ITBZ20140002U1

ITBZ20140002U1 - WIND FOLDER WITH ADAPTIVE PROFILE ABLE TO MODIFY ITS STRUCTURE ON THE BASIS OF THE AERODYNAMIC PRESSURE THAT INVESTS IT, THE CLIMATE AND METEOROLOGICAL CHARACTERISTICS OF THE INSTALLATION SITE AND, COMPOSING A SINGLE ROTOR WITH ONE OR MORE ELEMENTS, WITH A MICRO-WIND GENERATOR WITH ROTATION AXIS PARALLEO AT THE AERODYNAMIC FLOW.

Info

Publication number: ITBZ20140002U1
Application number: ITBZ2014U000002U
Authority: IT
Original assignee: Frassinelli Ernesto; Mitterrutzner Anton
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-09-13
Also published as: WO2015136415A1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

del "Modello di utilità" avente per titolo: of the "Utility Model" entitled:

" Pala a profilo adattivo per generatore micro-eolico a flusso assiale " La presente invenzione concerne una pala eolica a "profilo adattivo" atta a comporre un rotore per generatore micro-eolico, a flusso aerodinamico assiale, utilizzante fonti energetiche rinnovabili. "Adaptive profile blade for axial flow micro-wind generator" The present invention relates to an "adaptive profile" wind blade suitable for composing a rotor for micro-wind generator, with axial aerodynamic flow, using renewable energy sources.

Sono già noti generatori eolici composti essenzialmente da un rotore a pale ed un generatore elettrico, meccanicamente accoppiati tramite un albero motore, e muniti di superfici aerodinamiche o più recentemente servoassistiti da attuatori elettromeccanici, atti ad orientare correttamente la struttura al vento. In fase di funzionamento l’albero del generatore elettrico viene trascinato in rotazione dal rotore a pale, quando questo viene investito da un flusso d'aria assiale. Wind generators are already known which are essentially composed of a rotor with blades and an electric generator, mechanically coupled by means of a drive shaft, and equipped with aerodynamic surfaces or more recently servo-assisted by electromechanical actuators, suitable for orienting the structure correctly to the wind. During operation, the shaft of the electric generator is driven into rotation by the blade rotor, when it is hit by an axial air flow.

Condizione principale di qualsiasi generatore eolico, sia esso a flusso aerodinamico assiale che a flusso aerodinamico radiale, è quello di dover essere installato in regioni battute dal vento ed essere dotato, in genere, di elevate dimensioni delle pale per essere sufficientemente redditivo dal punto di vista energetico, con inevitabili problemi di impatto ambientale, sia visivi che sonori. The main condition of any wind generator, whether with axial or radial aerodynamic flow, is that it must be installed in wind-blown regions and generally be equipped with large blade dimensions to be sufficiently profitable from the point of view. energy, with inevitable problems of environmental impact, both visual and sound.

Ciò in particolare, in quanto una loro esposizione ottimale richiede l'installazione in posizione elevata o comunque defilata da barriere, che possano ridurre il flusso d'aria. This in particular, since their optimal exposure requires installation in an elevated position or in any case away from barriers, which can reduce the flow of air.

Altri inconvenienti non secondari, oltre al già citato impatto ambientale e comunque imputabili alle loro elevate dimensioni, sono i notevoli costi di realizzazione, installazione e di successiva manutenzione, nonché perturbazioni delle onde elettromagnetiche, in particolare radiotelevisive e telefoniche, dovute alla presenza di pale metalliche in rotazione. Other non-secondary drawbacks, in addition to the aforementioned environmental impact and in any case attributable to their large size, are the considerable costs of construction, installation and subsequent maintenance, as well as disturbances of electromagnetic waves, in particular radio, television and telephone, due to the presence of metal blades. in rotation.

Oltre ai generatori eolici di grande, media e piccola taglia esistono generatori cosiddetti mini-eolici e micro-eolici. Essi funzionano sulla base dello stesso principio ma hanno dimensioni molto più ridotte e quindi presentano in forma notevolmente ridotta o nulla gli inconvenienti sopra indicati per i generatori più grandi, non richiedendo necessariamente neanche l'installazione su palo, con tutte le ulteriori problematiche ad esso inerenti. In addition to large, medium and small wind generators there are so-called mini-wind and micro-wind generators. They work on the basis of the same principle but have much smaller dimensions and therefore present the drawbacks indicated above for larger generators in a considerably reduced or null form, not necessarily requiring installation on a pole, with all the further problems inherent to it. .

Oggetto della presente registrazione è il progetto di una pala eolica per un generatore micro-eolico a flusso aerodinamico assiale in grado di migliorare il rendimento energetico di questa classe, estendendo l'utilizzo delle fonti eoliche attualmente note ad altre categorie di utilizzatori a costi contenuti. The subject of this registration is the design of a wind blade for an axial aerodynamic flow micro-wind generator capable of improving the energy efficiency of this class, extending the use of wind sources currently known to other categories of users at low costs.

Questo risultato è ottenibile realizzando un generatore eolico munito di rotore con ogiva pronunciata dotato di n. 6 pale (Fig.1 , 1a), di diametro (0) massimo non superiore a mm. 1000, del quale ogni pala, oggetto del "Modello di utilità", è caratterizzata da un profilo aerodinamico originale e dalla capacità di adattarsi automaticamente alle condizioni eoliche del momento. This result can be obtained by making a wind generator equipped with a rotor with a pronounced ogive equipped with n. 6 blades (Fig. 1, 1a), with a maximum diameter (0) not exceeding mm. 1000, of which each blade, object of the "Utility model", is characterized by an original aerodynamic profile and the ability to automatically adapt to the wind conditions of the moment.

La base della pala presenta una conformazione cilindrico-emisferica con estrusione del profilo alare che, agendo sul flusso aerodinamico assiale al rotore, lo separa in due correnti delle quali la prima viene compressa e scorre lungo l'ogiva (Fig. 2, 2a) mentre la seconda preme sulla pur minima superficie di pressione della coda del profilo emergente (Fig.2, 2b). The base of the blade has a cylindrical-hemispherical conformation with extrusion of the wing profile which, acting on the axial aerodynamic flow to the rotor, separates it into two streams of which the first is compressed and flows along the ogive (Fig. 2, 2a) while the second presses on even the smallest pressure surface of the tail of the emerging profile (Fig. 2, 2b).

La sezione aerodinamica della pala presenta un profilo "concavo convesso laminare", designabile matematicamente come NACA 4317, che inizia con una corda di c.ca 100 mm. alla base della pala e termina con un profilo arrotondato asimmetrico. The aerodynamic section of the blade has a "concave convex laminar" profile, which can be mathematically designated as NACA 4317, starting with a chord of about 100 mm. at the base of the blade and ends with an asymmetrical rounded profile.

Il profilo di sezione e relativa corda, nello sviluppo della pala, presentano una riduzione scalare progressiva (non uniforme), dalla radice all'apice, lungo l'asse curvo a "semi-arco di catenaria" del bordo d'attacco della stessa, adeguando la sezione di attraversamento del flusso aerodinamico per compensare la centrifugazione del flusso laminare, dovuto alla rotazione dell'elica, per ottenere la massima propulsione (Fig.2, 2c-2d-2e). The section profile and relative chord, in the development of the blade, show a progressive (non-uniform) scalar reduction, from the root to the apex, along the curved axis in a "semi-catenary arc" of the leading edge of the same, adjusting the cross section of the aerodynamic flow to compensate for the centrifugation of the laminar flow, due to the rotation of the propeller, to obtain maximum propulsion (Fig. 2, 2c-2d-2e).

A 3/4 dello sviluppo della pala, l'asse di corda e relativo profilo radiale, si incurvano con fulcro lungo l'asse del bordo d'attacco, verso la parte anteriore (intradosso), con limitato disassamento angolare degli assi di corda, per ricurvarsi subito dopo verso la parte posteriore (estradosso) presso l'apice della pala. At 3/4 of the length of the blade, the axis of the chord and its radial profile bend with a fulcrum along the axis of the leading edge, towards the front (intrados), with limited angular misalignment of the chord axes, to bend immediately afterwards towards the rear (extrados) at the apex of the blade.

Questa ondulazione del profilo di sezione agisce come un "diruttore di flusso" (bilaterale) che, re-orientando la corrente di scorrimento in quel punto (Fig.2, 2f) rispetto al resto della pala, genera una compressione sugli strati aerodinamici sottostanti (Fig.2, 2c-2d-2e), sia dell'intradosso che dell'estradosso, e dirottandoli verso la base della pala, ne aumenta il rendimento. This undulation of the section profile acts as a "flow spoiler" (bilateral) which, by re-orienting the sliding current at that point (Fig. 2, 2f) with respect to the rest of the blade, generates a compression on the underlying aerodynamic layers ( Fig. 2, 2c-2d-2e), both of the intrados and of the extrados, and by diverting them towards the base of the blade, the efficiency increases.

Tale torsione del profilo genera inoltre una depressione sui flussi in uscita all'estremità della pala, convogliandoli verso l'estremità alare lungo l'asse mediano del bordo d'uscita (Fig.2, 2g) con abbattimento sia della resistenza indotta che della rumorosità dovuti ai vortici. This torsion of the profile also generates a depression on the outgoing flows at the tip of the blade, conveying them towards the wing tip along the median axis of the trailing edge (Fig. 2, 2g) with a reduction of both induced resistance and noise. due to eddies.

La pala eolica è di tipo "adattivo", composta da materiali ad elevata plasticità, e quindi in grado di adeguare la propria struttura originaria "a riposo" alle condizioni eoliche di quel momento in quel luogo. The wind blade is of the "adaptive" type, made up of highly plastic materials, and therefore able to adapt its original structure "at rest" to the wind conditions of that moment in that place.

Quando un'elica, composta da più pale, viene interessata da un flusso aerodinamico, assiale al generatore, superiore a 1 m/s inizia a ruotare, e quando il flusso raggiunge una certa intensità costringe ogni singola pala, indipendentemente dalle altre, ad eseguire una roto-flessione verso estradosso, con deformazione plastica localizzata nella parte mediana dello sviluppo della stessa, interessando solo in misura minima sia la parte inferiore che quella superiore. When a propeller, composed of several blades, is affected by an aerodynamic flow, axial to the generator, greater than 1 m / s it starts to rotate, and when the flow reaches a certain intensity it forces each individual blade, independently from the others, to perform a roto-flexion towards the extrados, with plastic deformation localized in the median part of the development of the same, affecting only to a minimum extent both the lower and the upper part.

L'elica inizia a ruotare con un flusso aerodinamico di 1 m/s e fino a 5 m/s ma la pala non subisce deformazioni apprezzabili (Fig.3, 3a), mentre da 5 a 10 m/s flette sensibilmente verso un punto medio (Fig.3, 3b), e da 10 a 15 m/s flette ulteriormente fino a raggiungere la massima deformazione di lavoro (Fig.3, 3c). The propeller begins to rotate with an aerodynamic flow of 1 m / s and up to 5 m / s but the blade does not undergo appreciable deformations (Fig. 3, 3a), while from 5 to 10 m / s it flexes significantly towards a midpoint (Fig. 3, 3b), and from 10 to 15 m / s it flexes further until reaching the maximum working deformation (Fig. 3, 3c).

L'estremità della pala esegue una rotazione progressiva dalla posizione minima (Fig.4, 4a) alla posizione intermedia (Fig.4, 4b) con una flessione angolare della parte intermedia di 20°, lungo l'asse longitudinale di corda, ed infine raggiunge la posizione massima (Fig.4, 4c) con una flessione angolare di ulteriori 20°. The tip of the blade performs a progressive rotation from the minimum position (Fig. 4, 4a) to the intermediate position (Fig. 4, 4b) with an angular flexion of the intermediate part of 20 °, along the longitudinal axis of the rope, and finally reaches the maximum position (Fig. 4, 4c) with an angular flexion of further 20 °.

La flessione della parte superiore della pala, adattandosi alla velocità del vento, allunga e re-orienta la sezione di attraversamento del flusso aerodinamico e quindi aumenta l'efficienza aerodinamica ed innalza il punto di stallo, evitando o comunque limitando al massimo il distacco dello strato limite, con ottimizzazione della resa energetica ed abbattimento della rumorosità. The flexion of the upper part of the blade, adapting to the wind speed, lengthens and re-orientates the cross section of the aerodynamic flow and therefore increases the aerodynamic efficiency and raises the stall point, avoiding or in any case limiting the detachment of the layer as much as possible. limit, with optimization of energy yield and noise reduction.

Per garantire il funzionamento come sopra elencato la pala deve presentare una struttura che possa essere rigida in certe aree ed elastica in altre, quindi composta da materiale plastico (Fig.5, 5a), elastico (Fig.5, 5b) e rigido (Fig.5, 5c). To ensure operation as listed above, the blade must have a structure that can be rigid in certain areas and elastic in others, therefore composed of plastic (Fig. 5, 5a), elastic (Fig. 5, 5b) and rigid (Fig. .5, 5c).

Con questa configurazione la pala risulta essere decisamente più pesante di altre di pari dimensioni, ma se anche il peso di un'elica completa incide per circa 1/3 su quello del generatore completo, conferisce all’elica in rotazione in ambiente perturbato, un’inerzia che ne regolarizza il funzionamento ed un effetto giroscopico che ammortizza gli sfarfallamenti di tutto il generatore. With this configuration, the blade is decidedly heavier than others of the same size, but if the weight of a complete propeller also affects that of the complete generator by about 1/3, it gives the propeller in rotation in a disturbed environment, a inertia that regularizes its operation and a gyroscopic effect that dampens the flickering of the whole generator.

Una pala eolica, come sopra descritta, trova la sua composizione ottimale utilizzando n. 6 elementi, ancorati ad un mozzo carenato da un'ogiva, per un'elica con disco (0) massimo di mm. 1000 (Fig .1 , 1a), il tutto calettato direttamente all'albero del motore elettrico, totalmente priva di moltiplicatori epicicloidali. A wind turbine, as described above, finds its optimal composition using n. 6 elements, anchored to a fairing hub by an ogive, for a propeller with a maximum disk (0) of mm. 1000 (Fig .1, 1a), all keyed directly to the shaft of the electric motor, totally without planetary multipliers.

Un rotore eolico così configurato è in grado di ottenere risultati energetici come descritto nella seguente tabella. A wind rotor configured in this way is able to obtain energy results as described in the following table.

Dal punto di vista strutturale il modello di utilità, denominato "Pala eolica adattiva", e quindi la sua composizione multipla in un unico rotore che utilizza fonti energetiche rinnovabili fluidodinamiche, si presenta innovativo poiché : From a structural point of view, the utility model, called "Adaptive wind blade", and therefore its multiple composition in a single rotor that uses renewable fluid dynamic energy sources, is innovative because:

_ tutti i materiali utilizzati per la pala, come la struttura stessa del rotore, sono progettati per lavorare anche negli ambienti terrestri più ostili come quello artico, quello tropicale o quello desertico, e quindi con escursioni termiche estreme, nonché in ambiente marino _ all the materials used for the blade, such as the structure of the rotor itself, are designed to work even in the most hostile terrestrial environments such as the arctic, tropical or desert, and therefore with extreme temperature ranges, as well as in the marine environment

tutti i materiali, sono progettati per lavorare, con rendimento energetico stabile e senza manutenzione, per svariati anni all materials are designed to work, with stable energy efficiency and without maintenance, for several years

_ la struttura esterna della pala (Fig.5, 5a) è progettata in materiale plastico per resistere a collisioni leggere e quindi impedire, o quantomeno ridurre al minimo, l'adesione statica o dinamica di qualsiasi corpo estraneo (animale, vegetale o inerte) e limitare eventuali abrasioni superficiali, capaci di modificare l'aerodinamica e la bilanciatura della pala, con inevitabile scadimento delle prestazioni _ the external structure of the blade (Fig. 5, 5a) is designed in plastic material to resist light collisions and therefore prevent, or at least minimize, the static or dynamic adhesion of any foreign body (animal, plant or inert) and limit any surface abrasions, capable of modifying the aerodynamics and balancing of the blade, with inevitable deterioration in performance

_ la struttura interna della pala (Fig.5, 5b-5c) è progettata in materiale elastico e rigido per resistere anche a collisioni pesanti, senza deformarsi permanentemente, quali impatti con volatili, formazioni di ghiaccio o altri oggetti portati dal vento, oppure in presenza di condizioni meteo particolarmente avverse _ the internal structure of the blade (Fig. 5, 5b-5c) is designed in elastic and rigid material to withstand even heavy collisions, without permanently deforming, such as impacts with birds, ice formations or other objects carried by the wind, or in presence of particularly adverse weather conditions

Dal punto di vista funzionale il modello di utilità denominato "Pala eolica adattiva", e quindi la sua composizione multipla in un unico rotore che utilizza fonti energetiche rinnovabili fluidodinamiche, si presenta innovativo poiché : From a functional point of view, the utility model called "Adaptive wind blade", and therefore its multiple composition in a single rotor that uses fluid dynamic renewable energy sources, is innovative because:

_ consente di generare energia elettrica in quantità molto maggiori di quanto avviene, a parità di vento, con altri generatori elettrici dotati di rotori di pari dimensioni (0 mm. 1000) o anche sensibilmente superiori _ allows to generate electricity in much greater quantities than what happens, with the same wind, with other electric generators equipped with rotors of the same size (0 mm. 1000) or even significantly higher

_ la maggiore generazione di energia elettrica avviene in modo particolare alle basse e medie velocità, e ad un numero di giri (rpm) inferiore rispetto agli altri generatori, anche grazie all'indipendenza di flessione di ogni singola pala rispetto alle altre, adeguandosi a intensità e direttrici di flusso perturbati _ the greatest generation of electricity occurs in particular at low and medium speeds, and at a lower number of revolutions (rpm) than the other generators, also thanks to the bending independence of each individual blade compared to the others, adapting to intensity and perturbed flow lines

_ la conformazione esterna della pala ed il materiale di cui è composta, limitano la rumorosità del rotore in modo tale da risultare indistinguibile da quella generata dal flusso aerodinamico, soprattutto alle velocità più elevate _ il diametro del rotore di mm. 1000, unito all'altezza dell'intera struttura di mm. 1500, ne consente l'utilizzo (in molte nazioni) sia legale che funzionale per uso abitativo, ambientale generico e veicolare marino, adeguandosi alle norme che regolano altre strutture radio-televisive. _ the external conformation of the blade and the material of which it is composed, limit the noise of the rotor in such a way as to be indistinguishable from that generated by the aerodynamic flow, especially at higher speeds _ the rotor diameter of mm. 1000, combined with the height of the entire structure of mm. 1500, allows its legal and functional use (in many countries) for residential, general environmental and marine vehicle use, adapting to the rules that regulate other radio-television structures.

Il presente modello è stato illustrato e descritto in una sua preferita forma di realizzazione, ma si intende che varianti esecutive potranno ad essa in pratica apportarsi, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione del presente "Modello di utilità". The present model has been illustrated and described in a preferred embodiment thereof, but it is understood that executive variations may be applied to it in practice, without however departing from the scope of protection of this "Utility model".

Claims

CLAIMS 1. Wind blade for axial flow rotor, using renewable fluid dynamic energy sources, characterized by the fact that the base has a cylindrical-hemispherical shape, from which the wing profile is extruded, shaped in such a way as to separate the aerodynamic flow into two currents of which the first slides along the ogive (Fig. 2, 2a) while the second acts on the tail of the emerging profile (Fig. 2, 2b).

2. Wind blade according to claim 1 characterized by the fact that the section has a "concave convex laminar" aerodynamic profile, which can be mathematically designated as NACA 4317, which develops with progressive scalar reduction of the section profile, from the root to the apex, along the 'semi-arc of catenary curved axis of the leading edge of the same, exploiting the laminar flow for maximum propulsion (Fig.2, 2c-2d-2e).

3. Wind blade according to claims 1 or 2 characterized by the presence at 3/4 of the development of the blade of an undulation of the section profile towards the intrados (28 °) and subsequent re-entry towards the extrados (Fig. 2, 2f) , which generates a compression on the underlying aerodynamic layers (Fig. 2, 2c-2d-2e) towards the base of the blade, and conveys the overlying layers towards the wing tip along the median axis of the trailing edge (Fig. 2, 2g).

4. Wind blade according to one of the preceding claims characterized by the ability to flex its own structure according to the aerodynamic flow that hits it, independently of any other twin blade that makes up the same propeller.

5. Wind blade according to claim 4 characterized by the ability to flex significantly and progressively at speeds between 5 m / s (18 km / h) and 15 m / s (54 km / h) with longitudinal rotational bending of the blade in the direction of the aerodynamic flow.

6. Wind blade according to claim 4 or 5 characterized by the ability to deform in the median area of its development, minimally affecting both the lower and upper adjacent areas (Fig.3, 3a-3b-3c).

7. Wind blade according to one of claims 4 to 6 characterized by the ability to progressively rotate the end of the blade from the minimum position (Fig. 4, 4a) to the intermediate position (Fig. 4, 4b) with angular bending of the intermediate part of 20 °, along the longitudinal axis of the rope, to reach the maximum position (Fig. 4, 4c) with angular flexion of a further 20 °.

8. Wind blade according to one of the preceding claims characterized in that the external structure is made of plastic material (Fig.5, 5a).

9. Wind blade according to one of the preceding claims characterized in that the internal rib is made of elastic material (Fig.5, 5b).

10. Wind blade according to one of the preceding claims, characterized in that the anchoring shank to the hub is made of rigid material (Fig.5, 5c).

11. Wind blade according to one of the preceding claims characterized in that it is made of materials capable of withstanding light collisions but capable of modifying its aerodynamics and balancing, with inevitable deterioration in performance and withstanding even heavy collisions, without permanently deforming.

12. Wind blade according to one of the preceding claims, characterized in that it is made with materials suitable for guaranteeing the required performance even in the most adverse climatic and wind conditions of the installation site and for very long times.

13. Rotor composed of one or more blades according to one of claims 1 to 12.

14. Wind machine composed of one or more rotors according to claim 13.

15. Wind blade for wind micro-generator rotor using renewable fluid dynamic energy sources according to claims 1 to 14 and substantially as illustrated and described.