ITVE20090006A1

ITVE20090006A1 - Generatore elettrico utilizzante fonti energetiche rinnovabili.-

Info

Publication number: ITVE20090006A1
Application number: IT000006A
Authority: IT
Inventors: Ernesto Frassinelli; Fabrizio Prior
Original assignee: Ernesto Frassinelli; Fabrizio Prior
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-07-27
Also published as: WO2010084418A3; WO2010084418A2

Description

D E S C R I Z I O N E

dell'invenzione avente per titolo:

" Generatore elettrico utilizzante fonti energetiche rinnovabili " La presente invenzione concerne un generatore elettrico utilizzante fonti energetiche rinnovabili.

Sono noti generatori eolici comprendenti essenzialmente un rotore a pale ed un generatore elettrico meccanicamente accoppiato con l’albero di detto rotore a pale. In funzionamento l’albero del generatore elettrico viene trascinato in rotazione dal rotore a pale, quando questo viene investito da un flusso di vento.

Inconveniente di questi generatori eolici consiste nel fatto che essi devono essere installati in regioni battute dal vento e comportano in genere elevate dimensioni delle pale, e possibili conseguenti problemi di impatto ambientale, visivo e sonoro. Ciò in particolare, in quanto in genere una loro esposizione ottimale richiede l'installazione in posizione elevata o comunque defilata da barriere, che possano ridurre il flusso d’aria, e quindi in posizione ben visibile ed udibile anche a notevole distanza.

Altro inconveniente consiste nel fatto che le loro elevate dimensioni comportano notevoli costi sia di realizzazione che di installazione, nonché perturbazioni delle onde elettromagnetiche, in particolare radiotelevisive e telefoniche, soprattutto in presenza di pale metalliche in rotazione.

Sono anche noti generatori cosiddetti mini-eolici e micro-eolici. Essi funzionano sulla base dello stesso principio ma hanno dimensioni molto più ridotte e quindi presentano in forma alquanto più attenuata gli inconvenienti sopra indicati, anche se in ogni caso richiedono l’installazione su palo, con tutte le limitazioni che ciò comporta.

Sono poi noti anche generatori fotovoltaici, costituiti da una pluralità di pannelli fotovoltaici installati in modo da risultare esposti alla luce solare. Essi sono formati da una pluralità di celle fotovoltaiche, in grado di trasformare l’energia solare incidente in energia elettrica.

Inconveniente di questi generatori fotovoltaici consiste nel fatto che essi possono funzionare solo nelle ore di luce ed in ogni caso l’energia da questi generata è funzione delle condizioni di insolazione o di illuminazione.

Scopo dell’invenzione è di eliminare questi inconvenienti e di realizzare un generatore elettrico utilizzante fonti energetiche rinnovabili, che sia di limitato costo, di semplice realizzazione, di elevata efficienza e di utilizzabilità più ampia delle fonti energetiche rinnovabili attualmente note.

Questo scopo ed altri che risulteranno dalla descrizione che segue sono raggiunti, secondo l’invenzione, con un generatore elettrico utilizzante fonti energetiche rinnovabili, caratterizzato dal fatto di comprendere:

- un generatore eolico, sostenuto da una struttura portante provvista di base di ancoraggio ed avente il rotore con almeno cinque pale, carenato superiormente con pannelli fotovoltaici sostenuti dalla stessa struttura portante,

- mezzi di orientamento di detta struttura portante rispetto alla sua base di ancoraggio ed agenti nel senso di orientare detta struttura sia attorno ad un asse orizzontale che attorno ad un asse verticale,

- mezzi di rilevamento dell’intensità e/o della direzione del vento e della presenza di luce solare, e

- un’unità di controllo di detti mezzi di orientamento di detta struttura portante in funzione dei segnali generati da detti mezzi di rilevamento.

La presente invenzione viene qui di seguito ulteriormente chiarita in una sua preferita forma di pratica realizzazione, riportata a scopo puramente esemplificativo e non limitativo con riferimento alle allegate tavole di disegni, in cui:

la figura 1 mostra in vista prospettica un generatore eolico secondo l’invenzione in condizioni di lavoro,

la figura 2 lo mostra in vista prospettica in una prima fase di ripiegamento per il suo ricovero entro un carter di protezione,

la figura 3 lo mostra in vista prospettica in una seconda fase di ripiegamento, e

la figura 4 lo mostra in vista prospettica esplosa completamente ripiegato e riposto entro il carter di protezione.

Come si vede dalle figure, il generatore elettrico secondo l’invenzione può essere definito un micro generatore eolico-fotovoltaico, molto compatto, ideato per essere facilmente inserito in contesti urbanistici senza alterarne l’aspetto estetico, ma può altresì essere impiegato come elemento architettonico distintivo, e può anche essere installato su pali di illuminazione stradale o su veicoli o natanti.

Nelle sue linee essenziali esso comprende una struttura portante, indicata globalmente con 2, sulla quale è montato un generatore elettrico, indicato globalmente con 4, ed un generatore fotovoltaico, indicato globalmente con 6.

La struttura 2 comprende una base di ancoraggio 8 con una porzione troncoconica superiore ed una flangia inferiore. La base di ancoraggio è fissabile ad esempio ad una struttura edile, preferibilmente mediante sistemi a vite non azionabili dall’esterno, e quindi di tipo antieffrazione.

Alla base di ancoraggio 8 è applicato uno scatolato 12, essenzialmente a forma parallelepipedica, sormontato da una carenatura semicilindrica.

Tra la base di ancoraggio 8 e lo scatolato 12 sono interposti attuatori elettromeccanici, ad esempio di tipo rototranslante, non visibili nei disegni, ed un meccanismo di oscillazione frenata, ad esempio una molla a gas, che consente allo scatolato 12 di ruotare rispetto alla base di ancoraggio 8 attorno all'asse di questa nei due sensi con un’ampiezza massima prefissata, che ad esempio può essere a destra (+60°) od a sinistra (-60°).

All’interno dello scatolato 12 è alloggiata l’elettronica di bordo, che meglio verrà descritta in seguito, nonché attuatori in grado di inclinare in maniera controllata in avanti ed all’indietro la struttura portante superiore 2 rispetto alla base di ancoraggio 8. A tal fine è previsto che la struttura portante 2 comprenda una coppia di montanti paralleli 16, articolati allo scatolato 12 in corrispondenza di un albero orizzontale, associato ad attuatori in grado di far ruotare detto albero rispetto allo scatolato ad esempio da 60° a -60°, e quindi di inc linare di un corrispondente angolo i due montanti 16 in avanti ed all’indietro.

Il vincolo tra i montanti 16, che hanno profilo aerodinamico per offrire una limitata resistenza al vento, e l’albero orizzontale di articolazione allo scatolato 12 è elastico e disattivabile, nel senso che a seconda delle esigenze può rendere i montanti 16 elasticamente solidali a detto albero, e quindi inclinabili in avanti ed all’indietro conformemente alle rotazioni di questo, oppure renderli svincolati da questo e liberi di ruotare in avanti di 90° per consentire, come meglio si vedrà in seguito, il ripiegamento della struttura portante in posizione di riposo stagionale od antiuragano.

Il passaggio dall’una all’altra condizione è ottenibile manualmente, ad esempio con pulsanti 18 azionabili in direzione assiale, anche se è prevista la possibilità di un loro comando elettromeccanico.

All’estremità superiore dei montanti 16 è applicato il generatore eolico 4.

Esso comprende un’elica 20 a sei pale 22 aventi profilo laminare con sagoma ad “ala di gabbiano”, munite sull’estradosso del profilo di una fessura con imbutitura, che funge da ipersostentore alare ed aumenta notevolmente la portanza e quindi l’efficienza dell’elica a basso numero di giri.

Le pale 22 dell’elica sono a passo variabile, regolate da un tradizionale attuatore cinetico, in grado di adeguare in modo ottimale l’angolo incidente delle stesse alla velocità del flusso d’aria e quindi a venti sia deboli che forti. Le pale 22 sono montate su un mozzo 24 sagomato a piramide esagonale, e cioè con ripartitori di flusso laminare verso le pale stesse frazionato ogni 60°.

L’elica comunque è progettata per ricevere il flusso di vento in un cono di 90° rispetto al suo asse, mantenendo comunque una resa del 50% per direzioni del vento angolate di 45° rispetto a detto asse.

All’elica 20 è associato un generatore elettrico, preferibilmente costituito da una dinamo 26.

All’estremità superiore dei montanti 16 sono articolati due bracci 28 di sostegno del generatore fotovoltaico 6.

Il vincolo per ciascun braccio 28 ed il rispettivo montante 16 è analogo al vincolo tra lo stesso montante ed il loro albero di articolazione e cioè è di tipo che può essere attivato o disattivato a seguito dell’azionamento di pulsanti di sblocco 30 analoghi ai pulsanti 18, allo scopo di consentire il corretto funzionamento del generatore oppure il suo ripiegamento in posizione di riposo stagionale o antiuragano.

Il generatore fotovoltaico 6 comprende tre lastre 32,32’ di vetro strutturale PVB, trattate superficialmente per risultare autopulenti e recanti incorporate celle fotovoltaiche 34, preferibilmente in silicio amorfo tripla giunzione. E' peraltro previsto che le lastre 32, 33' possono anche essere realizzate in vetro sostenuto da un telaio metallico e che le celle fotovoltaiche siano realizzate in arseniuro di gallio od altro materiale presentante proprietà fotovoltaiche.

E' anche previsto che ciascuna lastra 32, 32' anzichè avere spessore costante abbia spessore variabile a profilo alare.

La lastra centrale 32 è posta orizzontalmente ed è vincolata lungo i bordi adiacenti delle altre due lastre 32’, le quali sono solidalmente vincolate all’estremità superiore dei due bracci 28, in modo da formare una struttura che copra l’elica 20 ed agevoli il convogliamento del flusso del vento sulle pale 22 di questa. Allo scopo poi di favorire ulteriormente questo convogliamento, pur creando la minima resistenza al flusso, è previsto che alle lastre 32, 32’ sia applicata un’appendice arcuata 36 con profilo aerodinamico alare.

Al bordo anteriore di una lastra inclinata 32’ è applicato un sensore anemometrico 38 per la misurazione della direzione e della velocità del flusso eolico, mentre al bordo corrispondente dell’altra lastra inclinata 32’ è applicato un sensore fotometrico 40 per la misurazione della direzione e dell’intensità del flusso luminoso.

A ciascuna lastra di vetro inclinata 32’ è infine applicata un’aletta aerodinamica 42 per l’allineamento dell’asse dell’elica 20 con la direzione di provenienza del vento. In condizione di lavoro essa assume posizione verticale, ma può essere ruotata verso l’interno e fatta aderire alla rispettiva lastra 32' per il ricovero del generatore in posizione di riposo stagionale o antiuragano, come meglio si vedrà in seguito.

Il funzionamento del generatore secondo l’invenzione è il seguente: nell’ipotesi in cui l’asse dell’elica 20 sia allineato con la direzione di provenienza del vento, l’elica 20 viene investita frontalmente da detto flusso e fa ruotare con la massima efficienza l’albero del generatore 26, cui l’elica 20 è rigidamente accoppiata.

Nel caso di variazione nella direzione del vento, le appendici aerodinamiche 42 provocano la rotazione di tutto l’apparato mobile rispetto alla base di ancoraggio 8, in modo da seguire in maniera ottimale le variazioni della direzione del vento. Al tempo stesso, poiché nelle ore di insolazione il sole varia la sua posizione, l’elettronica di bordo contenuta nello scatolato 12 è programmata in modo da far ruotare tutto l’apparato mobile montato sulla base di ancoraggio 8 per far inseguire ai pannelli solari i movimenti del sole.

Poiché peraltro l’orientamento del generatore in funzione della direzione di provenienza del vento ben difficilmente coincide con l’orientamento del generatore in funzione della direzione di provenienza dei raggi solari, l’invenzione prevede che le informazioni fornite dal sensore anemometrico 38 e dal sensore fotometrico 40 vengano elaborate dall’elettronica di bordo sulla base di programmi predefiniti, finalizzati ad ottimizzare i rendimenti in qualsiasi condizione e stagione.

In pratica il generatore secondo l’invenzione costituisce una integrazione tra un generatore eolico ed i pannelli fotovoltaici non solo per trasformare l’energia solare in energia elettrica, ma anche per proteggere l’elica del generatore eolico e convogliare il flusso d’aria, aumentandone conseguentemente l’efficienza.

Inoltre, grazie alla presenza dei sensori anemometrico 38 e fotometrico 40, è possibile utilizzare gli stessi organi di movimentazione in senso azimutale ed in senso zenitale per ottimizzare la generazione di energia elettrica in base alle condizioni ambientali, sfruttando la fonte energetica più conveniente od il miglior compromesso tra le due.

All’insorgere di condizioni metereologiche molto perturbate (grandinetifoni-uragani) o per ricovero stagionale, è possibile ripiegare l’insieme per rotazione in avanti dei montanti 16 attorno al loro albero di articolazione allo scatolato 12 per contemporanea rotazione all'indietro del generatore fotovoltaico 6 attorno all’albero di articolazione dei bracci 28 ai montanti 16, ed alloggiare il tutto entro un apposito carter di protezione.

Nelle figure da 2 a 4 sono illustrate tre successive fasi di ripiegamento del generatore secondo l’invenzione entro il carter di protezione.

Più particolarmente il ripiegamento del generatore secondo l’invenzione prevede il montaggio della flangia di ancoraggio 10 su una base ottagonale 44, che costituisce il fondo del carter di protezione. Al momento in cui è richiesto il ricovero del generatore entro questo carter di protezione, vengono dapprima azionati i pulsanti di sblocco 18 e 30, in modo da consentire la rotazione di 90° all'indietro del generatore fotovoltaico 6 rispetto ai montanti 16 (fig. 2) e di 90° in avanti degli stessi montanti 16 rispetto allo scatolato 12 (fig. 3).

Al termine di queste operazioni il generatore ripiegato e posizionato sulla base ottagonale 44 viene poi chiuso da una copertura poliedrica 46.

Naturalmente, quando le condizioni metereologiche avverse o stagionali sono cessate, è possibile ripetere le operazioni in senso inverso e riportare in questo modo il generatore in condizione operativa.

Le manovre di ripiegamento ora descritte si riferiscono ad un generatore montato su una superficie piana. Poiché peraltro in pratica il generatore può anche essere montato su una falda inclinata di un tetto, è anche possibile che la sequenza di ripiegamento sia invertita ed anche che il ripiegamento all'indietro dei montanti 16 rispetto allo scatolato 12 sia inferiore a 90°, conformemente alla pendenza di detta falda inclinata.

Queste manovre di ripiegamento e di spiegamento vengono effettuate manualmente, ma potrebbero anche essere effettuate con appositi attuatori azionati su comando espresso dell’operatore od anche su comando automatico.

L’energia elettrica sviluppata da entrambi i sistemi (eolico e fotovoltaico) confluisce in un unico sistema di alimentazione diretto o di accumulatori posizionati alla base della struttura, a seconda dell’impiego finale del dispositivo.

Da verifiche progettuali si è potuto accertare che:

- un generatore secondo l’invenzione in grado di sviluppare una potenza di 250 W può avere dimensioni in pianta di mm 350 x 230 ed un’altezza di mm 300, ad essere adatto all’installazione su palo per illuminazione stradale, per segnaletica o per generazione di energia elettrica distribuita;

- un generatore in grado di sviluppare una potenza di 500 W può avere dimensioni in pianta di mm 700 x 450 ed altezza di mm 600, ad essere adatto ad alimentare sistemi trasportabili (veicoli o natanti);

- un generatore in grado di sviluppare una potenza di 1000 W può avere dimensioni in pianta di mm 1400 x 900 ed altezza di mm 1200, ed essere adatto per generazione di energia elettrica distribuita per piccole comunità nonché per generazione di energia elettrica per uso privato e residenziale.

Da quanto detto risulta chiaramente che il generatore elettrico secondo l’invenzione si presenta altamente innovativo ed in particolare:

- consente di generare energia elettrica in quantità molto maggiori di quanto avviene, a parità di vento, con qualsiasi generatore elettrico di pari dimensioni utilizzante fonti energetiche rinnovabili tradizionali,

- è in grado di orientarsi automaticamente nella posizione più idonea a ricevere energia dalla fonte solare od eolica più redditizia in quel momento o nella posizione di miglior concorrenza tra queste due,

- è facilmente installabile in qualsiasi luogo, date le sue limitate dimensioni, il suo peso contenuto, il basso impatto ambientale, l’assenza di palo di sostegno e la ridotta rumorosità,

- è di costo limitato,

- consente di sfruttare le due sorgenti energetiche rinnovabili (vento e sole) in maniera integrata ed ottimale,

- è salvaguardabile nella sua integrità nel caso di condizioni atmosferiche altamente avverse.

La presente invenzione è stata illustrata e descritta in una sua preferita forma di realizzazione, ma si intende che varianti esecutive potranno ad essa in pratica apportarsi, senza peraltro uscire dall’ambito di protezione del presente brevetto per invenzione industriale.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1. Generatore elettrico utilizzante fonti energetiche rinnovabili, caratterizzato dal fatto di comprendere: - un generatore eolico (4), sostenuto da una struttura portante (2) provvista di base di ancoraggio (8) ed avente il rotore con almeno cinque pale (22), carenato superiormente con pannelli fotovoltaici (32,32’) sostenuti dalla stessa struttura portante (2), - mezzi di orientamento di detta struttura portante (2) rispetto alla sua base di ancoraggio (8) ed agenti nel senso di orientare detta struttura sia attorno ad un asse orizzontale che attorno ad un asse verticale, - mezzi (38,40) di rilevamento dell’intensità e/o della direzione del vento e della presenza di luce solare, e - un’unità di controllo di detti mezzi di orientamento di detta struttura portante (2) in funzione dei segnali provenienti da detti mezzi di rilevamento (38,40).
2. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le pale (22) del generatore eolico (4) hanno profilo ad ala di gabbiano e sono munite sull’estradosso del profilo di una fessura con imbutitura.
3. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le pale (22) del generatore eolico (4) sono di tipo a passo variabile.
4. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le pale (22) del generatore eolico (4) sono montate su un mozzo piramidale (24) con un numero di facce pari al numero di dette pale.
5. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che alla base di ancoraggio (8) è associato un sovrastante corpo scatolato (12) facente parte della struttura portante (2) e contenente l’elettronica di bordo.
6. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che tra la base di ancoraggio (8) e la sovrastante parte di struttura portante (2) sono interposti attuatori elettromeccanici di rotazione di detta porzione troncoconica attorno all’asse di detta flangia.
7. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detti attuatori elettromeccanici sono di tipo rototraslante.
8. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che tra la base di ancoraggio (8) e la sovrastante parte di struttura portante (2) è interposto un meccanismo di oscillazione frenata.
9. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che detto meccanismo di oscillazione frenata è costituito da almeno una molla a gas.
10. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che da detto corpo scatolato (12) si dipartono verso l’alto una coppia di montanti (16) di sostegno di detta struttura portante (2).
11. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che detti montanti (16) sono articolati a detto corpo scatolato (12) attorno ad un albero trasversale e sono associati ad attuatori di inclinazione di detti montanti in avanti ed all’indietro.
12. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 11 caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di disattivazione del vincolo tra detti montanti (16) e detto albero trasversale.
13. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 12 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di disattivazione sono a comando manuale.
14. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 12 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di disattivazione sono a comando meccanizzato.
15. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 10 caratterizzato dal fatto che detti montanti (16) hanno profilo aerodinamico.
16. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere tre pannelli fotovoltaici (32,32’) uno dei quali (32) è centrale ed orizzontale e sovrasta detto generatore eolico (4) e gli altri due (32’), vincolati in maniera angolata a quello centrale, delimitano lateralmente lo spazio destinato alla rotazione dell’elica del generatore (4).
17. Generatore elettrico secondo le rivendicazioni 10 e 16 caratterizzato dal fatto che detti pannelli fotovoltaici laterali (32’) sono vincolati all’estremità superiore di detti montanti (16) tramite una coppia di bracci di sostegno (28).
18. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 17 caratterizzato dal fatto che il vincolo tra detti bracci di sostegno (28) e detti pannelli fotovoltaici laterali (32’) è di tipo rigido, mentre il vincolo tra detti bracci di sostegno (28) e detti montanti (16) è di tipo articolato.
19. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 18 caratterizzato dal fatto che il vincolo articolato tra detti bracci di sostegno (28) e detti montanti (16) è di tipo disattivabile.
20. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che ciascun pannello fotovoltaico (32,32’) è realizzato in vetro strutturale PVB con superficie autopulente.
21. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 16 caratterizzato dal fatto che ciascun pannello fotovoltaico (32, 32') è realizzato in lastre di vetro sostenuto da un telaio perimetrale metallico.
22. Generatore secondo la rivendicazione 16 caratterizzato dal fatto che ciascun pannello fotovoltaico (32,32') ha spessore variabile a profilo alare.
23. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che ciascun pannello fotovoltaico (32,32’) è provvisto di celle fotovoltaiche in silicio amorfo tripla giunzione.
24. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che ciascun pannello fotovoltaico (32, 32') è provvisto di celle fotovoltaiche in arseniuro di gallio.
25. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che ai pannelli fotovoltaici (32,32’) è associata un’appendice arcuata (36) con profilo aerodinamico alare.
26. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che al bordo anteriore di un pannello fotovoltaico (32’) è applicato un sensore anemometrico (38) di rilevamento della velocità e della direzione del flusso eolico.
27. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che al bordo anteriore di un pannello fotovoltaico (32’) è applicato un sensore fotometrico (40) di rilevamento dell’intensità luminosa.
28. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 16 caratterizzato dal fatto che ad un bordo di ciascun pannello fotovoltaico inclinato (32) è applicata un’appendice aerodinamica (42) parallela all’asse dell’elica del generatore eolico (4).
29. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 28 caratterizzato dal fatto che ciascuna appendice aerodinamica (42) è ripiegabile sul rispettivo pannello fotovoltaico (32’).
30. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere un carter di protezione, nel quale il generatore stesso è alloggiabile in condizione ripiegata.
31. Generatore elettrico secondo la rivendicazione 27 caratterizzato dal fatto che detto carter di protezione comprende una base poligonale (44), alla quale appoggia detto generatore con i montanti (16) ripiegati rispetto alla base di ancoraggio (8) e con i pannelli fotovoltaici (32,32’) rispetto a detti montanti ripiegati (16), ad una copertura poliedrica applicata a detta base (44).
32. Generatore elettrico utilizzante fonti energetiche rinnovabili secondo le rivendicazioni da 1 a 31 e sostanzialmente come illustrato e descritto.