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ITRM20110516A1 - Generatore eolico ad asse orizzontale con rotore eolico secondario - Google Patents

Generatore eolico ad asse orizzontale con rotore eolico secondario Download PDF

Info

Publication number
ITRM20110516A1
ITRM20110516A1 IT000516A ITRM20110516A ITRM20110516A1 IT RM20110516 A1 ITRM20110516 A1 IT RM20110516A1 IT 000516 A IT000516 A IT 000516A IT RM20110516 A ITRM20110516 A IT RM20110516A IT RM20110516 A1 ITRM20110516 A1 IT RM20110516A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
wind
generator
rotor
primary
nacelle
Prior art date
Application number
IT000516A
Other languages
English (en)
Inventor
Pegna Luigi La
Renzo Piano
Original Assignee
Enel Green Power Spa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Enel Green Power Spa filed Critical Enel Green Power Spa
Priority to IT000516A priority Critical patent/ITRM20110516A1/it
Priority to HUE16170853A priority patent/HUE038050T2/hu
Priority to AU2012314421A priority patent/AU2012314421B2/en
Priority to HUE12762644A priority patent/HUE030899T2/en
Priority to RU2014117524/06A priority patent/RU2599223C2/ru
Priority to PE2014000440A priority patent/PE20141975A1/es
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Description

“Generatore eolico ad asse orizzontale con rotore eolico secondarioâ€
DESCRIZIONE
La presente descrizione si riferisce al settore tecnico delle produzione di energia elettrica e riguarda in particolare un generatore eolico ad asse orizzontale.
Le fonti di energia rinnovabile sono sempre più diffusamente impiegate per la produzione di energia elettrica. Nell’ambito delle energie rinnovabili, desta attualmente un particolare interesse la conversione dell’energia eolica in energia elettrica. Tale conversione avviene per mezzo di opportune macchine elettromeccaniche, denominate generatori eolici, in grado di trasformare l’energia cinetica del vento in energia elettrica pronta per essere immessa su una rete elettrica. Si possono distinguere generatori eolici di due tipologie differenti, in particolare generatori eolici ad asse verticale e generatori eolici ad asse orizzontale.
I generatori eolici ad asse orizzontale, attualmente più diffusi di quelli ad asse verticale, generalmente comprendono una struttura verticale di supporto, una navicella orientabile girevolmente incernierata alla sommità della struttura verticale di supporto, un rotore eolico comprendente un gruppo di pale fissate ad un mozzo, un albero rotante collegato al mozzo ed un alternatore elettrico ospitato all’interno della navicella ed adatto a convertire l’energia meccanica rotazionale dell’albero in energia elettrica. Il rotore eolico per effetto del vento intercettato dal gruppo di pale à ̈ tale da ruotare attorno ad un asse generalmente orizzontale, o lievemente inclinato ad un asse esattamente orizzontale, per mettere in rotazione l’albero rotante.
Nella produzione di energia elettrica sono generalmente previste per i generatori eolici ad asse orizzontale due soglie di funzionamento, rispettivamente minima e massima, legate alla velocità del vento. Infatti, al di sotto di una velocità minima del vento, ad esempio se tale velocità à ̈ inferiore a 3m/s, il rotore eolico resta fermo, o viene tenuto fermo, ed in tale condizione il generatore eolico non eroga energia elettrica. Inoltre, se la velocità del vento supera una soglia massima, ad esempio se à ̈ superiore a 25 m/s, per questioni di sicurezza e per evitare danneggiamenti al generatore eolico à ̈ previsto un bloccaggio forzato del rotore eolico. Anche in questo caso non vi à ̈ erogazione di energia elettrica. In funzione dunque della velocità del vento, generalmente fortemente variabile, i generatori eolici hanno, dal punto di vista della produzione di energia elettrica, un funzionamento generalmente intermittente. Per contro il sistema elettronico di gestione del generatore eolico, generalmente posto alla base del supporto verticale, viene mantenuto generalmente sempre alimentato ed in uno stato di funzionamento, dunque se il rotore eolico à ̈ fermo perché la velocità del vento à ̈ al di fuori dell’intervallo di funzionamento compreso fra la suddetta soglia minima e massima, à ̈ previsto un prelievo di energia elettrica dalla rete anziché una fornitura di energia elettrica. Anche le operazioni di avvio del rotore eolico comportano generalmente un prelievo di energia dalla rete elettrica.
Il sopra descritto funzionamento intermittente rappresenta probabilmente il più importante inconveniente di un generatore eolico ad asse orizzontale.
Lo scopo della presente descrizione à ̈ quello di mettere a disposizione un generatore eolico che sia tale da ovviare almeno in parte all’inconveniente sopra descritto con riferimento ai generatori della tecnica nota.
Tale scopo viene conseguito mediante un generatore eolico così come definito in generale nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e vantaggiose del suddetto generatore eolico sono definite nelle annesse rivendicazioni dipendenti.
L’invenzione sarà meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata di una particolare forma di esecuzione fatta a titolo esemplificativo e, pertanto, in nessun modo limitativo, in riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la figura 1 mostra una vista in elevazione laterale di una forma di realizzazione di un generatore eolico ad asse orizzontale comprendente una navicella, un rotore eolico primario ed un rotore eolico secondario;
- la figura 2 mostra una vista in elevazione laterale della navicella e del rotore eolico secondario del generatore di figura 1;
- la figura 3 mostra una vista in pianta dall’alto della navicella e del rotore eolico secondario del generatore di figura 1; e
- la figura 4 mostra una vista prospettica della navicella e del rotore eolico secondario del generatore di figura 1.
Nelle figure, elementi uguali o simili saranno indicati mediante i medesimi riferimenti numerici.
Con riferimento alle annesse figure à ̈ mostrata una forma di realizzazione non limitativa di un generatore eolico ad asse orizzontale, globalmente indicato con 1.
In accordo ad una forma di realizzazione, senza per questo introdurre alcuna limitazione, il generatore eolico 1 à ̈ un generatore di tipo cosiddetto mini-eolico in quanto à ̈ in grado di sviluppare una potenza elettrica inferiore a 200 kW, ad esempio pari a circa 50-60 kW.
Il generatore eolico 1 comprende una torre di sostegno 30 che nell’esempio rappresentato à ̈ fissata ad una base di supporto 32 in carpenteria ed à ̈ a questa assicurata tramite una pluralità di funi 31, ad esempio in acciaio. La base di supporto 32 à ̈ ad esempio adatta ad essere interrata in modo che una sua faccia superiore sia a filo con il livello del terreno.
Il generatore eolico 1 comprende inoltre una navicella 2, comprendente una porzione di testa 11 ed una porzione di coda 12. La navicella 2 à ̈ fissata alla sommità della torre di sostegno 30 ed à ̈ ad esempio a questa girevolmente incernierata, in modo da poter essere orientata in modo controllabile, ad esempio attraverso un servomotore, non mostrato nelle figure. In accordo ad una forma di realizzazione preferita, la navicella 2 comprende una porzione inferiore di base 20 ed un guscio superiore 22, ad esempio conformato come un cupolino, fissato alla porzione inferiore di base 20. Fra il guscio superiore 22 e la porzione inferiore di base 20 à ̈ definito un vano di alloggiamento adatto ad ospitare alcuni dei componenti meccanici, elettrici ed elettromeccanici del generatore eolico 1.
Il generatore eolico 1 comprende un rotore eolico primario 3 girevole rispetto alla navicella 2 attorno ad un asse di rotazione primario A1 e comprendente un gruppo di pale 4 primario, un mozzo di fissaggio 5 per dette pale 4 aggettante dalla porzione di testa 11 della navicella 2 ed un albero, non mostrato nelle figure, operativamente connesso al mozzo 5 ed adatto ad essere movimentato in rotazione dal rotore eolico primario 3.
In accordo ad una forma di realizzazione, il gruppo primario di pale 4 ha soltanto due pale 4.
L’asse di rotazione primario A1 à ̈ un asse orizzontale. Questo implica che tale asse A1 può essere esattamente orizzontale o, come nell’esempio rappresentato, lievemente inclinato rispetto ad un asse esattamente orizzontale, ad esempio inclinato di circa 5°.
Il generatore eolico 1 comprende inoltre almeno un generatore elettrico primario comprendente almeno uno statore elettrico primario solidale alla navicella 2 e un rotore elettrico primario solidale all’albero o a questo operativamente connesso. I suddetti componenti non sono visibili nelle figure allegate poiché sono ospitati all’interno della navicella 2.
Il generatore elettrico primario à ̈ tale da convertire energia eolica intercettata dal gruppo di pale 4 primario in energia elettrica, ed in particolare in energia elettrica a corrente alternata.
In accordo ad una forma di realizzazione, il generatore elettrico primario à ̈ un generatore sincrono a magneti permanenti in grado di sviluppare una potenza nominale unitaria di circa 50 kW.
In accordo ad una ulteriore forma di realizzazione, il generatore elettrico primario include due generatori disposti in asse, ad esempio ciascuno in grado di sviluppare una potenza nominale unitaria di circa 27 kW.
Il generatore eolico 1 comprende inoltre un quadro elettrico 35, comprendente un convertitore AC/DC/AC per la connessione del generatore eolico 1 ad una rete elettrica nella quale viene riversata l’energia elettrica prodotta dal generatore elettrico primario. Da tale rete elettrica viene anche eventualmente prelevata l’energia elettrica necessaria al funzionamento del generatore eolico 1, ad esempio per l’alimentazione del quadro elettrico 35, per l’alimentazione degli attuatori compresi nel generatore eolico, ad esempio per l’attuatore previsto per orientare in modo controllabile la navicella 2 al fine di massimizzare/ottimizzare la produzione di energia elettrica.
Il convertitore AC/DC/AC à ̈ ad esempio un convertitore statico in configurazione back to back ed à ̈ tale da rendere compatibile l’energia elettrica a corrente alternata fornita dal generatore eolico primario con le caratteristiche imposte dalla rete elettrica. Nel quadro elettrico 35 può essere eventualmente ospitata l’elettronica di controllo del generatore eolico 1, preposta a gestire/controllare il funzionamento dello stesso generatore eolico 1 ed eventualmente a raccogliere e trasmettere in remoto informazioni di stato del generatore eolico 1. In modo di per sé noto, il quadro elettrico 25 à ̈ operativamente connesso alla navicella 2 tramite cavi elettrici passanti attraverso la torre di sostegno 30.
Il generatore eolico 1 comprende inoltre un rotore eolico ausiliario 15 girevolmente incernierato alla porzione di coda 12 e comprendente un gruppo di pale 25 secondario girevole attorno ad un asse di rotazione secondario A2 perpendicolare all’asse di rotazione primario A1. In accordo ad una forma di realizzazione preferita, l’asse secondario A2 à ̈ disposto, rispetto al livello di una superficie di installazione del generatore eolico 1, ad una quota maggiore rispetto all’asse primario A1.
Nel particolare esempio rappresentato il rotore eolico secondario comprende, senza per questo introdurre alcuna limitazione, un gruppo composto da dieci pale 25. In accordo ad una forma di realizzazione, tali pale 25 sono concave da un lato e convesse dal lato opposto e sono essenzialmente conformate a cucchiaio. Nel particolare esempio rappresentato nelle figure, le pale 25 del gruppo di pale secondario hanno inoltre una forma che in pianta à ̈ essenzialmente simile ad una goccia o ad un petalo. Le suddette pale 25 aggettano da un mozzo centrale 27 cilindrico al quale sono stabilmente fissate.
In accordo ad una forma di realizzazione, la porzione di coda 12 della navicella 2 comprende una forcella 6 avente due bracci di supporto 16. Ad esempio, la forcella 6 à ̈ fissata alla porzione inferiore di base 20 della navicella 2. Il rotore eolico ausiliario 15, ed in particolare il suo mozzo centrale cilindrico 27, à ̈ girevolmente incernierato alla forcella 6 essendo fissato fra detti bracci di supporto 16. In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa, ciascuno dei bracci di supporto 16 della forcella 6 à ̈ piegato in modo da presentare un gomito 26, previsto per decentrare il rotore eolico secondario 25 rispetto alla navicella 2. Ad esempio, tale gomito à ̈ tale per cui ciascuno dei bracci 26 à ̈ piegato di un angolo ï ¡ pari a circa 30°.
In accordo ad una ulteriore forma di realizzazione, il rotore eolico secondario 15 comprende un rotore elettrico secondario, ad esempio contenuto all’interno del mozzo centrale cilindrico 27 e non visibile nelle figure. Il generatore eolico 1 comprende un generatore elettrico secondario comprendente il suddetto rotore elettrico secondario ed uno statore elettrico secondario solidale alla porzione di coda 12 della navicella 2 e non visibile nelle figure. Lo statore elettrico secondario à ̈ relativamente interno al suddetto rotore elettrico secondario, dunque disposto all’interno del mozzo centrale cilindrico 27, ed à ̈ adatto a cooperare con quest’ultimo per convertire in energia elettrica l’energia eolica intercettata dal rotore eolico secondario 15. Ad esempio, il generatore elettrico secondario à ̈ un generatore a magneti permanenti. In accordo ad una forma di realizzazione, tale generatore elettrico secondario à ̈ in grado di fornire energia elettrica con una potenza nominale di circa 1 kW.
In accordo ad una forma di realizzazione, il generatore elettrico secondario à ̈ connesso alla rete elettrica, ad esempio tramite lo stesso quadro elettrico 35. In questo caso, il convertitore AC/DC/AC compreso nel quadro elettrico 35 ha un primo ingresso atto a ricevere energia elettrica a corrente alternata prodotta dalla rotazione del rotore eolico primario 3, e dunque dal generatore elettrico primario, ed ha un ingresso ausiliario atto a ricevere energia elettrica a corrente alternata prodotta dalla rotazione del rotore eolico secondario 15 e dunque dal generatore elettrico secondario.
Con riferimento alla figura 1, in accordo ad una forma di realizzazione la navicella 2 à ̈ orientabile e quando à ̈ orientata in modo tale che l’asse principale A1 sia orientato lungo una prevalente direzione del vento W, l’asse secondario A2 à ̈ disposto rispetto alla navicella 2 ad una quota tale per cui la navicella à ̈ tale da schermare parzialmente dal vento il rotore eolico secondario 15 in modo asimmetrico rispetto all’asse secondario A2. Ad esempio à ̈ possibile prevedere, come rappresentato nelle figure allegate, che il rotore eolico secondario 15 sia posto ad una quota tale per cui una metà, o circa una metà, di detto rotore eolico secondario 15 sporga in altezza al di sopra della navicella 2, o meglio al di sopra del guscio superiore 22 della navicella 2.
Nel funzionamento, il sistema sotto la supervisione dell’elettronica di controllo opera in modo tale che il rotore eolico primario 3, come nei generatori eolici dello stato della tecnica nota, possa ruotare solo se le caratteristiche del vento soddisfano delle condizioni prestabilite, con particolare riferimento alle sopra descritte soglie minime e massime di funzionamento. Il rotore eolico secondario 15, anche denominato rotore di coda, invece avendo una massa più piccola ed implicando minori problemi di sicurezza rispetto al rotore eolico primario 3, può essere fatto ruotare indipendentemente dalle caratteristiche del vento, determinando una produzione di energia elettrica continua che quantomeno controbilancia o compensa in parte l’energia elettrica prelevata dalla rete per il funzionamento del generatore eolico 1 stesso, con particolare riferimento ad esempio all’energia necessaria per l’orientamento della navicella 2 o all’energia di spunto necessaria per la messa in moto delle pale 5 del rotore eolico primario 3, etc. Inoltre, vantaggiosamente, il rotore di coda 15 consente di avere l’impressione che in ogni caso il generatore eolico 1 sia una macchina sempre viva e funzionante, anche quando il rotore eolico primario 3 à ̈ fermo e questo sicuramente contribuisce a migliorare l’opinione e della comunità nei confronti di questo tipo di macchine, a volte criticate proprio per il fatto di essere ferme e di produrre dal punto di vista estetico/paesaggistico un impatto negativo.
Dalla descrizione appena fatta à ̈ possibile comprendere come un generatore eolico del tipo sopra descritto raggiunga gli scopi prefissi e dunque di superare o quanto meno di contenere gli inconvenienti sopra descritti con riferimento ai generatori eolici della tecnica nota.
Ovviamente, al generatore eolico sopra descritto un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nell’ambito di protezione dell’invenzione, quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Generatore eolico (1), per la conversione di energia eolica in energia elettrica, comprendente: - una navicella (2) comprendente una porzione di testa (11) ed una porzione di coda (12); - un rotore eolico primario (3) girevole rispetto alla navicella (2) attorno ad un asse di rotazione primario (A1) e comprendente un gruppo di pale (4) primario, un mozzo di fissaggio (5) per dette pale (4) aggettante dalla porzione di testa (11) della navicella (2) ed un albero adatto ad essere movimentato in rotazione dal rotore eolico primario (3); - almeno un generatore elettrico primario comprendente almeno uno statore elettrico primario solidale alla navicella (2) e un rotore elettrico primario solidale a detto albero o a questo operativamente connesso, il generatore elettrico primario essendo tale da convertire energia eolica intercettata da detto gruppo di pale (4) primario in energia elettrica; caratterizzato dal fatto che il generatore eolico (1) comprende inoltre un rotore eolico secondario (15) girevolmente incernierato alla porzione di coda (12) e comprendente un gruppo di pale (25) secondario girevole attorno ad un asse di rotazione secondario (A2) perpendicolare all’asse di rotazione primario (A1).
  2. 2. Generatore eolico (1) secondo la rivendicazione 1, in cui la porzione di coda (12) comprende una forcella (6) avente due bracci di supporto (16) ed in cui il rotore eolico ausiliario (15) Ã ̈ girevolmente incernierato alla forcella (6) essendo fissato fra detti bracci di supporto (16).
  3. 3. Generatore eolico (1) secondo la rivendicazione 2, in ciascuno di detti bracci di supporto (16) Ã ̈ piegato in modo da presentare un gomito (26).
  4. 4. Generatore eolico (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il rotore eolico secondario (15) comprende un rotore elettrico secondario ed in cui il generatore eolico (1) comprende un generatore elettrico secondario comprendente detto rotore elettrico secondario ed uno statore elettrico secondario solidale alla porzione di coda (12), relativamente interno a detto rotore elettrico secondario ed adatto a cooperare con quest’ultimo per convertire energia eolica intercettata da detto rotore eolico secondario (15) in energia elettrica.
  5. 5. Generatore eolico (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detto generatore elettrico secondario à ̈ un generatore a magneti permanenti.
  6. 6. Generatore eolico (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il generatore eolico (1) à ̈ atto ad essere collegato ad una rete elettrica, ed il cui generatore eolico (1) comprende inoltre un convertitore AC/DC/AC (35) atto rendere compatibile l’energia elettrica a corrente alternata fornita dal generatore elettrico primario con specifiche imposte da detta rete elettrica, il convertitore AC/DC/AC comprendendo un primo ingresso atto a ricevere energia elettrica a corrente alternata prodotta dalla rotazione del rotore eolico primario (3) ed un ingresso ausiliario atto a ricevere energia elettrica a corrente alternata prodotta dalla rotazione del rotore eolico secondario (15).
  7. 7. Generatore eolico (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la navicella (2) à ̈ orientabile ed in cui quando detta navicella à ̈ orientata in modo tale che detto asse principale (A1) sia orientato lungo una prevalente direzione del vento, l’asse di rotazione secondario (A2) à ̈ disposto rispetto alla navicella ad una quota tale per cui la navicella à ̈ tale da schermare parzialmente dal vento il rotore eolico secondario (15) in modo asimmetrico rispetto all’asse secondario di rotazione (A2).
  8. 8. Generatore eolico (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui l’asse secondario di rotazione (A2) à ̈ disposto, rispetto ad un livello di una superficie di installazione del generatore eolico (1), ad una quota maggiore rispetto all’asse primario di rotazione(A1).
  9. 9. Generatore eolico (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la navicella (2) comprende una porzione inferiore di base (20) ed un guscio superiore (22) fissato alla porzione inferiore di base (20), in cui il rotore eolico secondario (15) à ̈ posto una quota tale per cui una metà, o all’incirca una metà, del rotore eolico secondario (15) sporga in altezza al di sopra del guscio superiore (22).
  10. 10. Generatore eolico (1) secondo le rivendicazioni 2 e 9, in cui la forcella (6) Ã ̈ fissata a detta porzione inferiore di base (20).
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