ITPI20130046A1

ITPI20130046A1 - Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale

Info

Publication number: ITPI20130046A1
Application number: IT000046A
Authority: IT
Inventors: Antonio Chiodo
Original assignee: Antonio Chiodo
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2013-08-28
Also published as: WO2014191949A1; EP3063403B1; EP3063403A1

Description

3. DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE AVENTE PER TITOLO:

"Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale"

a) GENERALITÃ€

La presente invenzione Ã ̈ un sistema innovativo per la regolazione dell ' angolo con cui le pale di una turbina eolica ad asse verticale si posizionano, durante il moto di rivoluzione attorno all 'asse di rotazione della turbina, in funzione della direzione del vento incidente.

Allo stato attuale non risultano sistemi per la regolazione dell ' angolo con cui le pale di una turbina ad asse verticale affrontano il vento. Diversamente, sono descritti diversi s istemi per la regolazione dell'angolo di attacco per turbine eoliche ad asse orizzontale (Horizontal axis wind turbines - HA WT), anche se in quest 'ultimo caso la regolazione dell'angolo viene effettuata in funzione della velocitÃ del vento incidente e della velocitÃ di rotazione delle pale, ma non in funzione della direzione del vento incidente. In quest'ultimo caso, per sopperire alla variabilitÃ della direz ione del vento, viene fatto ruotare tutto l insieme della turbina ad asse orizzontale in modo da posizionarlo con la "faccia" esposta al vento. Data la rapiditÃ con cui il vento cambia direzione e data l' inerzia delle turbine ad asse orizzontale (specialmente per quelle di grandi dimensioni) tale regolazione non riesce ad essere perfettamente iD linea con il funzionan1ento ottimale per tali turbine, ciÃ² si manifesta in modo evidente nei casi di estrema variabilitÃ della direzione del vento come ad esempio nel caso di venti vorticosi.

Nel caso di una turbina eolica ad asse orizzontale le velocitÃ , dei vari punti della pala che affronta il vento, varieranno in funzione della distanza dall'asse di rotazione della turbina (esse saranno tanto piÃ¹ grandi quanto piÃ¹ distanti da tale asse (i punti posti all'estremitÃ delle pale gireranno piÃ¹ velocemente che i punti in prossimitÃ dell'asse di rotazione). In questo caso la regolazione dell'angolo di attacco viene effettuata per cercare di ottimizzare la posizione che il profilo della pala eolica assume in funzione della sua posizione lungo la lunghezza della pala, della velocitÃ di rotazione della pala stessa e della velocitÃ del vento incidente.

Nel caso di una turbina eolica ad asse verticale (VAWT) con pale eoliche disposte verticalmente rispetto ad un asse ed equidistanti da esso, durante la rotazione, i vari punti della pala, mantengono la stessa velocitÃ di rotazione, trovandosi tutti alla stessa distanza (a meno dello spessore della pala) dall'asse di rotazione. In questo ultimo caso non Ã ̈ necessaria una regolazione che tenga conto delle diverse velocitÃ lungo la pala, come richiesto nel caso delle turbine ad asse orizzontale, proprio perchÃ© non ci sono differenze di velocitÃ lungo la lunghezza della pala.

Ãˆ interessante osservare che, durante la rotazione delle pale verticali intorno all'asse di rotazione della turbina, ci saranno dei settori del cilindro descritto dal moto di rotazione delle pale in cui le stesse forniranno un maggiore o minore contributo alla rotazione della turbina.

PiÃ¹ in particolare, anche se le VAWT sono indipendenti dalla direzione del vento incidente, si puÃ² pensare di intervenire sull 'angolo di attacco della pala in funzione della posizione che la pala assume durante la rotazione nei 360 gradi descritti. Ci saranno dei settori in cui la pala fornisce una maggiore "spinta" per la rotazione e dei settori in cui tale spinta Ã ̈ minore.

b) DESCRIZIONE

La descrizione del sistema che permette la variazione dell'angolo di attacco durante la rivoluzione delle pale attorno all'asse di rotazione della turbina viene di seguito esplicitata per una turbina eolica ad asse verticale con un numero di pale pari a 3; in tal caso il sistema Ã ̈ composto da tre insiemi di ruote dentate, alberi a gomito, cremagliere e tiranti, ognuno per ogni pala della turbina. Si specifica che il sistema descritto puÃ² essere esteso ad un numero diverso di pale, avendo indicato in tre pale un esempio esplicativo dell 'applicazione.

Il sistema inventato Ã ̈ rappresentato (per tre pale) in vista piana nel disegno fig. 1, in vista prospetti ca nel disegno fig . 2, e nei particolari nei disegni da fig. 3 a fig. 14.

La legenda utilizzata nei disegni da fig . 1 a fig. 14 Ã ̈ la seguente:

1. Asse di rotazione dell 'albero della turbina;

2. Albero ruotante della turbina;

3. Ruota motrice 3 avente asse di rotazione in 1 ;

4. Ruote condotte 4 aventi asse di rotazione in 10;

5. Ruote condotte 5, dotate di albero a gomiti, avente asse di rotazione in Il e con piede di biella incernierato in 12;

6. Semiruote a cremagliera aventi asse di rotazione in 14 e sede per testa di biella in 13;

7. Alberi di comando per tiranti di regolazione dell ' angolo di attacco; tali alberi, azionati dalle semiruote a cremagliera 6, hanno asse di rotazione in 15 ;

8. Ruota esterna 8, avente lo stesso asse di rotazione dell'albero della turbina 1 , ma indipendente dal moto di quest'ultima, ruotante su un cuscinetto fissato sulla struttura non ruotante e portante dell'albero di turbina; tale ruota si attiva ogni volta che il vento cambia direzione e ruota di un angolo uguale all'angolo compreso nel cambiamento di direzione del vento.

L'attivazione della ruota 8 Ã ̈ provocato o da timoni direzionali meccanici o da ruota esterna di regolazione asservita da motore elettrico e dispositivo elettronico;

9. Ruota esterna di regolazione per la ruota 8, asservita da motore elettrico e comandata da un dispositivo elettronico che in funzione della direzione del vento e della velocitÃ di rotazione della turbina pemlette la rotazione della ruota 8 attorno ad 1;

10. Asse di rotazione di 4;

11. Asse di rotazione di 5;

12. Asse piede di manovella;

13. Asse testa di manovella;

14. Asse di rotazione semiruota a cremagliera 6;

15. Asse di rotazione albero di comando 7;

16. Braccio di supporto fissato solidalmente all'albero rotante della turbina ed a servizio delle ruote 4;

17. Braccio di supporto fissato solidalmente all'albero rotante della turbina ed a servizio delle ruote 5 e 6 e degli alberi di comando 7;

18. Struttura portante l'albero ruotante della turbina.

Di seguito si descrive il funzionamento dei vari componenti nelle loro possibilitÃ di movimento;

â€¢ Una ruota dentata di raggio r (ruota motrice 3) Ã ̈ solidalmente fissata all'albero ruotante della turbina (asse di rotazione coincidente con l'asse di rotazione della turbina) e ruota con la stessa velocitÃ Ï‰tdella turbina stessa, come rappresentato nel disegno fig. 3;

Tre ruote dentate (ruote condotte 4) di raggio r , pari a quello della ruota motrice 1 , hanno tre assi di rotazione su tre supporti (16), solidali all'albero ruotante della turbina, ad una di stanza r+ 1/2r; rappresentate nel disegno fig. 4;

Le tre ruote dentate (ruote condotte 4) sono provviste di dentatura sia esternamente che internamente ed ingranano con la propria dentatura esterna sia con la ruota motrice 3 che con una ruota dentata (ruota esterna 8) avente lo stesso asse di rotazione dell'albero ruotante della turbina, ma non fissata solidalmente a tale albero, piÃ¹ precisamente, tale, ruota esterna 8 (avente raggio pari a 2r) ha la possibilitÃ di ruotare indipendentemente dalla rotazione dell'albero della turbina, avendo tale ruota 8 il proprio cuscinetto di rotazione fissato dalla parte interna sul suppOlio fisso (non ruotante) dell'albero della turbina e sulla parte esterna con la ruota 8 stessa, come rappresentato nel disegno fig. 5.

La posizione che tale ruota esterna 8 assume Ã ̈ funzione della direzione del vento incidente, essa ruoterÃ quando il vento cambia di direzione (ciÃ² puÃ² essere ottenuto o mediante il trascinamento rotatorio effettuato da una ruota servo-motorizzata 9 (a sua volta azionata da dispositivo elettronico, che rileva la direzione del vento e la velocitÃ di rotazione della turbina, permettendo l'orientamento della ruota 8 ) o mediante il trascinamento rotatorio da parte di timoni direzi onali (18) fissati al la struttura della ruota 8 in modo da permettere l'auto-orientamento spontaneo di tipo aerodinamico senza l'ausilio di servomotori, come rappresentato nel disegno fig . 7.

Il disegno fig. 6 rappresenta l 'insieme delle ruote 3 - 4 - 8 -9, l'albero di rotazione della turbina (2) e l'albero di supporto strutturale (18);

Le tre ruote dentate (ruote condotte 4) possono ruotare attorno ai propri assi di rotazione (assi 10, i quali sono stabilmente individuati su dei supporti (supporti 16) che ruotano solidalmente con l'albero di turbina). PiÃ¹ in particolare, i diversi punti delle ruote condotte 4 possono godere di due diversi tipi di movimento: il primo di rotazione attorno agli assi 10 ed il secondo di rivoluzione attorno all'asse principale di turbina l, cosÃ¬ come rappresentato nel disegno fig. 4.

Specificando piÃ¹ in dettaglio, si puÃ² osservare che: quando la ruota esterna 8 Ã ̈ ferma, cioÃ ̈ quando il vento mantiene la stessa direzione senza cambiare, le ruote condotte 4 sono costrette a ruotare intorno ai propri assi 10 e contemporaneamente sono trascinate nel moto di rivoluzione intorno all'asse di turbina l. Le ruote 4 hanno in effetti tre vincoli:

a) I denti delle ruote 4 ingranano permanentemente con i denti della ruota motrice 1 e risentono degli effetti della rotazione di quest'ultima attorno all'asse di turbina 1;

b) Gli assi di rotazione delle ruote 4 sono stabilmente individuati in 10;

c) I denti delle ruote 4 ingranano permanentemente con i denti della ruota esterna 8 (oltre che con la ruota motrice 1);

Si possono cosi individuare due tipologie di movimento durante la rotazione principale della turbina in funzione di quanto avviene alla ruota 8. Nel primo caso: ruota 8 ferma (cioÃ ̈ il vento non cambia direzione) le ruote condotte 4 sono costrette a motare intorno ai propri assi 10 e contemporaneamente sono trascinate nel moto di rivoluzione intorno all'asse di turbina L Nel secondo caso: ruota 8 ruotante attorno ad 1 (cioÃ ̈ il vento cambia direzione e la ruota 8 si auto-orienta in funzione della nuova direzione del vento (attraverso ruota con servomotore asservito a dispositivo elettronico o mediante l'impiego di timoni direzionali)) si puÃ² osservare che, durante il moto rotatorio della 8 attorno ad 1 (con la stessa velocitÃ di rotazione della turbina Ï‰t) , tutto l 'insieme 2 - 3 - 4 - 16 - 8 ruota attorno ad 1 ed in questo caso le ruote condotte 4 saranno interessate dal solo movimento di rivoluzione attorno ad 1, mentre sarÃ nullo il movimento di rotazione attorno a 10.

In definitiva si distinguono due casi di funzionamento: il primo in cui la ruota 8 Ã ̈ ferma e le ruote 4 ruotano attorno agli assi 10 oltre al movimento di rivoluzione attorno ad 1 ed il secondo in cui la ruota 8 Ã ̈ interessata dal moto di rotazione attorno ad 1 ed in questo movimento le ruote 4 sono ferme rispetto agli assi 10, ma sono interessate dal movimento di rivoluzione attorno ad 1.

Oltre le ruote 3 e 4 si aggiungono, ai fini del funzionamento del sistema, le ruote condotte 5 aventi asse di rotazione in Il , stabilmente individuati sui bracci di supporto 17 (fissati sull'albero di rotazione della turbina 2). Tali ruote 5 sono dotate di dentatura sulle superfici esterne e di biella, avente piede in 12 e testa di biella in 13. La corsa di tale biella viene individuata nel doppio della manovella, infatti , avendo fissato la corsa di tale biella pari alla distanza tra gli estremi che devono essere raggiunti dalle pale di turbina nel loro posizionamento tra due valori di angolo di attacco (cfr disegno fig. 8), il manovellismo di spinta rotativo permette alle pale di turbina di assumere i valori di angolo di attacco compresi tra il valore minimo (quando la biella Ã ̈ al suo punto morto inferiore) ed il valore massimo (quando la biella Ã ̈ al suo punto morto superiore) di tale angolo. â€¢ Le ruote condotte 5 sono rappresentate nei disegni fig. 9 - 10 e 11; â€¢ Le dimensioni delle ruote condotte 5 sono in stretta relazione con le dimensioni delle ruote condotte 4 , dal rapporto tra i diametri delle ruote si evince il rapporto tra i numeri di giri delle stesse.

L'individuazione del rapporto tra le ruote 4 e le ruote 5 permette di individuare il numero di volte in cui (durante un giro completo della turbina) viene variato l'angolo d'attacco delle pale. A titolo di esempio si consideri una ruota 5 con un diametro pari ad 1/6 del diametro della ruota 4, ciÃ² implica che per la ruota 5 il numero di giri al minuto sarÃ 6 volte il numero di giri al minuto della ruota 4 ed, ancora piÃ¹ in particolare, quando la ruota 4 avrÃ completato un giro (corrispondente ad un giro della turbina) la ruota 5 corrispondente avrÃ completato sei giri. Quanto su esposto si traduce nel suddividere il cilindro circoscritto dalla rotazione in un numero di settori pari al rapporto di trasmissione tra le ruote 4 e le ruote 5; nell'esempio precedente (rapporto di trasmissione pari a 6) si individuano sei settori in cui l'angolo d'attacco varia tra il valore mimmo ed il valore massimo, come rappresentato nel disegno fig .12.

â€¢ Come precedentemente espresso, le ruote 5 sono dotate di bielle attraverso le quali il moto rotatorio posseduto viene convertito in moto alternativo e trasferito alle semi ruote a cremagliera 6 (aventi sede delle teste di biella in 13 ed asse di rotazione in 14).

â€¢ Le semiruote a cremagliera 6 oscilleranno, attorno all'asse 14, per una lunghezza pari alla corsa della bielle e cioÃ ̈ per una lunghezza tale da soddisfare la variazione dell'angolo di attacco delle pale dal valore minimo al valore massimo.

â€¢ La variazione di tale angolo sarÃ otteouta mediante l'azione che le semiruote a cremagliera 6 effettuano sugli Alberi di comando 7 per i tiranti di regolazione dell'angolo di attacco. Questi ultimi alberi di comando possono essere considerati come una sorta di "avvolgitori -svolgitori" dei tiranti che regolano la posizione delle pale di turbina e di conseguenza dell'angolo di attacco. Su di essi si avvolgerannosvolgeramlo i tiranti che servono per "aprire-chiudere" le pale della turbina.

Claims

Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale caratterizzato da un sistema di ruote dentate, di alberi a gomito e di cremagliere nonchÃ© di un sistema di tiranti tale da permettere la variazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale (VAWT).
2. Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto in cui una delle ruote dentate Ã ̈ saldamente connessa con lâ€™albero di rotazione della turbina e ruota con la stessa velocitÃ di rotazione della turbina.
3. Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di avere delle ruote dentate aventi sia un moto di rotazione attorno al proprio asse, sia un moto di rivoluzione attorno allâ€™asse della turbina.
4. Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di avere degli alberi a gomito, azionati dal moto di rotazione della turbina, tali da convertire il moto rotatorio in moto alternativo.
Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di avere delle cremagliere tali da trasmettere il moto alternativo a degli alberi di comando per tiranti di regolazione dellâ€™angolo di attacco delle pale della turbina.
6. Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di avere degli alberi di comando, per dei tiranti di regolazione dellâ€™angolo di attacco delle pale di una turbina eolica, aventi un moto di rivoluzione attorno allâ€™asse della turbina ed un moto di rotazione attorno al proprio asse individuato su un piano perpendicolare allâ€™asse di rotazione della turbina.
7. Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di avere dei tiranti che, azionati su una estremitÃ da alberi di comando, permettono lâ€™apertura e la chiusura delle pale di turbina.
8. Sistema per la regolazione dell'angolo di attacco delle pale di una turbina eolica ad asse verticale secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di avere una ruota dentata di regolazione avente lo stesso asse di rotazione dellâ€™albero della turbina, ma indipendente dal moto di questâ€™ultima, ruotante quando il vento cambia direzione con lo stesso angolo compreso nel cambiamento di direzione del vento.