ITVR20130002A1 - Macchina per la produzione di energia elettrica, nonche uso di tale macchina in presenza di salti d'acqua di altezza limitata per la produzione di energia elettrica - Google Patents

Description

Titolo: “MACCHINA PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA, NONCHE' USO DI TALE MACCHINA IN PRESENZA DI SALTI D'ACQUA DI ALTEZZA LIMITATA PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA”

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione riguarda una macchina per la produzione di energia elettrica del tipo a mulino, che viene generata mediante l’utilizzo dell’energia potenziale di un fluido posto a monte rispetto al piano di riferimento posto a quota terreno.

Più particolarmente la presente invenzione riguarda un sistema di produzione energia elettrica alimentato da un mulino costituito da una struttura portante un sistema di trasporto a ciclo continuo facente capo a ruote su cui sono poste cinghie sulle quali sono collegate delle tazze di raccolta del fluido, poste ad interasse costante, che per gravità innescano il movimento della ruota e lo mantengono costante nel tempo.

Secondo l’invenzione è previsto che il moto rotatorio impresso dalla gravità dell’acqua riversata costantemente nella linea discendente delle tazze, venga recuperato da un generatore del tipo sincrono a basso numero di giri posto in presa diretta sull'asse della ruota.

L'invenzione si riferisce ulteriormente all'uso di una tale macchina per la produzione di energia elettrica in tutte quelle situazioni in cui ci si trovi in presenza di un salto d'acqua di altezza limitata, indicativamente compreso tra 3m e 15-20m.

La presente invenzione trova applicazione nel campo delle macchine per la produzione di energia ed in particolare nel settore delle macchine che non necessitano di essere alimentate con minerali fossili e non derivano da processi di combustione, quindi macchine non soggette a variazioni di costi produzione perché completamente slegate dalle logiche industriali di mercato.

STATO DELLA TECNICA

È noto che in ingegneria energetica con il termine energie rinnovabili si intendono quelle forme di energia generate da fonti di energia che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano almeno alla stessa velocità con cui vengono consumate o non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani" e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future.

Le energie rinnovabili sono dunque forme di energia alternative alle tradizionali fonti fossili e molte di esse hanno la peculiarità di essere anche energie pulite ovvero di non immettere in atmosfera sostanze nocive e/o climalteranti quali ad esempio la CO2. Esse sono dunque alla base della cosiddetta economia verde.

Se la definizione in senso stretto di “energia rinnovabile” è quella sopra enunciata, spesso vengono usate come sinonimi anche le locuzioni “energia sostenibile” e “fonti alternative di energia”.

Esistono tuttavia delle sottili differenze:

Energia sostenibile è una modalità di produzione ed uso dell'energia che permette uno sviluppo sostenibile: ricomprende dunque anche l'aspetto dell'efficienza degli usi energetici.

Fonti alternative di energia sono invece tutte quelle fonti di energia “non fossili”, ovvero diverse dagli idrocarburi o il carbone; rientra tra queste, ad esempio, anche l'energia nucleare, considerata alternativa all'uso di idrocarburi e carbone.

È noto nella tecnica che sotto forma di energie rinnovabili vengono sfruttate anche le risorse naturali che derivano dalla forza delle onde marine, dall’energia del vento ed anche dalla forza di gravità terrestre, quest’ultimo caso tipicamente rappresentato dai mulini a caduta d’acqua, od anche le turbine idroelettriche, nonché quelle che derivano dal diverso peso specifico dei materiali, ad esempio di quello dell’acqua e dell’aria.

Nel caso dei mulini a caduta d’acqua il problema è quello relativo alla necessità di sfruttare grandi altezze dei bacini idrici da cui derivano elevate pressioni degli iniettori che iniettano forti getti d’acqua su turbine ad elevato numero di giri, mentre ad oggi non è stato ancora possibile sfruttare bacini idrici di altezza ridotta per l’impossibilità di portare a regime produttivo le turbine.

Di fatto gli impianti dotati di turboalternatori vengono utilizzati solamente in presenza di salti d'acqua di altezza notevole, generalmente superiori a 40-50m, dove questi impianti possono sfruttare appieno le loro potenzialità. Per contro, tali impianti risultano pressochè inutilizzabili ed economicamente improduttivi in presenza di salti d'acqua limitati, ad esempio salti d'acqua di altezza compresa tra 3-4m fino a 15-20m. I territori sono generalmente ricchi di salti d'acqua di questo genere, mentre i salti d'acqua utilizzati per sfruttare impianti a turboalternatore sono generalmente molto più rari e, spesso, ottenuti artificialmente.

In generale le energie che derivano dalle diversità di peso specifico di materiali soffrono di un limitato rendimento e non sono applicabili su scala industriale, oppure in altri casi, come in quello eolico o delle onde marine, non hanno un rendimento costante, con tutte le relative problematiche inerenti al loro più completo sfruttamento.

A proposito dell’energia eolica sono altresì conosciuti generatori ad oggi sfruttati esclusivamente per lo sfruttamento del vento, i quali sono del tipo sincrono ad eccitazione permanente, in presa diretta, che comportano notevoli vantaggi soprattutto se vengono sfruttati a basso numero di giri, tra i quali l’assenza del moltiplicatore di giri, l’utilizzo di pochi ed avanzatissimi componenti rotanti, una riduzione al minimo delle perdite meccaniche, una massimizzazione del rendimento, una grande affidabilità, un’elevata produzione di energia elettrica, minima usura e conseguente minima manutenzione.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si propone di mettere a disposizione una macchina per la produzione di energia elettrica del tipo a mulino che sia in grado di eliminare o quantomeno ridurre gli inconvenienti sopra evidenziati ed accorpare i vantaggi di un mulino ad acqua con bacino idrico di dislivello contenuto a quelli di un generatore di tipo eolico, ovvero a basso numero di giri, sinora mai utilizzato nei mulini ad acqua a bassa prevalenza.

L’invenzione si propone inoltre di fornire una macchina per la produzione di energia elettrica del tipo a mulino che sia di semplicissima realizzazione ma nel contempo in grado di sviluppare un notevole rendimento.

Ancora, l'invenzione si propone di mettere a disposizione una macchina per la produzione di energia elettrica che possa essere vantaggiosamente utilizzata in presenza di salti d'acqua di altezza limitata, indicativamente compresa tra 3-4m e 15-20m.

Ciò è ottenuto mediante una macchina per la produzione di energia elettrica a mulino, le cui caratteristiche sono descritte nella rivendicazione principale.

Le rivendicazioni dipendenti della soluzione in oggetto delineano forme di realizzazione vantaggiose dell’invenzione.

La rivendicazione descrive inoltre un procedimento di utilizzo di una macchina per la produzione di energia elettrica secondo la presente invenzione.

I principali vantaggi di questa soluzione, oltre a tutti quelli che derivano dalla semplicità costruttiva, riguardano innanzitutto il fatto che il sistema secondo l’invenzione non ha alcuna produzione di materiale solido di scarto, non produce radiazioni e non necessita di essere alimentato con minerali fossili, in quanto non deriva da processi di combustione.

Inoltre la macchina secondo l’invenzione consente di modulare la produttività della macchina stessa e di mantenerla costante nel tempo e sempre attiva.

Il costo di un eventuale impianto risulta assolutamente contenuto e la sua capacità produttiva ne permette un ammortamento velocissimo.

Il motore per la produzione di energia elettrica secondo l’invenzione è dunque sostanzialmente costituito da una macchina di produzione di energia di tipo a mulino comprendente un numero predeterminato di nastri trasportatori affiancati e collegati in parallelo alle pulegge di base, coassialmente ad un generatore di energia elettrica, ove ciascuna puleggia gestisce un nastro trasportatore con una pluralità di tazze poste a distanze regolari l’una dall’altra.

L’acqua viene prelevata da un bacino di monte posto ad altezza contenuta rispetto al livello di base dell’impianto e, tramite un sistema idraulico, viene caricata nelle tazze, in modo che a fine corsa venga scaricata a valle tramite opportuno sistema di apertura della tazza.

Il peso complessivo della linea di carico tazze, in funzione del loro riempimento d’acqua, è l’elemento propulsivo del nastro.

Peculiarità dell’invenzione risiede nel fatto che detto generatore di energia elettrica è costituito da una tipologia di generatori attualmente utilizzati esclusivamente in impianti eolici, ossia di tipo sincrono ad eccitazione permanente, in presa diretta, ovvero senza rapporti di riduzione o di moltiplicazione, i quali sono caratterizzati da una modalità di funzionamento a basso numero di giri, ciò che consente di sfruttare a pieno la bassa prevalenza; tali generatori sono altresì caratterizzati dall’assenza di un moltiplicatore di giri, e dalla presenza di pochi ed avanzatissimi componenti rotanti a basso numero di giri. Ove applicato, come proposto dalla presente invenzione, ad un mulino ad acqua, un tale generatore consente di ottenere una pluralità di vantaggi, da una riduzione al minimo delle perdite meccaniche, ad una massimizzazione del rendimento, ad una elevata affidabilità; tali vantaggi si concretizzano quindi in una elevata produzione di energia elettrica con una minima usura ed una altrettanto minima manutenzione.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Altre caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti, alla lettura della descrizione seguente di una forma di realizzazione dell’invenzione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con l'ausilio dei disegni illustrati nelle tavole allegate, in cui:

- la figura 1 rappresenta la vista schematica in alzato frontale del motore con mulino del tipo a ruota principale inferiore e ruote secondarie superiori secondo l’invenzione nel suo complesso; - la figura 2 è una vista schematica in alzato frontale di un motore con mulino del tipo a nastro obliquo secondo l’invenzione nel suo complesso;

- la figura 3 è uno schema laterale della macchina secondo l’invenzione vista di lato, evidenziando una coppia di nastri il cui comune albero di trasmissione del moto agisce sull’unità di generazione.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE Facendo riferimento alle figure allegate, la macchina per la produzione di energia secondo la presente invenzione è costituita da un mulino ad acqua realizzabile in varie versioni due delle quali vengono descritte di seguito.

Secondo una prima versione rappresentata in figura 1 ed indicata globalmente con 10, la macchina è del tipo a ruota principale inferiore 11 e ruote secondarie superiori 12, collegate tra loro da una struttura formata da un albero verticale 13 fissato solidamente a terra mediante fondazione propria, a cui è associata una traversa orizzontale 14 che forma con la struttura verticale una sorta di telaio a forma di “T”.

La struttura ad albero verticale 13, di altezza opportunamente variabile, costituisce da supporto per detta ruota principale inferiore 11, la quale ruota con centro di rotazione 15, posto in un punto opportuno sulla struttura verticale stessa.

Le ulteriori ruote superiori 12 sono poste sulle due estremità della traversa orizzontale 14 ed il loro centro di rotazione è collocato sulle estremità stesse della traversa.

Tra la ruota principale inferiore 11 e le ruote superiori 12, che sono disposte a coppie che si fronteggiano come visibile in figura 3, sono applicati rispettivi nastri trasportatori 16 lungo i quali sono disposte delle tazze 17 di raccolta fluido, incernierate lungo il nastro stesso a passo angolare costante.

La raccolta del fluido nelle tazze deve avvenire nel settore angolare di raccolta fluido compreso fra il punto morto superiore rappresentato dal culmine della ruota 12 e il punto morto inferiore della ruota principale inferiore 11 nella fase discendente delle tazze 17, considerando che nell’esempio illustrato il sistema ruota in senso antiorario.

L’acqua per il riempimento delle tazze 17 viene recuperata da un bacino idrico 18 ove il livello 19 del pelo dell’acqua è posto più in alto della quota zero rappresentata dal livello del terreno sul quale è posto l’impianto, ed in particolare l’impianto 10 è separato dal bacino idrico 18 da un muro di sostegno e contenimento 20 che determina un innalzamento del pelo dell’acqua sino alla quota di esercizio.

Sul bordo superiore del muro 20 è collocata una pluralità di pompe idrauliche (nel disegno è visibile la pompa 21) che pescano il liquido dal bacino 18 attraverso delle condotte 22 e lo immettono all'interno di vaschette 17 in fase discendente attraverso singoli condotti di erogazione 23, posti nel settore più in alto, uno per ogni tazza.

Il mantenimento costante del livello d’acqua del bacino idrico 18 consente che la portata delle pompe idrauliche 21 rimanga sostanzialmente fissa, così da mantenere contenuta l'energia necessaria per il loro funzionamento.

Dal punto di vista operativo le tazze 17, superato nel loro avanzamento il punto morto inferiore in seguito alla fase discendente di carico e di spinta, scaricano il fluido grazie alla presenza di un dispositivo di apertura a portello inferiore o laterale di scarico, e ritornano nella posizione di raccolta entro il punto morto superiore dopo aver percorso il settore angolare di salita scariche di fluido.

Il movimento della ruota principale inferiore 11 e contemporaneamente delle ruote superiori 12 è indotto dal momento generato dalla forza peso complessiva delle singole tazze 17 riempite di fluido lungo il settore di raccolta dalla pompa 21.

L’acqua è prelevata dal bacino di monte 18 e tramite un sistema idraulico è caricata nelle tazze 17 ed a fine corsa è scaricata a valle, con un opportuno sistema di apertura di scarico delle tazze.

Il peso complessivo della linea di carico tazze, in funzione del loro riempimento d’acqua, è l’elemento propulsivo del nastro. Grazie all’alternanza delle fasi di carico e scarico, si mantiene sempre una linea propulsiva per ogni nastro, generante una forza totale propulsiva somma delle componenti nella direzione del moto, del peso proprio dell’acqua di riempimento delle tazze che, in funzione del raggio della puleggia, attiva il momento di rotazione del nastro rispetto all’asse della puleggia di base.

Si genera così il movimento del singolo nastro, e contemporaneamente la rotazione dell’asse di collegamento delle pulegge di base e la rotazione del rotore del generatore e quindi la produzione di energia elettrica.

Secondo una caratteristica essenziale dell’invenzione, è previsto che in corrispondenza dell’asse di rotazione di una delle ruote, ad esempio della ruota 11, venga collegato un generatore di energia elettrica 24 di tipo particolare, ossia un generatore della tipologia di quelli utilizzati negli impianti eolici, ossia un generatore sincrono ad eccitazione permanente ed in presa diretta, a basso numero di giri, ad esempio un generatore rotante da circa 3 a circa 30 giri/min, sprovvisto di moltiplicatore di giri.

Risultati particolarmente interessanti potrebbero essere ottenuti mediante l'utilizzo del generatore modello LTW77 1.000 kW IIA della “LEITWIND” Spa di Vipiteno (BZ), del quale sono stati assunti i dati tecnici di catalogo pubblico per lo sviluppo del progetto, nonché al loro sistema di controllo e di conversione di frequenza, affinché l’impianto possa essere impiegato anche con reti deboli e instabili.

Ovviamente ciò non constituisce una limitazione dell'oggetto della presente invenzione, che può essere realizzata mediante generatori di altro tipo e con altre caratteristiche, purchè di tipo a basso numero di giri e sprovvisto di moltiplicatore di giri.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione, illustrata in figura 2, la macchina di produzione di energia elettrica secondo l’invenzione è del tipo a nastro e viene indicata con 25.

La macchina 25 di produzione energia con mulino a nastro comprende una struttura obliqua sottesa tra le estremità superiori di supporti verticali 26 e 27 aventi altezze diverse e fissati solidamente a terra mediante fondazione propria.

Le estremità superiori dei supporti verticali 26 e 27 aventi altezze diverse, costituiscono da supporto per una coppia di pulegge 28 e 29 tra le quali è sotteso un nastro trasportatore 30 continuo, composto di due linee, una linea di discesa e una linea di salita, considerando che nell’esempio illustrato il sistema anche in questo caso ruota in senso antiorario.

Al nastro trasportatore 30 sono collegate delle tazze 31 di raccolta fluido, incernierate allo stesso a passo costante. Le tazze 31 sono provviste di un dispositivo di apertura a portello inferiore o laterale di scarico.

Il nastro trasportatore 30 viene mantenuto in sede di lavoro mediante linee guida fissate alla struttura.

Anche in questo caso il livello del pelo dell’acqua da cui viene pescato il fluido è posto più in alto del livello del terreno sul quale è posto l’impianto, ed in particolare l’impianto è posto in corrispondenza del bacino idrico 18 da cui rimane separato da un muro di sostegno e contenimento 20 che determina un innalzamento del pelo dell’acqua al livello 19.

Sul bordo superiore del muro 20 sono collocate una o più pompe idrauliche 21 che pescano il liquido dal bacino 18 attraverso condotte 22 e lo immettono nelle vaschette 31 in fase discendente attraverso singoli condotti di erogazione 23, posti nel settore più in alto, uno per ogni tazza.

Questa disposizione a livello d’acqua innalzato del bacino idrico consente che la portata delle pompe idrauliche 21 rimanga piuttosto contenuta, così da limitare l’energia necessaria al loro funzionamento.

Superato il punto morto inferiore le tazze 31 vengono scaricate, essendo provviste di un dispositivo di apertura a portello inferiore o laterale di scarico.

Come si può notare, il movimento delle pulegge 28 e 29 del nastro trasportatore 30 su cui sono agganciate le tazze 31 è indotto dal momento generato dalla forza peso complessiva delle singole tazze 31 riempite di fluido lungo il settore di raccolta dalla pompa 21.

Il movimento del nastro trasportatore 30 è quindi indotto dal momento generato dalla forza peso complessiva delle singole tazze 31 riempite di fluido lungo la linea di discesa verticale del nastro trasportatore 30, tazze che sono poste ad una distanza opportuna dall’asse di rotazione delle pulegge.

Anche in questo caso le tazze 31, esaurita la corsa lungo la linea di discesa verticale, in seguito al passaggio dal punto morto inferiore (PMI) dalla puleggia di base 28, scaricano il fluido in esse contenuto, risalendo così vuote lungo la linea di salita, in quanto provviste di un dispositivo di apertura a portello inferiore o laterale di scarico.

Le tazze 31 giunte al punto morto superiore (PMS) della puleggia di testa 29, iniziano la fase di carico.

La puleggia di base 28 è opportunamente collegata allo stesso generatore di energia elettrica 24 illustrato in figura 3, che è opportunamente collegato direttamente all’asse della puleggia di base, ove detto generatore di energia elettrica 24 è costituito da un generatore della tipologia di quelli utilizzati negli impianti eolici, cioè di tipo sincrono ad eccitazione permanente, a basso numero di giri (ad esempio compresi tra 3 e 30 giri/min), in presa diretta e sprovvisto di dispositivo moltiplicatore di giri.

La macchina secondo l'invenzione, come precedentemente descritta, può essere vantaggiosamente utilizzata per la produzione di energia elettrica in presenza di salti d'acqua di altezza limitata, ad esempio compresi tra altezze di 3-4m e 15-20m.

Situazioni ambientali di questo genere sono facilmente presenti sul territorio e si apre così, grazie all'invenzione, una nuova possibilità di sfruttamento di piccoli salti d'acqua per la produzione di energia elettrica a basso costo. Una tale possibilità sarebbe impraticabile mediante gli impianti noti a turboalternatore, che richiedono novevoli salti d'acqua, grandi potenze installate e notevoli costi di predisposizione e mantenimento degli impianti stessi.

Per contro, l'impianto secondo l'invenzione è relativamente poco costoso e può agevolmente essere ammortizzato nel tempo, consentendo di ottenere energia elettrica in modo sostanzialmente pulito ed a basso costo.

L’invenzione è stata precedentemente descritta con riferimento ad una sua forma di realizzazione preferenziale. Tuttavia è chiaro che l’invenzione è suscettibile di numerose varianti che rientrano nel proprio ambito, nel quadro delle equivalenze tecniche.

Può essere ad esempio previsto che la macchina disponga di un numero qualsivoglia di nastri sui quali siano disposte le tazze di raccolta fluido.

Claims (6)

1. Titolo: “MACCHINA PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA, NONCHE' USO DI TALE MACCHINA IN PRESENZA DI SALTI D'ACQUA DI ALTEZZA LIMITATA PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA” RIVENDICAZIONI 1. Macchina per la produzione di energia elettrica a mulino (10) del tipo a due o più ruote (11, 12; 28, 29) collegate tra loro tramite un nastro (16; 30) lungo il quale sono disposti dei recipienti o tazze (17, 31) di raccolta acqua, collegati lungo il nastro stesso a passo angolare costante, in cui la raccolta dell'acqua nei detti recipienti avviene in un settore angolare di raccolta acqua compreso fra il culmine della ruota superiore e la porzione più bassa della ruota inferiore (11, 28) nella fase discendente dei recipienti (17, 31), nel caso in cui il sistema ruoti in senso antiorario, ed in cui l’acqua per il riempimento dei recipienti (17, 31) viene recuperata da un bacino idrico (18) in cui il livello (19) del pelo dell’acqua è posto più in alto della quota zero rappresentata dal livello del terreno sul quale è posto l’impianto, comprendente inoltre una o più pompe idrauliche (21) che pescano l'acqua dal detto bacino (18) attraverso rispettive condotte (22) e lo immettono nei detti recipienti (17) in fase discendente attraverso singoli condotti di erogazione (23), in cui i detti recipienti (17, 31), superato nel loro avanzamento il punto morto inferiore in seguito alla fase discendente di carico e di spinta, scaricano l'acqua in essi contenuta e ritornano nella posizione di raccolta, detta macchina essendo caratterizzata dal fatto che in corrispondenza dell’asse di rotazione di una delle ruote (12, 15, 28, 29) viene collegato un generatore di energia elettrica (24) di tipo sincrono ad eccitazione permanente ed in presa diretta, a basso numero di giri e sprovvisto di dispositivo moltiplicatore di giri.
2. 2. Macchina per la produzione di energia elettrica a mulino (10) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che l’impianto è separato dal bacino idrico (18) da un muro di sostegno e contenimento (20) che determina un innalzamento del pelo dell’acqua sino ad una quota di esercizio.
3. 3. Macchina per la produzione di energia elettrica a mulino (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il detto generatore ruota ad un numero di giri al minuto compreso tra 3 e 30, vantaggiosamente tra 18 e 24.
4. 4. Macchina per la produzione di energia elettrica a mulino (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che ciascun recipiente è dotato di un dispositivo che consente di svuotare il recipiente stesso dall'acqua in esso contenuta.
5. 5. Macchina per la produzione di energia elettrica a mulino (10) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che ciascun recipiente comprende un portello inferiore o laterale la cui apertura viene comandata per svuotare detto recipiente dall'acqua in esso contenuta.
6. 6. Uso di una macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti per la produzione di energia elettrica in corrispondenza di salti d'acqua di altezza limitata, compresi tra 3m e 20m.