ITTO20110251A1 - Sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica attraverso il volo di profili alari di potenza vincolati a terra da cavi di lunghezza fissa, privo di fasi passive e adattante in modo automatico alle condizioni del vento - Google Patents

Description

“Sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica attraverso il volo di profili alari di potenza vincolati a terra da cavi di lunghezza fissa, privo di fasi passive e adattante in modo automatico alle condizioni del ventoâ€

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica che sfrutta il moto alternato, lungo un determinato percorso, di una unità posta a terra e trainata da un profilo alare di potenza. Detto profilo alare à ̈ vincolato all’unità di terra da almeno un cavo ed à ̈ controllato in modo automatico da un opportuno sistema di controllo. Il cavo o i cavi che collegano l’unità di terra al profilo alare sono di lunghezza fissa durante il normale funzionamento del sistema. Il sistema di conversione à ̈ in grado di adattarsi in modo automatico, cambiando opportunamente il percorso dell’unità di terra, alle variazioni di direzione del vento, in modo da ottimizzare la produzione di energia. Il percorso dell’unità di terra viene proposto in due possibili forme, di segmento di linea retta ovvero di arco di cerchio, ma può essere in generale di forme varie.

La presente invenzione si riferisce inoltre ad una strategia di regolazione ottimale, in base all’intensità del vento in funzione dell’altezza dal livello del suolo, della lunghezza dei cavi per detto sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica o meccanica.

La presente invenzione si riferisce altresì ad un sistema per applicare il suddetto sistema di conversione e le precedenti innovazioni in ambito marino, in particolare per sfruttare il vento off-shore.

La presente invenzione si riferisce altresì ad una strategia di controllo automatico del volo di un profilo alare di potenza per detto sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica, in grado di tenere conto delle condizioni del vento per massimizzare la produzione di energia, evitando al contempo condizioni di lavoro potenzialmente dannose o pericolose per l’integrità del sistema.

La presente invenzione si riferisce infine ad un sistema per il recupero e la gestione dell’energia durante le fasi di inversione del moto di detto sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica, quando cioà ̈ l’unità di generazione a terra giunge al termine del percorso impostato e inizia a muoversi sul medesimo tracciato in direzione opposta.

Stato della tecnica anteriore

Sono noti, da alcune pubblicazioni apparse su riviste sia scientifiche, sia divulgative e da alcuni brevetti anteriori, processi di conversione dell'energia eolica mediante dispositivi in grado di convertire l’energia meccanica generata dalla fonte eolica in altra forma di energia, tipicamente energia elettrica, che sottraggono l’energia eolica al vento utilizzando profili alari di potenza (genericamente indicati con il termine inglese “kite†) ad essi connessi mediante cavi. Ad esempio, i brevetti statunitensi n. US 3,987,987, US 4,076,190, n. US 4,251,040, n. US 6,254,034 B1, n. US 6,914,345 B2, n. US 6,523,781 B2, n. US 7,656,053 e il breveto internazionale n. WO/2009/035492 descrivono sistemi per convertire l’energia cinetica di correnti eoliche in energia elettrica mediante il controllo del volo di profili alari di potenza connessi al suolo tramite uno o più cavi. In molti di tali sistemi, almeno un profilo alare à ̈ connesso mediante cavi ad un’unità di manovra e generazione di energia, fissa a terra, ed à ̈ guidato ciclicamente attraverso una fase di trazione, nella quale ascende spinto dal vento e durante la quale lo svolgimento dei cavi porta in rotazione un generatore dell’unità di terra, atto alla generazione di energia elettrica, ed una fase di recupero, nella quale il profilo à ̈ recuperato tramite il riavvolgimento dei cavi e successivamente manovrato in modo da iniziare un’altra fase di trazione. Tali soluzioni presentano il vantaggio di avere una struttura al suolo di costo contenuto e una relativa semplicità di costruzione. Tuttavia, si ha il notevole svantaggio di un continuo moto di avvolgimento e svolgimento dei cavi, a velocità che possono essere elevate e con notevoli forze di trazione. Ne consegue che si possono verificare significativi problemi di usura dei cavi con conseguenti notevoli costi per frequenti sostituzioni degli stessi e inattività del generatore durante tali operazioni di sostituzione.

Sono altresì note soluzioni quali ad esempio quella del brevetto europeo n. EP 1 672 214 B1, in cui l’unità di terra à ̈ costituita da un carosello circolare, messo in rotazione da una serie di profili alari di potenza, e l’energia viene generata dal moto rotatorio del carosello. Tale soluzione può essere anche realizzata tramite una serie di unità di terra che si muovono in modo coordinato lungo una rotaia circolare, come descritto ad esempio nell’articolo di M. Canale, L. Fagiano e M. Milanese, “High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites†, apparso su IEEE Transactions on Control Systems Technology n. 18, pp. 279 – 293, 2010. Tale soluzione a carosello può operare sia con lunghezza dei cavi variabile, sia con lunghezza dei cavi fissa. La modalità di carosello con cavi di lunghezza variabile permette di ricavare energia anche dal moto di srotolamento dei cavi, oltre che dal moto rotatorio del carosello, ma presenta gli svantaggi di usura dei cavi, menzionata in precedenza per le configurazioni fisse a terra, e di maggiore costo e notevole complessità di costruzione. La modalità di carosello con lunghezza dei cavi fissa ha il vantaggio di limitare l’usura dei cavi, tuttavia à ̈ in grado di generare una quantità di energia limitata a causa della cosiddetta “fase passiva†, che occorre per trascinare i profili alari in direzione opposta al vento per un angolo di rotazione di circa 70 gradi.

Le considerazioni riportate sopra in modo sintetico sono supportate dagli studi teorici e dalle analisi numeriche presenti nell’articolo di M. Milanese, L. Fagiano e D. Piga, “Control as a key technology for a radical innovation in wind energy generation†, presentato al congresso American Control Conference 2010 a Baltimora, MD, e pubblicato nei relativi atti, dove si evincono chiaramente gli svantaggi e i vantaggi di tutte le citate soluzioni di sistemi di generazione basati sul volo di profili alari di potenza, con unità di generazione posta a terra.

Sintesi dell’invenzione

La presente invenzione mira a risolvere tutti i citati problemi presenti nelle attuali configurazioni, fornendo un sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica attraverso il volo di profili alari di potenza vincolati a terra, in cui l’energia viene generata dal moto alternato dell’unità di terra lungo un determinato percorso. Tale sistema genera energia operando con cavi di lunghezza fissa, evitando così problemi di usura dei cavi. Inoltre, a parte i transitori di decollo e atterraggio dei profili alari, dovuti a motivi di manutenzione o per assenza di vento, non presenta fasi passive, grazie ad una scelta opportuna del percorso dell’unità di terra, permettendo così di ottenere una produzione di energia maggiore rispetto alle soluzioni attuali a parità di caratteristiche del profilo alare di potenza. E’ noto nella tecnica anteriore un sistema denominato “Buggy†apparso sul numero 16, Autunno 2004, della rivista Drachen Foundation Journal e attribuito a Joe Hadzicki. Il sistema “Buggy†permette di operare con lunghezza dei cavi costante e non presenta fasi passive, tuttavia risulta essere limitato in quanto opera in condizioni ottimali solo per ben determinati valori di direzione del vento, mentre al variare di dette condizioni l’energia prodotta à ̈ minore. La presente invenzione consente di superare questi limiti, in quanto à ̈ in grado di adattarsi alle variazioni di direzione del vento. Infine, la presente invenzione prevede l’applicabilità all’ambito off-shore, il cui grande vantaggio rispetto alle attuali tecnologie off-shore, oltre a quello di essere in grado di catturare la potenza del vento di alta quota à ̈ di non richiedere fondazioni o ancoraggi al fondale marino. Tutto ciò permette, rispetto alle attuali soluzioni basate sulle torre eoliche tradizionali, di ridurre in misura considerevole i costi di generazione di energia eolica off-shore e di aumentare notevolmente i siti di installazione.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un metodo di conversione di energia eolica in energia elettrica basato sul volo di profili alari vincolati con cavi di lunghezza prevalentemente fissa e adattante alla direzione del vento come definito nella rivendicazione 1 e nelle rivendicazioni ad essa subordinate, nonchà ̈ con un sistema come definito nella rivendicazione 15 e nelle rivendicazioni ad essa subordinate.

Breve descrizione dei disegni

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la FIG. 1 mostra una rappresentazione schematica del sistema “Buggy†così come presentato nel n. 16 della rivista Drachen Foundation Journal, e la relativa potenza media generata al variare della direzione del vento;

- la FIG. 2 mostra una rappresentazione schematica di una prima realizzazione del sistema proposto dalla presente invenzione;

- la FIG. 3 mostra una rappresentazione schematica di una seconda realizzazione del sistema proposto dalla presente invenzione;

- la FIG. 4 mostra una rappresentazione schematica di una terza realizzazione del sistema proposto dalla presente invenzione;

- la FIG. 5 mostra una rappresentazione schematica di una realizzazione offshore per il sistema proposto dalla presente invenzione;

- la FIG. 6 mostra una rappresentazione schematica di una strategia di controllo per il sistema proposto dalla presente invenzione, con recupero e riutilizzo dell’energia nelle fasi di inversione del moto.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Facendo riferimento inizialmente alla FIG. 1, à ̈ possibile notare che nel sistema tipo “Buggy†l’unità di terra 1 si muove in modo alternato lungo un percorso 2 a forma di segmento di retta, trainata, tramite i cavi 3, da un profilo alare di potenza 4. L’unità di terra 1 à ̈ in grado di manovrare il profilo alare di potenza 4 tramite soluzioni facenti parte della tecnica anteriore, ad esempio secondo la domanda di brevetto n. TO2010A000258, o eventualmente secondo altre future idee inventive e soluzioni realizzative. L’energia à ̈ generata tramite un sistema di trasmissione meccanico 5 di tipo a catena o cinghia che converte il moto di traslazione dell’unità di terra in moto di rotazione di opportuni generatori elettrici 6. Come si evince dalle analisi presenti in diverse publicazioni, come la tesi di laurea di D. Piga, “Analisi delle prestazioni del sistema kitegen: eolico di alta quota†, Politecnico di Torino, 2008, e la tesi di dottorato di L. Fagiano, “Control of Tethered Airfoils for High–Altitude Wind Energy Generation†, Politecnico di Torino, 2009, la potenza media generata dal sistema Buggy, per fissate caratteristiche del profilo alare e di intensità del vento, varia con l’angolo Q tra la direzione 7 del vento W, mostrato a titolo di esempio in FIG. 1 in due possibili condizioni, con Q=0° e con Q=90°, e la direzione 8 del percorso dell’unità di terra. L’andamento di tale variazione, in valore percentuale rispetto al massimo ottenibile per assegnate caratteristiche del profilo alare e delle condizioni di vento, à ̈ mostrato nel grafico di FIG. 1. Si noti che la massima produzione di energia si ha quando la direzione del vento à ̈ perpendicolare alla direzione dell’unità di terra. Il sistema introdotto con la presente invenzione à ̈ in grado di modificare il percorso dell’unità di terra in modo da mantenere sempre una inclinazione ottimale rispetto alla direzione del vento.

- Facendo riferimento ora alla FIG. 2, à ̈ possibile notare che una prima realizzazione del sistema proposto dalla presente invenzione à ̈ costituita da una unità di terra 9, in grado di controllare e manovrare un profilo alare di potenza 10 ad essa collegato tramite uno o più cavi 11. L’unità di terra à ̈ vincolata a muoversi su un sistema di rotaie 12 rettilinee e percorre continuamente in direzioni alternate la lunghezza di dette rotaie, trainata dalle forze di trazione esercitate dal profilo alare 10 sui cavi 11. L’energia viene generata con la tecnica anteriore di FIG. 1 o con uno o più sistemi 13 applicati all’unità di terra 9, ciascuno costituito da una ruota collegata, tramite un sistema di trasmissione, ad un generatore elettrico. Inoltre, l’energia può anche essere generata realizzando in modo opportuno l’unità di terra ed il sistema di rotaie, in modo da formare un generatore/motore lineare. L’elettricità generata viene opportunamente gestita e trasmessa tramite cavi 14 ad una struttura fissa, adibita alla sua immissione in rete ed eventualmente all’accumulo con appositi dispositivi noti nella tecnica anteriore, quali sistemi ad inerzia o idrogeno. La realizzazione dell’unità di terra 9, del sistema di rotaie 12 e dei sistemi 13 à ̈ tale da garantire il rotolamento delle ruote dei sistemi 13 in tutte le condizioni di vento e di moto dell’unità di terra 9, in modo da evitare strisciamenti e conseguenti perdite di efficienza per attrito. Inoltre, il sistema di rotaie 12 à ̈ in grado di bilanciare le forze esercitate dai cavi 11 sull’unità di terra 9, ad eccezione della forza lungo la direzione del moto che viene bilanciata dalla forza opposta applicata dai sistemi di generazione 13 e che rappresenta la forza utile alla generazione di energia elettrica. I sistemi 13 sono opportunamente controllati in modo automatico e coordinato con il sistema di controllo del profilo alare 10 effettuato dall’unità di terra 9, al fine da regolare la velocità dell’unità di terra in modo ottimale per massimizzare la potenza media generata durante il moto. I sistemi 13 sono inoltre in grado di agire anche da motori nelle fasi di inversione del moto dell’unità di terra, al fine di contenere al massimo il tempo richiesto per tali fasi. In particolare, viene attuata una strategia di recupero dell’energia durante le frenate dell’unità di terra 9, e di successivo impiego dell’energia recuperata per accelerare l’unità 9 nel seguente percorso in verso opposto. Tale strategia à ̈ meglio descritta in seguito con riferimento alla FIG. 6. La strategia di recupero dell’energia à ̈ realizzabile anche nel caso, descritto in precedenza, in cui l’unità di terra ed il sistema di rotaie costituiscono un generatore/motore lineare. Il sistema di rotaie 12 à ̈ inoltre equipaggiato con due o più sistemi 15 di sospensione e movimentazione, costituiti da una opportuna struttura meccanica, in grado di sostenere e vincolare il sistema di rotaie 12, opponendosi alle forze esercitate dall’unità di terra 9 durante il suo moto e limitando inoltre le conseguenti vibrazioni, e dotate di ruote 16 collegate a opportuni motori controllati in modo automatico e coordinato al fine di orientare il sistema di rotaie 12 in modo che la direzione 17 del moto dell’unità di terra 9 sia sempre perpendicolare alla direzione 18 del vento W, cioà ̈ l’angolo Q à ̈ pari a 90°, come mostrato in FIG. 2, ottenendo così sempre la massima produzione media di energia, in accordo con il diagramma qualitativo riportato in FIG. 1. La direzione 18 del vento W viene misurata in tempo reale a varie altezze in un intervallo che va dal livello 0 (suolo) ad una altezza sufficiente a comprendere tutte le condizioni di moto del profilo alare, ad esempio 1000 m dal suolo; tale misurazione avviene ad esempio con sistemi di tipo lidar o sodar che consentono di misurare direzione e intensità del vento, informazioni necessarie anche per il controllo del profilo alare 10 secondo quanto già divulgato nella letteratura scientifica, ad esempio nell’articolo di M. Canale, L. Fagiano e M. Milanese, “High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites†, apparso su IEEE Transactions on Control Systems Technology n. 18, pp. 279 – 293, 2010. La rotazione del sistema di rotaie 12 avviene attorno all’asse verticale 19, individuato dall’intersezione del piano di simmetria del sistema 12 perpendicolare alla direzione delle rotaie con il piano di simmetria del sistema 12 parallelo alla direzione delle rotaie, definendo così una zona di territorio potenzialmente occupata dal sistema di generazione nel suo complesso avente forma circolare con diametro pari a L, dove L à ̈ la lunghezza del sistema di rotaie 12. Tale lunghezza viene dimensionata in base alle caratteristiche di vento e di morfologia del terreno nel sito prescelto per l’installazione del sistema di generazione, in modo da massimizzare la potenza generata per unità di superficie potenzilamente occupata, anche eventualmente tenendo conto della presenza di altri sistemi di generazione analoghi adiacenti costituenti una cosiddetta “wind farm†. La potenza generata dal sistema proposto dalla seguente invenzione come appena descritto con riferimento alla FIG. 2 à ̈ indipendente dalla direzione 18 del vento W, grazie all’adattamento automatico dell’orientamento del sistema di rotaie 12 con il variare di detta direzione, mentre varia al variare delle caratteristiche di intensità del vento in relazione alla lunghezza dei cavi 11. In particolare, per una data configurazione del sistema in termini di diametro dei cavi e caratteristiche inerziali, geometriche e aerodinamiche del profilo alare e per una data caratteristica di crescita della velocità del vento con l’altezza dal suolo, la massima potenza generata varia in funzione della lunghezza dei cavi secondo un andamento concavo, con un massimo corrispondente ad una lunghezza dei cavi ottimale. Tale fenomeno à ̈ dovuto al bilanciamento tra l’effetto di maggiori forze sui cavi dovute a venti più forti intercettati con cavi più lunghi, con conseguente maggiore potenza generata, e l’effetto opposto di maggiore resistenza aerodinamica dei cavi all’aumentare della loro lunghezza, con conseguente perdita di efficienza e quindi minore potenza generata. Al fine di adattarsi in modo automatico non solo alla direzione del vento, ma anche alle sue caratteristiche di intensità e di variazione di intensità al variare dell’altezza dal suolo, il sistema proposto dalla presente invenzione à ̈ dotato di un sistema automatico di regolazione della lunghezza dei cavi, realizzato secondo soluzioni presenti nella tecnica anteriore quale quella descritta nella domanda di brevetto n. TO2010A000258, che opera secondo due possibili strategie. In una prima strategia, le misure in tempo reale della velocità del vento alle diverse altezze, ottenute come già detto tramite un sistema ad esempio di tipo lidar o sodar, vengono opportunamente condizionate e utilizzate per calcolare un modello di crescita del vento al variare dell’altezza dal suolo. Tale modello viene poi utilizzato per calcolare la corrispondente curva di potenza al variare della lunghezza dei cavi, secondo equazioni semplificate quali ad esempio quelle pubblicate nella tesi di dottorato di L. Fagiano, “Control of Tethered Airfoils for High– Altitude Wind Energy Generation†, Politecnico di Torino, 2009, e la lunghezza dei cavi ottimale viene impostata e regolata in modo da ottenere il massimo di detta curva. In una seconda strategia, la lunghezza dei cavi viene regolata in modo adattativo ad intervalli di tempo regolari, ad esempio di un’ora, sfruttando la concavità della caratteristica di potenza in funzione della lunghezza dei cavi, variando cioà ̈ la lunghezza dei cavi fino a quando la potenza elettrica media misurata raggiunge il massimo.

- La FIG. 3 mostra una seconda possibile realizzazione del sistema di generazione proposto dalla presente invenzione. Il principio di funzionamento à ̈ analogo alla soluzione descritta in precedenza con riferimento alla FIG. 2, tuttavia in questa seconda realizzazione l’unità di terra 20 à ̈ provvista di un sistema 21 costituito da un telaio meccanico e da una serie di ruote collegate a generatori elettrici. Il sistema 21 à ̈ in grado di bilanciare le forze laterali e verticali esercitate dai cavi sull’unità di terra e di direzionare, tramite un sistema di sterzo automatico delle ruote, il moto dell’unità di terra in modo da mantenere una direzione 22 perpendicolare rispetto alla direzione 23 del vento W, massimizzando quindi la potenza generata. La lunghezza L del percorso 24 effettuato dall’unità di terra definisce la massima occupazione di terreno del sistema, che anche in questo caso à ̈ pari ad un cerchio di diametro L con centro corrispondente al punto centrale del percorso 24. Il sistema à ̈ provvisto di una strategia di regolazione ottimale della lunghezza dei cavi come quella descritta in precedenza. Analogamente alla soluzione precedente, l’energia generate viene trasferita tramite cavi 25 ad una struttura fissa adibita alla sua immissione in rete o accumulo. Il vantaggio di questa seconda soluzione à ̈ una maggiore semplicità realizzativa della struttura, a fronte di una maggiore complessità dell’unità di terra che deve essere in grado di contrastare le forze laterali esercitate dai cavi 26 che collegano il profilo alare di potenza 27 con l’unità di terra 20.

- Facendo ora riferimento alla FIG. 4, una terza possibile realizzazione del sistema proposto dalla seguente invenzione consiste nel disporre un sistema 28 di rotaie fisse, di traiettoria circolare con raggio R, su cui può muoversi, trascinata dal profilo alare 29 tramite i cavi 30, l’unità di terra 31, realizzata in modo analogo all’unità di terra 9 della prima soluzione mostrata in FIG.

2, con le dovute modifiche che rendano possibile il moto su traiettoria circolare. In modo analogo alla prima soluzione descritta in precedenza con riferimento alla FIG. 2, il sistema di rotaie 28 à ̈ in grado di vincolare l’unità di terra e bilanciare le forze agenti in tutte le direzioni eccetto quella tangenziale rispetto alle rotaie stesse. La generazione di energia avviene facendo compiere all’unità di terra un percorso 32 ad arco di cerchio in direzione alterna e in modo continuativo. Anche in questa soluzione, così come nella soluzione di FIG. 2, l’energia può eventualmente essere generata realizzando in modo opportuno l’unità di terra ed il sistema di rotaie, in modo da formare un generatore/motore lineare. L’elettricità prodotta viene opportunamente gestita e trasmessa ad esempio tramite cavi 33 ad una struttura fissa, adibita alla sua immissione in rete ed eventualmente all’accumulo con appositi dispositivi noti nella tecnica anteriore, come già descritto in precedenza. Il percorso 32 ha una ampiezza angolare pari a 2DQ e viene modificato in modo automatico, tramite una rotazione attorno all’asse verticale 34, in modo da essere sempre simmetrico rispetto alla direzione 35 del vento W, come mostrato in FIG. 4. All’aumentare dell’angolo DQ, la potenza media generata varia come mostrato nel diagramma di FIG. 4. Il raggio R e l’ampiezza 2DQ del percorso vengono quindi scelte in modo da ottenere il miglior compromesso tra occupazione del territorio, definita dal cerchio di raggio 2R, lunghezza lineare del percorso dell’unità di terra, pari a 2DQR, e potenza media generata. Anche questa terza soluzione à ̈ in grado di adattare automaticamente la lunghezza dei cavi alle condizioni di intensità del vento, come descritto in precedenza. Il vantaggio di questa terza soluzione à ̈ quello di presentare una maggiore semplicità di costruzione della struttura rispetto alla prima soluzione mostrata in FIG. 2, essendo il sistema di rotaie 28 fisso al suolo, e una maggiore semplicità di costruzione dell’unità di terra rispetto alla seconda soluzione mostrata in FIG. 3, grazie alla presenza delle rotaie 28 che bilanciano le forze laterali esercitate dai cavi sull’unità di terra 31. Questi vantaggi vanno a scapito di una minore potenza media generata e di una certa maggiore variabilità della potenza generata durante il percorso di forma curva.

- Con riferimento alla FIG. 5, un’applicazione in ambito off-shore del sistema proposto dalla presente invenzione, à ̈ costituito da una imbarcazione 36, trainata dal profilo alare 37 tramite i cavi 38, con funzionalità analoghe all’unità di terra 20 della seconda soluzione mostrata in FIG. 3. L’energia viene generata tramite opportune turbine 39 poste sotto lo scafo dell’imbarcazione 36, che si oppongono al moto dell’imbarcazione stessa. Un opportuno comando automatico delle turbine 39 e la presenza di elementi stabilizzanti 40, eventualmente idrodinamici e attivi secondo soluzioni note nella tecnica anteriore, limitano il rollio e lo scarroccio e garantiscono la direzionalità dell’imbarcazione nel suo moto alterno lungo il percorso 41, la cui direzione 42 viene regolata automaticamente in modo da essere sempre perpendicolare alla direzione 43 del vento W, massimizzando così la generazione di potenza. L’energia elettrica viene opportunamente gestita e trasmessa tramite cavi subacquei 44 ad una struttura fissa, adibita alla sua immissione in rete ed eventualmente all’accumulo con appositi dispositivi noti nella tecnica anteriore, quali sistemi ad inerzia o idrogeno. La lunghezza L del percorso 41 à ̈ scelta in modo da massimizzare la potenza media per unità di superficie di mare occupata. L’occupazione di spazio à ̈ data da un cerchio di raggio L centrato nel punto di centrale del percorso 41. Anche questa applicazione in ambito off-shore à ̈ provvista di sistema di regolazione automatica della lunghezza dei cavi come descritto in precedenza.

- La FIG. 6 mostra schematicamente una strategia di controllo adatta a tutte le soluzioni proposte dalla presente invenzione. In particolare in FIG. 6 sono riportate le proiezioni, sul piano perpendicolare alla direzione del vento, dell’unità di terra 45 e del profilo alare 46 in diverse posizioni lungo il percorso, indicate come posizioni 47, 48 e 49. Tali posizioni sono riportate due volte, in maniera speculare, in quanto si verificano durante il moto dell’unità di terra 45 in entrambe le direzioni lungo il suo percorso. La strategia di controllo à ̈ costituita da tre fasi identificate da opportuni segmenti L1e L2in FIG. 6, che sommati compongono la proiezione del percorso dell’unità di terra 45 sul piano perpendicolare alla direzione del vento. Senza perdita di generalità, la lunghezza di tale proiezione à ̈ indicata con L in FIG. 6: nel caso della prima e seconda soluzione proposte dalla presente invenzione, mostrate in FIG. 2 e in FIG. 3 rispettivamente, tale lunghezza coincide con la lunghezza del percorso dell’unità di terra 45, mentre, nel caso della terza soluzione mostrata in FIG. 4, la lunghezza del percorso effettivo dell’unità di terra 45 sarà superiore a L e per la precisione pari a LDQ/sin(DQ). Come si evince dalla FIG. 6, la lunghezza L à ̈ scomponibile come L=L1+2L2e la lunghezza L1à ̈ tipicamente molto maggiore della lunghezza L2. La prima fase della strategia di controllo à ̈ detta “fase di accelerazione†ed à ̈ compresa tra il momento in cui l’unità di terra 45 parte da ferma in uno dei due estremi del percorso L, posizione indicata come 47 in FIG.

6, ed accelera in direzione dell’altro estremo, e il momento in cui l’unità di terra 45 ha raggiunto un certo valore v di velocità, detta “velocità di regime†, posizione indicata come 48 in FIG. 6. All’inizio della fase di accelerazione, il profilo alare 46 à ̈ manovrato in modo da essere molto inclinato nella direzione dell’accelerazione, per fornire una notevole forza di trazione in presenza di una bassa velocità dell’unità di terra 45. Durante la fase di accelerazione, tale inclinazione del profilo alare 46 diminuisce gradualmente mentre l’unità di terra 45 aumenta la propria velocità, al fine di mantenere una elevata velocità effettiva del vento sul profilo alare di potenza 46. I motori generatori posti sull’unità di terra 45 vengono comandati automaticamente, in modo che la velocità v venga raggiunta dopo aver percorso una lunghezza L2del percorso, come mostrato in FIG. 6, anche ri-utilizzando l’energia recuperata nella “fase di frenata†descritta in seguito. Dopo la fase di accelerazione, ha inizio la “fase di regime†, durante la quale l’unità di terra 45 viene trascinata dal profilo alare di potenza 46 alla velocità v costante, regolata tramite un opportuno controllo automatico dei generatori applicati sull’unità di terra 45. Durante la fase di regime, il profilo alare viene comandato in modo da compiere veloci spostamenti verso l’alto e verso il basso per massimizzare la velocità effettiva e, di conseguenza, la potenza generata. Dopo aver percorso la lunghezza L1, ha infine inizio la fase di frenata, con l’unità di terra 45 posta in posizione indicata come 49 in FIG. 6, nella quale i generatori applicati sull’unità di terra vengono utilizzati insieme a un sistema frenante per arrestare il moto dell’unità di terra nello spazio L2, recuperando la maggiore quantità di energia possibile. Contemporaneamente, il profilo alare 46 viene comandato in modo da disporsi in una posizione utile alla successiva fase di accelerazione, cioà ̈ con notevole inclinazione lungo il percorso in verso opposto alla velocità dell’unità di terra durante la fase di frenata. Il sistema di controllo à ̈ inoltre progettato per contenere il moto del profilo alare tra un’altezza minima H ed una altezza massima H+DH dal suolo, e per comandare il moto del profilo alare al fine di evitare che le forze di trazione agenti sui cavi superino un valore critico per l’integrità del sistema. I valori di L, L1, L2, H e DH vengono impostati in modo da massimizzare la potenza media generata limitando al contempo l’occupazione di spazio aereo. Tutte le funzionalità descritte sono ottenibili ad esempio tramite algoritmi di controllo di tipo predittivo nonlineare scegliendo opportunamente vincoli e funzione di costo, in modo del tutto simile a quanto descritto, relativamente a sistemi di conversione diversi da quelli proposti dalla presente invenzione, nell’articolo di M. Canale, L. Fagiano e M. Milanese, “High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites†, apparso su IEEE Transactions on Control Systems Technology n. 18, pp. 279 – 293, 2010.

Claims (30)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di conversione di energia eolica in energia elettrica o meccanica attraverso il volo di almeno un profilo alare di potenza vincolato tramite almeno un cavo ad un’unità terrestre mossa da detto profilo alare di potenza lungo un percorso di spostamento alternativo per l’azionamento di mezzi a generatore, caratterizzato dal fatto che detto percorso di spostamento alternativo à ̈ orientabile in modo da disporsi in direzione sostanzialmente ortogonale alla direzione del vento.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che durante le fasi di volo del profilo alare di potenza in condizioni di generazione di energia la lunghezza di detto almeno un cavo à ̈ mantenuta costante.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che l’entità della lunghezza costante di detto almeno un cavo viene determinata in base alla misurazione dell’intensità del vento e del suo gradiente in relazione all’altezza del profilo alare di potenza rispetto al suolo.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che l’entità della lunghezza costante di detto almeno un cavo viene determinata in modo adattativo in funzione della potenza erogata da detti mezzi a generatore.
5. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto percorso di spostamento alternativo à ̈ rettilineo e viene orientato intorno ad un asse verticale passante per la sua mezzeria.
6. 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detto percorso di spostamento alternativo à ̈ curvo.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto percorso di spostamento curvo à ̈ un arco di cerchio angolarmente variabile intorno ad un asse verticale passante per il suo centro di rotazione.
8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto percorso di spostamento alternativo à ̈ situato a terra, caratterizzato dal fatto che il suo orientamento rispetto al suolo avviene mediante un contatto di rotolamento.
9. 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta unità terrestre à ̈ guidata lungo detto percorso di spostamento alternativo con un contatto senza strisciamento.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto contatto à ̈ realizzato tramite organi di rotolamento applicati a detta unità terrestre e connessi operativamente a detti mezzi a generatore.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che prevede la sterzatura controllata di detti organi di rotolamento.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti organi di rotolamento vengono sottoposti a frenatura per l’inversione di moto dell’unità terrestre relativamente a detto percorso di spostamento alternativo, e l’energia di frenatura viene recuperata per accelerare detta unità terrestre a seguito dell’inversione di moto.
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto percorso di spostamento alternativo rettilineo à ̈ situato su una superficie liquida di galleggiamento.
14. 14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che detto percorso di spostamento alternativo costituisce, insieme con unità terrestre, un motore/generatore lineare.
15. 15. Sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica o meccanica attraverso il volo di almeno un profilo alare di potenza vincolato tramite almeno un cavo ad un’unità terrestre mossa da detto profilo alare di potenza lungo un percorso di spostamento alternativo per l’azionamento di mezzi a generatore, caratterizzato dal fatto che include mezzi per orientare detto percorso di spostamento alternativo in direzione sostanzialmente ortogonale alla direzione del vento.
16. 16. Sistema secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che include inoltre mezzi per misurare l’intensità del vento e il suo gradiente in relazione all’altezza del profilo alare di potenza rispetto al suolo, e mezzi per mantenere, durante le fasi di volo del profilo alare di potenza in condizioni di generazione di energia, detto almeno un cavo ad una lunghezza costante scelta in funzione dell’intensità e del gradiente misurati.
17. 17. Sistema secondo la rivendicazione 15 o la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che include mezzi per misurare la potenza erogata da detti mezzi a generatore e mezzi per mantenere, durante le fasi di volo operativo del profilo alare di potenza, detto almeno un cavo ad una lunghezza costante scelta in funzione della potenza misurata.
18. 18. Sistema secondo la rivendicazione 15 o la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detto percorso di spostamento alternativo à ̈ definito da rotaie di guida e dal fatto che detta unità terrestre à ̈ provvista di organi di rotolamento impegnati con dette rotaie di guida.
19. 19. Sistema secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detti organi di rotolamento dell’unità terrestre sono operativamente connessi a detti mezzi a generatore.
20. 20. Sistema secondo la rivendicazione 18 o la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che dette rotaie di guida sono rettilinee.
21. 21. Sistema secondo la rivendicazione 20, caratterizzato dal fatto che dette rotaie di guida rettilinee sono orientabili intorno ad un asse verticale passante per la loro mezzeria.
22. 22. Sistema secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che dette rotaie di guida sono provviste di organi di rotolamento a terra.
23. 23. Sistema secondo la rivendicazione 15 o la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detta unità terrestre à ̈ provvista di organi di rotolamento a terra sterzabili per definire detto percorso di spostamento alternativo.
24. 24. Sistema secondo la rivendicazione 23, caratterizzato dal fatto che detti organi di rotolamento dell’unità terrestre sono operativamente connessi a detti mezzi a generatore.
25. 25. Sistema secondo la rivendicazione 18 o la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che dette dette rotaie di guida sono circolari e detto percorso di spostamento alternativo à ̈ costituito da un settore angolarmente variabile di dette rotaie di guida circolari.
26. 26. Sistema secondo la rivendicazione 16 o la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che a detti organi di rotolamento sono operativamente associati mezzi di frenatura per l’inversione di moto dell’unità terrestre relativamente a detto percorso di spostamento alternativo, e mezzi di recupero dell’energia di frenatura per accelerare detta unità terrestre a seguito dell’inversione di moto.
27. 27. Sistema secondo la rivendicazione 15 o la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detto percorso di spostamento alternativo à ̈ definito da rotaie di guida e dal fatto che dette rotaie e detta unità terrestre costituiscono un generatore/motore lineare in grado di generare energia.
28. 28. Sistema secondo la rivendicazione 27, caratterizzato dal fatto che detto generatore/motore lineare à ̈ in grado di convertire il moto di detta unità terrestre in potenza elettrica, così come di frenare detta unità terrestre e di effettuare il recupero dell’energia di frenatura per accelerare detta unità terrestre a seguito dell’inversione di moto.
29. 29. Sistema secondo la rivendicazione 15 o la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detta unità consiste in un corpo galleggiante su una superficie liquida.
30. 30. Sistema secondo la rivendicazione 29, caratterizzato dal fatto che detti mezzi generatori del corpo galleggiante includono turbine immerse azionabili per determinare la direzione di detto spostamento alternativo.