2 . Tale scopo può essere raggiunto, per esempio, con un'elica od un rotore inserito in un flusso di fluido. Subito davanti all'elica la pressione sarà maggiore che subito dopo l'elica stessa.

Il trovato prevede di variare la sezione d'urto di un fluido transitante da un valore iniziale, o di entrata nel dispositivo, ad un valore finale, o di uscita dal dispositivo, detta variazione comportando una corrispondente variazione della velocità, e quindi dell'energia cinetica, posseduta dal fluido. Detta variazione si concretizza in una prima riduzione di sezione d'urto seguita da un aumento di detta sezione d'urto.

Secondo il trovato, l'elica viene collocata nel punto in cui la sezione d’urto raggiunge sostanzialmente il suo valore minimo.

A monte dell'elica, la sezione d'urto diventa progressivamente più stretta, cosicché il flusso del fluido viene concentrato in una sezione più piccola. All’aumento di velocità comportato dalla riduzione della sezione d'urto corrisponde un aumento di energia cinetica, correlato ad una corrispondente diminuzione di pressione (principio di conservazione dell'energia nei fluidi).

Attraversando l'elica il fluido perde energia, ciò comportando una ulteriore riduzione della pressione. Quando il fluido ha oltrepassato l'elica, la sezione d'urto si allarga, ciò comportando come conseguenza che la velocità del fluido si abbassa e la pressione aumenta in modo corrispondente.

All'uscita del dispositivo, il fluido presenta una pressione sostanzialmente pari a quella di ingresso, ma una velocità più bassa per la perdita di quella parte di energia estratta dall'elica.

La sezione d'urto sfruttata dal dispositivo è, in entrata al dispositivo stesso, molto più grande della superficie frontale delle pale, al contrario di quanto avviene nei sistemi convenzionali.

Inoltre, allargando in modo arbitrario la sezione di uscita a valle dell’elica si può ottenere un corrispondente aumento di energia cinetica sfruttabile dal dispositivo.

I sistemi convenzionali estraggono l'energia dal rotore usando l'asse che si trova nel centro dello stesso (al quale viene ad esempio connesso un generatore di energia elettrica). Il trovato non necessita di un asse centrale del rotore e detto rotore può essere sospeso alla superficie interna dell'apparato, consentendo di estrarre energia dalla periferia del rotore invece che dal centro.

Secondo una formulazione, la variazione di sezione d'urto è sempre graduale e progressiva.

Secondo una variante, detta variazione di sezione d'urto è a gradino almeno a valle dell'elica.

Secondo una variante, il condotto definente dette variazioni di sezione d’urto del flusso di fluido presenta lateralmente almeno un canale collegato con l'esterno del dispositivo attraverso il quale, per depressione, entra fluido dall'esterno che può essere utilizzato in associazione ad un'elica disposta esternamente al dispositivo.

Secondo una variante, le pareti del condotto di transito fluido definente dette variazioni di sezione d'urto presentano conformazione aerodinamica in modo da ridurre per quanto possibile le turbolenze e le perdite per attrito.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Le figure allegate sono fornite a titolo esemplificativo non limitativo ed illustrano alcune soluzioni preferenziali del trovato.

Nelle tavole abbiamo che:

- la fig. 1 illustra schematicamente in vista laterale un dispositivo ad elica di generazione energia della tecnica nota;

le figg. 2a-2c illustrano parzialmente, in sezione longitudinale, tre soluzioni evolutive del trovato;

la fig. 3 illustra parzialmente, in sezione longitudinale, una soluzione preferenziale del trovato;

le figg. 4 e 5 illustrano varianti di fig. 3; la fig. 6 illustra schematicamente in pianta una applicazione sulla terraferma;

le figg. 7 e 8 illustrano schematicamente in vista laterale due applicazioni in acqua.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

In fig.l è illustrata schematicamente una vista laterale di un'elica 11 utilizzata in un sistema di generazione energia convenzionale 10, la quale decelera il flusso di fluido che la investe portandolo da una velocità iniziale VI ad una velocità finale V2. La sezione d'urto di detto fluido, schematizzata con un tratteggio, viene aumentata dall'elica 11: il fluido a monte dell'elica 11 presenta una sezione d'urto Di minore della sezione d'urto D2, o disco battuto, dell'elica 11.

Con D3 viene indicata la sezione d'urto assunta dal fluido a valle dell'elica 11; nei sistemi noti vi è quindi un progressivo aumento della sezione d'urto del fluido sì che il prodotto velocità-sezione d'urto rimane sostanzialmente costante.

Poiché DI è inferiore a D2 e poiché v2 non può diventare troppo piccola per non interrompere il flusso del fluido, un'elica 11 di questo tipo riesce pertanto ad estrarre una quantità di energia cinetica del fluido equivalente a quella contenuta in una sezione pari al 60% della superficie dell'elica stessa, in questo caso pari a 0,6xD2, per una data velocità del flusso.

Da ciò deriva che, per ottenere potenze elevate, sono necessarie eliche 11 molto grandi e resistenti. Il trovato, per ovviare a questi inconvenienti, prevede prima di ridurre la sezione d'urto del fluido da un valore DI ad un valore D2 e quindi di aumentarla ad un valore D3, dove D2<D1<D3.

In corrispondenza del valore minimo D2 viene collocata un'elica 11 presentante rispetto ai sistemi noti, a parità di sezione d'urto DI, un diametro di molto inferiore.

Il sistema secondo il trovato si concretizza in un dispositivo 20 definito da un elemento di convogliamento 21, simmetrico rispetto all'asse x di transito del fluido. Detto dispositivo 20 definisce un condotto 12 di passaggio del fluido avente detta variazione controllata di sezione.

Nel condotto 12 illustrato in fig. 2a, sprovvisto di elica 11, il flusso entra con una sezione d'urto Di e con una velocità Vi. Lungo detto condotto 12 il fluido aumenta la sua velocità in modo inversamente proporzionale alla sezione d'urto fino a raggiungere un valore massimo in corrispondenza del valore D2. In uscita a detto condotto 12 il fluido presenta una sezione d'urto D3 uguale a DI ed una velocità V2 sostanzialmente uguale a Vi.

La soluzione di fig. 2a illustra un caso teorico a scopo illustrativo. Un flusso di fluido con sezione Di e velocità vi può uscire dall'apparato solamente con la stessa sezione (Dl=D3) e la stessa velocità (vl=v2) supponendo che non ci siano perdite di energia all'interno dell'apparato stesso.

Per arrivare ad una situazione reale devono essere prese in considerazione le perdite di energia cinetica per attriti, turbolenze ed altri fattori.

Il condotto 12 illustrato in fig. 2b presenta una maggiore sezione d'urto finale D3 rispetto al caso di fig. 2a, a parità di sezione d'urto d'entrata DI.

In questo caso, un flusso di entrata con sezione Di e velocità vi può essere mantenuto anche se all'interno dell'apparato ci sono perdite di energia, in quanto la velocità di uscita v2 può essere ridotta grazie all'aumento della sezione D3.

Il rapporto D3/D1 determina pertanto la frazione di energia che può essere sfruttata dal sistema, maggiore è detto rapporto più alta è l'energia sfruttabile. Allargando la sezione di uscita in modo arbitrario si rende disponibile al sistema una maggiore frazione di energia cinetica che può essere sfruttata inserendo un'elica 11 in corrispondenza della sezione intermedia.

Nella soluzione di fig. 2c, inoltre, le pareti interne dell'elemento 21 presentano una forma aerodinamica per ridurre al minimo le perdite di energia cinetica dovute ad attriti e turbolenze.

Nella soluzione preferenziale illustrata in fig.

3, l'allargamento a valle dell’elica 11 è a gradino e ciò incrementa ulteriormente il rendimento del dispositivo 20. Tale soluzione 'risulta particolarmente opportuna per il fatto che la quasi totalità della perdita dell'energia cinetica del flusso di fluido avviene nell'elica 11 e non è quindi distribuita sull'intera superficie come avviene, ad esempio, in un'ala di un aeroplano.

Oltre al vantaggio di utilizzare eliche 11 di dimensioni ridotte e quindi più leggere ed economiche, il trovato consente anche di utilizzare materiali meno resistenti , ad esempio plastica.

Secondo una variante, detti materiali sono almeno parzialmente trasparenti per ridurre l'impatto con l'ambiente circostante.

Secondo un'altra variante, detti,materiali presentano colorazioni o camuffamenti idonei a mimetizzarsi nell'ambiente circostante.

Nella variante di fig. 4 esternamente al condotto 12 è previsto un canale supplementare 13 di sezione allargata, il quale crea nella parte posteriore del condotto 12 una zona di bassa pressione che migliora l'efficienza del dispositivo 20.

Nella variante di fig. 5, viene utilizzato un rotore esterno 14, ad esempio una turbina o simile, associato all'estremità di un condotto radiale 15, il quale mette in comunicazione il condotto 12, ed in particolare la zona di sezione d'urto intermedia D2, con l'ambiente esterno.

II fluido che transita nel condotto 12 crea nel condotto radiale 15 una·depressione che provoca la rotazione del rotore esterno 14.

Secondo una variante, il condotto 12 è inferiormente o superiormente associato ad una struttura girevole e presenta propri mezzi di direzionamento che gli consentono di disporsi in automatico nella direzione di avanzamento del vento ciò consentendo di sfruttare al massimo l'energia cinetica posseduta da quest'ultimo. Nella variante di fig. 6 il condotto 12 viene collocato al centro di un gruppo di pareti 16 disposte a raggiera.

Nel caso di specie, in corrispondenza di cadaun vertice definito da dette pareti 16 è previsto un pannello di chiusura 17 amovibile che consente di definire di volta in volta, a seconda della direzione del vento, le aperture preferenziali di ingresso e di uscita per il vento.

Secondo un'altra variante, non illustrata, il condotto 12 coopera almeno in ingresso con mezzi di deflessione regolabili atti a parzializzare in modo voluto il fluido entrante.

Data la sua robustezza e leggerezza, il dispositivo può anche essere installato a bordo di natanti, quali imbarcazioni o piattaforme, sia per eliminare l'impatto ambientale, potendo detti natanti essere previsti anche in mare aperto, sia per sfruttare al meglio condizioni favorevoli di vento forte, sia ancora per consentire l'autodirezionamento grazie al vincolo dell'imbarcazione tramite un'ancora.

Secondo una variante, il dispositivo secondo il trovato viene associato ad una piattaforma costi tuita da serbatoi galleggianti entro i quali viene immagazzinato idrogeno e/o ossigeno prodotto decomponendo l'acqua per via elettrolitica con l'energia prodotta dal dispositivo secondo il trovato.

L'idrogeno e l'ossigeno possono essere sfruttati in vari modi in sistemi di generazione energia.

II trovato, nelle sue forme sopra descritte ed illustrate nelle figg. 2-5, può essere utilizzato sia nel caso dell'aria che nel caso dell'acqua.

Per esempio, allo scopo di sfruttare la corrente prodotta dalle maree, la struttura illustrata in fig. 3 può essere immersa in mare.

Nella fig. 7 è illustrata un'altra applicazione del dispositivo secondo il trovato utilizzando come fluido l'acqua, per esempio quella di un fiume.

In questo caso viene utilizzata una ruota a palette 18 prevista a pelo d'acqua ed un elemento 19 di tipo aerodinamico che determina prima la riduzione e poi l’allargamento della sezione d'urto, detta ruota a palette 18 collocandosi sostanzialmente nella zona di massima riduzione della sezione d’urto del flusso di fluido.

Un altro modo di sfruttare l'energia cinetica di un fiume è illustrato in fig. 8; lo sfruttamento di energia cinetica dell'acqua in movimento viene ottenuto alzando il livello dell'acqua con una barriera 22 definente superiormente un'apertura 23. Il livello dell'acqua a monte ed a valle della barriera 23 è uguale, quindi non viene utilizzata l'energia potenziale dell'acqua grazie a variazioni di livello come nei sistemi noti.

Se nell'apertura 23 viene collocata un'elica, l'acqua transitante attraverso di essa con sezione d'urto ridotta viene decelerata e, l'allargamento di sezione presente a valle della barriera 22 permette una perdita di energia cinetica che può essere sfruttata dal dispositivo. Secondo una variante, il letto viene scavato a valle della barriera 22 per aumentare la sezione del flusso d'acqua.

Elementi 19 di convogliamento del flusso dell'acqua, a monte ed a valle della barriera 22, migliorano il rendimento del sistema riducendo i vortici e le turbolenze create dalla presenza della barriera stessa 22.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 - Sistema di estrazione energia da un flusso di fluido, sia esso aria od acqua, tramite un rotore o elica (11) collegati a mezzi di utilizzo e/o trasformazione in altra forma di energia, detto rotore o elica (11) essendo associato a mezzi di convogliamento (21) di definizione di un condotto (12) di transito del fluido, caratterizzato dal fatto che prevede un aumento della sezione d'urto, come definita dal detto condotto (12), del fluido in movimento subito a valle del rotore o elica (11), detto aumento della sezione d'urto comportando una corrispondente diminuzione della velocità del fluido transitante nella zona a valle del rotore o elica (11). 2 - Sistema come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che prevede la diminuzione della sezione d'urto, come definita dal condotto (12), del fluido in movimento a monte del rotore od elica (11)-3 - Sistema come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il rotore o elica (11) viene collocato nella zona di transizione tra il restringimento della sezione d'urto e l'allargamento. 4 Sistema come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la variazione della sezione d'urto è graduale e progressiva . 5 - Sistema come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti fino a 3, caratterizzato dal fatto che la variazione della sezione d'urto è a gradini almeno nel passaggio dalla sezione d'urto ristretta alla sezione d'urto allargata. 6 - Dispositivo di estrazione energia da un flusso di fluido, sia esso aria od acqua, tramite un rotore od elica (11) collegato a mezzi di utilizzo e/o trasformazione in altra forma di energia, detto rotore od elica (11) essendo associato a mezzi di convogl lamento (21) di definizione di un condotto (12) di transito fluido, caratterizzato dal fatto che detto condotto (12) definisce una sezione di entrata di valore (Di), una sezione di uscita di valore (D3) maggiore di (Di) ed una sezione intermedia di valore (D2) inferiore al valore di entrata (Di), detto rotore od elica (11) venendo collocato sostanzialmente in corrispondenza di detta sezione intermedia (D2). 7;- dispositivo come alla rivendicazione 6, in cui il 'rotore od elica, (11) non è collocato in detta sezione intermedia, caratterizzato dal fatto che 11 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che il condotto (12) è previsto al centro di un gruppo di pareti (16) disposte a raggiera, su almeno parte dei vertici definiti da dette pareti essendo previsti pannelli (17) di temporanea chiusura atti a definire aperture preferenziali di ingresso/uscita del fluido. 12 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che il condotto (12) coopera esternamente con un condotto supplementare (13) di conformazione idonea a creare nella parte posteriore del condotto (12) una zona a bassa pressione. 13 - Sistema come ad una o l'altra delle rivendicazioni da 1 a 5 e dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni da 6 a 12, caratterizzati dal fatto che adottano i contenuti di cui alla descrizione ed ai disegni. sull'elemento di convogliamento (21) è realizzata almeno un'apertura definente un canale (15) attraverso il quale, per depressione, entra fluido dall'esterno, detto canale (15) essendo associato, in posizione esterna al condotto (12), ad un rotore od elica (14). 8 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che il condotto (12) è associato ad una struttura girevole e presenta propri mezzi di direzionamento per la disposizione nella direzione di avanzamento del fluido. 9 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che il condotto (12) è definito da un'apertura (23) ricavata in una barriera (22) disposta nel letto di un fiume e predisposta per innalzare il livello di detto fiume almeno in un intorno della stessa (22). 10 - Dispositivo come ad una o l’altra delle rivendicazioni da 6 a 8, caratterizzato dal fatto che 11 condotto (12) è definito da un’apertura (23) ricavata in una barriera (22) disposta nel letto di un fiume ed a valle della quale detto letto è stato scavato per aumentare la sezione del flusso d'acqua.