ITPI20090096A1 - Aerogeneratore con rotore a flusso interno libero - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Campo tecnico a cui l’Invenzione si riferisce

L’invenzione riguarda una macchina adibita allo sfruttamento dell’energia posseduta da una massa fluida in movimento (ad esempio aria o acqua). In particolare, l’invenzione può essere applicata per la realizzazione di aerogeneratori con rotore ad asse verticale (Figura 1a e Figura 1b).

Come noto gli aerogeneratori sono ampiamente usati per produrre energia elettrica grazie alla trasformazione dell’energia meccanica del rotore messo in movimento dal flusso di aria che lo investe. Il rendimento di un aerogeneratore, definito come rapporto tra la potenza meccanica all’asse del rotore e la potenza della massa fluida che investe il rotore stesso, dipende dalla configurazione del rotore medesimo: l’invenzione consente di aumentare questo rendimento rispetto a macchine convenzionali esistenti.

Corrispondente stato dell’arte e aspetti tecnici da migliorare Negli aerogeneratori, la trasformazione della energia cinetica del fluido in energia meccanica viene ottenuta facendo impattare il fluido stesso contro le superfici portanti della macchina (pale). Le attuali configurazioni di aerogeneratori ad asse verticale, nelle soluzioni ingegneristiche ad oggi disponibili, presentano rendimenti generalmente non superiori al 35% (es. Savonius Rotor, Darrieus Rotor, H-Rotor), mentre le più moderne macchine ad asse orizzontale sono realizzate con rotori che hanno rendimenti generalmente più elevati (45%÷50%). In questi ultimi, tuttavia, gli elementi portanti, che sono tipicamente costituiti da pale diritte o svergolate, presentano problemi di stabilità strutturale (che aumentano al crescere delle dimensioni delle pale) che ne influenzano le prestazioni: alle alte velocità del vento viene infatti ridotto il passo delle pale per evitare sovrasollecitazioni dinamiche, a discapito della produttività della macchina stessa. Infine i gradienti di pressione che si producono sulla pala lungo la sua estensione, ed in particolare nella zona della estremità libera, sono causa di una non trascurabile rumorosità.

Vantaggi dell’invenzione

Nell’aerogeneratore oggetto dell’invenzione, la corrente fluida che impatta contro le pale del rotore subisce una prima deviazione, per poi proseguire liberamente all’interno del rotore ed infine, impattando contro le pale posteriori, subisce una seconda deviazione: la deviazione della corrente fluida e’ correlata alle forze di portanza che si generano sulle pale portanti del rotore (Figura 2).

Il meccanismo fisico di funzionamento dell’aerogeneratore oggetto dell’invenzione e’ simile a quello delle turbomacchine classificate come macchine dinamiche o macchine a flusso continuo.

La ripetuta interazione della corrente fluida con la schiera delle pale del rotore, consente di aumentare la quantità di energia trasferita dalla massa fluida al rotore e permette di ottenere un rendimento fluidomeccanico più elevato rispetto alle macchine convenzionali oggi esistenti. Infatti, per le configurazioni rotoriche in oggetto, non e’ applicabile il ben noto risultato della teoria di Betz che fissa il valore massimo del rendimento aeromeccanico raggiungibile da una turbina eolica. Nella teoria citata, si fa riferimento ad una superficie di discontinuità (il disco del rotore: di spessore pressocche’ nullo) attraverso la quale si verifica il salto di pressione responsabile del trasferimento energetico tra mass fluida e turbina mentre, nel caso presente, la massa fluida che sostiene il movimento del rotore occupa, neH’unita’ di tempo, un volume corrispondente di fatto allo spazio tridimensionale occupato dal rotore: per questo motivo e’ lecito supporre che il rendimento massimo indicato dalla teoria di Betz possa essere superato con la configurazione rotorica oggetto dell’invenzione. La particolare configurazione delle pale del rotore, che possono avere passo ed inclinazione variabile (anche a seconda della loro posizione rispetto alla direzione della corrente fluida) ed essere realizzate con profilo aerodinamico variabile tramite l'impiego di superfici mobili anteriori e/o posteriori (Figura 3a e Figura 3b), consente di aumentare ulteriormente il rendimento.

Il fissaggio delle pale ad entrambe le estremità in corrispondenza di due “paratie†(come mostrato in Figura 1a e in Figura 1b), consente di ottenere una struttura rigida e robusta, riproducibile sia in piccole che in grandi dimensioni, essendo ridotti i problemi di instabilità aeroelastica.

La produzione di rumore di natura aerodinamica à ̈ più bassa rispetto alle configurazioni tradizionali, in quanto i gradienti di pressione e di velocità lungo l’asse delle pale sono ridotti.

Il valore elevato del rendimento e la sua costanza per un ampio intervallo di velocità del vento, permette di ottenere macchine che hanno una maggiore continuità della produzione di energia anche a bassi valori di velocità del vento (3-4 m/s).

Per come à ̈ costituito, il rotore della macchina, oggetto dell’invenzione, à ̈ auto-awiante, non richiede cioà ̈ l'applicazione di una coppia esterna per dare inizio al moto di rotazione.

La possibilità di modificare in maniera dinamica la geometria del rotore variando il passo, l’inclinazione ed il profilo delle pale, modificando la superficie resistente investita dalla corrente fluida, permette di operare anche in condizioni di vento estreme che viceversa risultano proibitive per le macchine tradizionali esistenti sul mercato.

Per aumentare il rendimento fluidomeccanico in prossimità del rotore può essere installato un sistema auto-orientante realizzato con apposite superfici sagomate che mette in ombra le pale che tendenzialmente si oppongono al moto di rotazione (Figura 6).

Descrizione di alcuni modi di realizzare l’invenzione con riferimento ai disegni

Aeroqeneratore con rotore a flusso interno libero: la Figura 1a e la Figura 1 b, riportano, rispettivamente, la vista di assieme della macchina oggetto dell’invenzione per due diverse configurazioni: la prima con l’apparecchiatura per la generazione dell’energia elettrica posizionata in prossimità del rotore stesso (per macchine piccole) con impiego contemporaneo o meno di uno o più generatori elettrici, la seconda con l’apparecchiatura per la generazione dell’energia elettrica posizionata in prossimità della base dell’aerogeneratore (per macchine più grandi).

Più in dettaglio, facendo riferimento alla Figura 1a si ha: (1) Pale del Rotore, (2) Paratia Inferiore, (3) Paratia Superiore, (4) Coperchio Carenato, (5) Distanziale, (6) Ruota Dentata, (7) Albero, (8) Gruppo di Supporto del Rotore, (9) Gruppo Generatore Elettrico, (10) Supporto Generatore Elettrico, (11) Involucro Carenato, (12) Torre - struttura tubolare o struttura a traliccio, (13) Quadro di Controllo e Interfaccia con la Rete Elettrica, (14) Basamento.

Mentre, facendo riferimento alla Figura 1 b si ha: (1) Pale del Rotore, (2) Paratia Inferiore, Paratia Superiore, (4) Coperchio Carenato, (5) Masse di Bilanciamento, (6) albero, (7) Gruppo di Supporto del Rotore, (8) Involucro Carenato, (9) Prte Superiore della Torre, (10) Giunto, (11) Supporto del Freno di Sicurezza, (12) Freno di Sicurezza, (13) Moltiplicatore di Giri Epicicloidale, (14) Gruppo Generatore Elettrico, (15) Parte Inferiore della Torre con Portello di Accesso Smontabile, (16) Quadro di Controllo e Interfaccia con la Rete Elettrica, (17) Basamento.

Principio di funzionamento: la Figura 2 mostra il principio di funzionamento del rotore, parte principale dell’invenzione, che consiste nella generazione di una coppia motrice ottenuta grazie all’azione delle forze di portanza che si sviluppano sulle pale. Tali forze di portanza sono correlate alla deviazione della corrente fluida (e quindi alla variazione della quantità di moto del flusso) che si verifica sia all’esterno che all’interno del rotore stesso.

Profilo delle pale: il profilo delle pale può essere fisso (Figura 3a) oppure modificabile nella parte anteriore, nella parte posteriore o in entrambe (Figura 3b), analogamente a quanto realizzato nelle ali di velivoli. La curvatura può essere fatta variare tramite un sistema di regolazione, inserito nelle due paratie di estremità, che aziona le eventuali superfici mobili anteriore (slat) e posteriore (flap).

Geometria del rotore: il rotore dell’aerogeneratore oggetto dell’invenzione si compone di una schiera di pale (Figura 4a) caratterizzate da passo, inclinazione e profilo fissi o variabili, opportunamente disposte in modo circonferenziale attorno all’asse di rotazione del rotore stesso. Le pale sono fissate nell’estremità superiore (quella più lontana dal resto della macchina sulla quale il rotore à ̈ montato) ed inferiore (quella più vicina al resto della macchina sulla quale il rotore à ̈ montato) a due “paratie†(Figure 4b, 4c) che possono essere realizzate con due elementi piatti oppure convessi nella parte interna al rotore, per accelerare il flusso del fluido interno al rotore stesso. La paratia inferiore à ̈ collegata ad una struttura che si interfaccia con la torre del rotore: essa à ̈ solidale con l’albero di trasmissione della macchina, oppure trasmette il moto al sistema di generazione elettrica, attraverso un collegamento meccanico, ad esempio a cinghia o con ruota dentata. La parte interna del rotore à ̈ libera. Il collegamento tra il rotore e la torre à ̈ realizzata attraverso elementi che consentono la rotazione del rotore stesso. Il rotore può avere forma cilindrica (Figure 4a, 4b e 4c già’ citate) realizzato con pale di forma cilindrica (asse delle pale rettilineo e sezione dei profili simile per tutto lo sviluppo della pala) o rastremata; forma tronco-conica (Figure 4d, 4e, 4f), sferica (Figure 4g, 4h), semisferica (Figure 4i, 41, 4m). Le pale possono essere diritte o svergolate, anche in funzione della geometria del rotore.

Passo e inclinazione delle pale: il rotore può essere composto da pale a passo fisso oppure variabile. Il passo, o calettamento, può essere fatto variare in maniera ciclica in modo da avere una orientazione diversa da pala a pala lungo la circonferenza, oppure può essere variato in maniera uniforme per tutte le pale. Il passo delle pale può essere fatto variare, ad esempio, in funzione della velocità di rotazione del rotore o in funzione della velocità del vento. Nelle Figura 5a e Figura 5b sono indicate due possibili soluzioni per il controllo del passo delle pale. Infine, rispetto all’asse del rotore le pale possono avere inclinazione fissa o variabile. L’inclinazione delle pale può essere controllata da un sistema di regolazione, ad esempio in funzione della velocità del vento. Per renderne possibile la variazione di passo e/o di inclinazione le pale del rotore vengono montate su barre di supporto che insieme alle paratie di estremità realizzano una struttura portante chiusa (scheletro del rotore) rappresentata schematicamente nel caso di un rotore di forma cilindrica nella Figura 5c.

Statore: per aumentare il rendimento fluidomeccanico, in prossimità del rotore può’ essere installata una superficie statorica sagomata e auto-orientante con la direzione del vento, per la schermatura parziale delle pale resistenti (Figura 6).

Claims (10)

1. SET DI RIVENDICAZIONI EMENDATO SENZA SEGNI 1 Un aero-generatore comprendente un rotore con corrente fluida interna libera, il rotore comprendendo: • Una paratia inferiore (2); • Una paratia superiore (4) sovrapposta ad una predeterminata distanza dalla paratia inferiore; • Una schiera di pale (1) interposte tra la paratia superiore (4) e la paratia inferiore (2) in modo tale da formare una camera interna libera da elementi strutturali in modo tale da lasciare libero da ostacoli il flusso del fluido all'interno del rotore, e tale per cui il flusso entrante viene deviato una prima volta da una porzione della palettatura anteriore ed una seconda volta da una porzione della palettatura posteriore che risulta anche essa portante in modo tale che detta doppia deviazione del flusso si traduce in una spinta circonferenziale che si sviluppa sulle pale attive realizzando una coppia motrice e tale per cui non à ̈ richiesta l'azione di una coppia esterna di avviamento; • dette pale avendo un profilo curvo aerodinamico comprendente un bordo di uscita a punta di coltello ed un bordo di attacco stondato; • Caratterizzato dal fatto che le pale sono arrangiate secondo una inclinazione tale da generare portanza quando investite dal flusso entrante ed uscente dalla camera e con il bordo di uscita a coltello rivolto verso l'esterno della camera interna .
2. 2. Un aero -generatore , in accordo alla rivendicazione 1, in cui le pale (1) possono essere a scelta: • A passo fisso; • A passo variabile;
3. 3. Un aero-generatore, in accordo alla rivendicazione 2, in cui, nel caso di pale a passo variabile, detto passo può essere variato uniformemente per tutta la schiera di pale o non uniformemente, al variare cioà ̈ della posizione che ogni pala assume periodicamente durante il moto di rotazione del rotore.
4. 4. Un aero-generatore, secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui il passo può essere variato attraverso un accoppiamento ruota dentata-corona o attraverso opportuni martinetti.
5. 5. Un aero-generatore, secondo una o più rivendicazioni dalla 2 alla 4, in cui le pale vengono montate su barre di supporto vincolate alla paratia superiore ed alla paratia inferiore.
6. 6. Un aero-generatore, secondo la rivendicazione 1, in cui l'asse di ciascuna pala può a scelta avere inclinazione costante o variabile.
7. 7. Un aero-generatore, secondo la rivendicazione 1, in cui le pale possono avere profilo variabile o costante e, nel caso di profilo variabile, questo viene variato attraverso elementi mobili anteriori (slat), posteriori (flap) o entrambi.
8. 8. Un aero-generatore, secondo la rivendicazione 1, in cui la superficie interna delle paratie (2, 4) connesse con le pale possono essere a scelta piane oppure opportunamente sagomate in modo tale da restringere la sezione interna del rotore ed accelerare il flusso.
9. 9. Un aero-generatore, secondo la rivendicazione 1, in à ̈ previsto uno statore realizzato con superfici sagomate in modo tale da risultare di tipo auto-orientante con la direzione del vento e configurato in modo tale da schermare le pale resistenti.
10. 10. Un aero-generatore, secondo la rivendicazione 1, in cui sono previste apparecchiature per la generazione dell'energia elettrica posizionabili in prossimità della base dell'aero-generatore nel caso di aerogeneratori di grandi dimensioni oppure in prossimità del rotore stesso in aero-generatori più piccoli, con l'impiego di uno o più generatori elettrici anche contemporaneamente.