IT201900019520A1 - Dispositivo di generazione di energia elettrica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo: “Dispositivo di generazione di energia elettrica”

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo di generazione di energia elettrica, comprendente una ruota portante a cui è fissata in maniera radiale una pluralità di pale motrici, in quanto spinte a ruotare dalla corrente generata da un corso d’acqua.

La ruota portante è fissata in modo ruotabile ad una struttura di supporto, in modo tale per cui la ruota portante, immersa almeno parzialmente all’interno di un corso d’acqua, viene posta in rotazione dalla corrente di detto corso d’acqua.

Inoltre la ruota portante è collegata a mezzi di generazione di energia elettrica, in modo tale per cui la rotazione di detta ruota portante azioni tali mezzi di energia elettrica.

Quella appena descritta è la comune realizzazione delle ruote idrauliche note allo stato dell’arte.

Tali ruote idrauliche sfruttano l’energia cinetica e potenziale dell’acqua, come ad esempio un fiume, una cascata, che movimenta le pale della ruota portante, la cui rotazione viene sfruttata per azionare un alternatore che consente di generare energia elettrica.

Le ruote idrauliche note allo stato dell’arte, tuttavia non sono in grado di generare energia immediatamente fruibile, ossia non sono in grado di sfruttare movimentazioni lente, che possono essere date dalla corrente di un fiume, per generare energia direttamente disponibile agli utilizzatori finali.

Tale problematica è risolta dalle pale eoliche note allo stato dell’arte, che tuttavia sfruttano la forza del vento e non possono essere utilizzate in combinazione ad un corso d’acqua.

Inoltre le ruote idrauliche note allo stato dell’arte, possono essere installate e utilizzate solo con determinate condizioni al contorno, come ad esempio la presenza di ampi salti del corso d’acqua.

Infine le ruote idrauliche note allo stato dell’arte necessitino di strutture di supporto imponenti e di costruzioni apposite volte a veicolare il flusso dell’acqua che consente la rotazione di tali ruote.

I requisiti costruttivi e di installazione appena descritti limitano particolarmente l’utilizzo delle ruote idrauliche, sia per motivi economici, in quanto i costi di installazione rischiano di essere maggiori dei ricavi dalla produzione di energia “pulita”, sia per problematiche di impatto ambientale.

Esiste dunque una esigenza non soddisfatta dai sistemi noti allo stato dell’arte di realizzare un dispositivo di generazione di energia elettrica che risolva gli svantaggi sopra esposti.

La presente invenzione consegue gli scopi di cui sopra realizzando un dispositivo di generazione di energia elettrica come descritto in precedenza, in cui la struttura di supporto comprende un braccio di supporto che presenta una prima estremità collegata alla ruota portante ed una seconda estremità collegata ad una struttura fissa prevista in corrispondenza del corso d’acqua.

Vantaggiosamente dunque la presente invenzione consente di realizzare un dispositivo di generazione di energia elettrica partendo da fonti rinnovabili, che sia semplice da installare e che, attraverso accorgimenti meccanicamente semplici e poco costosi, consenta di realizzare una struttura di supporto snella, poco ingombrante e che si adatti al paesaggio.

Inoltre, la presente invenzione permette di ottenere energia elettrica immediatamente fruibile dall’utilizzatore ultimo, grazie alla presenza di un opportuno sistema di moltiplica/demoltiplica della rotazione della ruota portante atto a convertire un numero basso di giri della ruota motrice di ampio diametro, in un numero elevato di giri di una ruota terminale di un alternatore, dal diametro ridotto.

Come risulterà evidente dall’illustrazione di alcuni esempi esecutivi, il dispositivo non richiede particolari salti di livello del corso d’acqua, anzi può essere previsto in qualsiasi corso d’acqua, a patto che il braccio di supporto sia collegato ad una struttura fissa.

La struttura fissa può essere una struttura di qualsivoglia natura nota allo stato dell’arte, che sia solidamente fissata al terreno in corrispondenza del corso d’acqua.

Ad esempio, secondo un esempio esecutivo preferito, la struttura fissa può essere costituita da una pila di un ponte posto al di sopra del corso d’acqua.

Secondo un perfezionamento, la prima estremità del braccio di supporto è posizionata a monte rispetto alla seconda estremità con riferimento al verso della corrente del corso d’acqua.

In accordo a tale configurazione, la ruota portante sarà sempre posizionata a monte rispetto alla struttura fissa, come ad esempio a monte rispetto alla pila del ponte.

Tale accorgimento presenta aspetti particolarmente vantaggiosi in quanto la ruota portante riesce ad intercettare il flusso di acqua e a sfruttarne la propria energia cinetica prima che il moto dell’acqua venga perturbato dai moti turbolenti generati dalla pila del ponte.

A valle della pila del ponte, a causa dell’impatto del corso d’acqua con la pila, si generano moti turbolenti dell’acqua che non consentono di sfruttare al meglio l’energia cinetica del corso d’acqua, sia per una riduzione della velocità di flusso, sia per i vortici generati.

Secondo una forma esecutiva preferita, la seconda estremità è collegata alla pila attraverso un giunto con almeno un grado di libertà.

In questo modo la posizione della ruota portante potrà essere regolata sia in senso verticale, che in senso orizzontale, ottimizzando la posizione della ruota rispetto alla direzione del flusso del corso d’acqua, che non sempre è perpendicolare alla struttura fissa.

Risulta evidente come tale caratteristica conferisca al dispositivo oggetto della presente invenzione una elevata adattabilità a tutte le tipologie di corso d’acqua e alle possibili installazioni.

Secondo una ulteriore forma attuativa, il braccio di supporto e/o la ruota portante comprendono mezzi di regolazione dello stato di immersione della ruota portante.

In seguito verranno illustrati alcuni esempi, ma si intuisce come tale variante permetta di regolare la posizione del braccio o della ruota al fine di ottimizzare la spinta del flusso sulle pale motrici.

Secondo una prima forma esecutiva, tali mezzi di regolazione comprendono un braccio di ancoraggio del braccio di supporto al letto del corso d’acqua.

In base ad una seconda forma esecutiva, da prevedere in alternativa od in combinazione alla variante testé descritta, i mezzi di regolazione comprendono mezzi di galleggiamento della ruota portante e/o del braccio di supporto.

Tale configurazione risulta particolarmente vantaggiosa in combinazione alla variante che prevede un giunto di collegamento della seconda estremità del braccio con un grado di libertà, in modo che la ruota si possa regolare secondo un asse verticale.

Si realizza una sorta di zattera galleggiante, che regola il posizionamento della ruota portante portante, sulla base del livello del fiume.

In questo modo la ruota portante potrà adattarsi al livello del corso d’acqua, in modo da presentare un posizionamento fisso rispetto al livello del corso d’acqua e ottimizzare la spinta dell’acqua rispetto alle pale motrici.

Al fine di migliorare ulteriormente la movimentazione della ruota portante, è possibile agire sulle pale motrici e realizzarle in modo da ottenere un profilo idrodinamico particolarmente efficiente, in grado di accogliere la quantità di acqua che impatta sulla superficie delle pale motrici e ottenere la migliore rotazione possibile.

Dunque secondo una possibile forma esecutiva, le pale presentano mezzi di variazione della lunghezza delle pale stesse.

L’incremento del raggio della ruota portante può avere solo effetti virtuosi sulla resa del dispositivo in quanto allungare la leva moltiplica l’energia di partenza.

I parametri che determinano la regolazione della lunghezza delle pale sono essenzialmente due:

- caratteristiche del fiume: pescaggio e profondità dell’acqua

- regole paesaggistiche di contenimento dello sviluppo del dispositivo.

Secondo una variante esecutiva, le pale presentano superfici lisce, in modo da evitare che eventuali detriti si depositino sulle pale, e trovino appigli per rimanervi abbarbicati o avviluppati, o limitando la movimentazione e la resa di potenza.

Sempre con il fine di ottimizzare l’effetto della spinta dell’acqua sulle pale motrici, tali pale presentano una forma a cucchiaio, in modo tale per cui, in condizione immersa, presentano una concavità, comunque sfuggevole, opposta alla direzione della corrente del corso d’acqua.

Secondo una ulteriore forma esecutiva, le pale, in prossimità della propria estremità distale al mozzo centrale, presentano un profilo atto ad agevolare l’immersione all’interno del corso d’acqua.

L’estremità della pala può ad esempio essere costituita da due cucchiai appaiati, tra i quali si trova un tagliante che divide a metà il getto, per farlo uscire ai lati sotto forma di due getti separati ed equilibrare la spinta sui due lati della turbina, evitando l'urto dell'acqua in ritorno dalla pala contro la pala successiva, evento che ridurrebbe il lavoro prodotto.

Inoltre, secondo una possibile forma esecutiva illustrata in dettaglio in seguito, la ruota portante è costituita da un elemento a cingolo al quale elemento a cingolo è fissata la pluralità di pale.

Infine il detto braccio di supporto è costituito da una parte terminale a forma di ferro di cavallo, in modo da realizzare una sede di inserimento di detta ruota portante.

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla seguente descrizione di alcuni esempi esecutivi illustrati nei disegni allegati in cui:

la figura 1 illustra una vista laterale del dispositivo di generazione di energia elettrica, oggetto della presente invenzione, secondo una possibile forma esecutiva;

la figura 2 illustra una vista dall’alto del dispositivo di generazione di energia elettrica, oggetto della presente invenzione, secondo una possibile forma esecutiva;

la figura 3 illustra una ulteriore forma esecutiva della ruota portante appartenente al dispositivo oggetto della presente invenzione.

Si specifica che le figure allegate alla presente domanda di brevetto illustrano solo alcune possibili forme esecutive del dispositivo di generazione di energia elettrica oggetto della presente invenzione, per meglio comprenderne i vantaggi e le caratteristiche descritte.

Tali forme esecutive sono dunque da intendersi a puro scopo illustrativo e non limitativo al concetto inventivo della presente invenzione, ossia quello di realizzare un dispositivo di generazione di energia elettrica che permetta di sfruttare in maniera efficiente tutti i corsi d’acqua e che sia facilmente adattabile a tutte le tipologie di corso d’acqua.

Con particolare riferimento alla figura 1, viene illustrata una specifica forma esecutiva del dispositivo di generazione di energia elettrica oggetto della presente invenzione, comprendente una ruota portante 1, che presenta un mozzo centrale 12 a cui è fissata in maniera radiale una pluralità di pale motrici 11.

La ruota portante 1 è fissata in modo ruotabile al braccio di supporto 2, in modo tale per cui la ruota 1 possa effettuare una rotazione attorno ad un asse passante per il mozzo centrale 12 e perpendicolare al piano della figura 1.

Come risulta evidente dalla figura 1, la ruota portante 1 è immersa almeno parzialmente all’interno di un corso d’acqua che presenta un livello di riempimento C, in modo tale per cui la corrente del corso d’acqua, che presenta la direzione indicata dalla freccia A pone in rotazione la ruota potante 1 nel verso indicato dalla freccia B.

In pratica l’acqua del corso d’acqua impatta contro le pale motrici 11, crea una spinta su tali pale 11 e movimenta la ruota portante 1.

La movimentazione di tale ruota portante 1 viene sfruttata per la generazione di energia elettrica, ossia può essere trasmessa ad un alternatore per la generazione di energia elettrica.

Il collegamento tra la ruota portante 1 e l’alternatore può essere realizzato in uno dei qualsivoglia modi noti allo stato dell’arte.

Secondo la variante illustrata in figura 1, sono previsti mezzi di trasmissione 41 della rotazione della ruota 1, costituiti ad esempio da una cinghia che si impegna su due pignoni laterali, i quali mezzi 41 sono collegati da un lato al mozzo centrale 12 della ruota e all’altro lato ad un sistema di moltiplica/demoltiplica 42 che sarà poi collegato ad un perno di ingresso di un alternatore.

Tali mezzi di trasmissione consentono dunque di sfruttare le rotazioni lente della ruota portante 1, dal diametro elevato, per ottenere rotazioni veloci dei pignoni laterlali, di diametri ridotti, ed utilizzare tali rotazioni veloci in combinazione ad un alternatore per la generazione di energia elettrica.

Con particolare riferimento alla figura 1, il braccio di supporto 2 presenta una prima estremità 20 collegata alla ruota portante 1 ed una seconda estremità 21 collegata alla pila 3 di un ponte posto al di sopra del corso d’acqua.

Il ponte presenta dunque una pila 3, un basamento 32 poggiato sul fondo del corso d’acqua e una parte superiore 31 adibita al passaggio di veicoli e/o pedoni.

L’estremità 21 del braccio 2 può essere fissata alla pila 3 in uno dei qualsivoglia modi noti allo stato dell’arte, ma, secondo l’esempio illustrato in figura 1, è presente un braccio di ancoraggio 5, al quale braccio 5 l’estremità 21 è fissata attraverso un giunto 23.

Il braccio 5 è fissato alla pila 3 e poggia sul letto del corso d’acqua.

Il giunto 23 consente l’oscillazione del braccio 2 attorno ad un asse passante per la seconda estremità 21 e orientato perpendicolarmente con riferimento alla figura 1, oscillazione che avviene secondo il verso indicato dalla freccia D.

Grazie a tale oscillazione la ruota portante 1 può movimentarsi in senso verticale, lungo le direzioni indicate dalla freccia E, al fine di consentire la regolazione della condizione di immersione della ruota stessa, rispetto al livello C del corso d’acqua.

Per ottimizzare l’efficienza della spinta dell’acqua creata sulle pale 11 è infatti vantaggioso che la ruota 1 si trovi parzialmente immersa nel corso d’acqua, preferibilmente che il livello C sia in corrispondenza della metà della ruota portante 1, come illustrato in figura 1.

Dunque, il giunto 23 consente di regolare la posizione della ruota portante 1 rispetto al livello C del corso d’acqua.

Una volta raggiunta la posizione ottimale della ruota portante 1 è possibile prevedere blocchi, elettronici o meccanici, per mantenere tale posizione e variarla al variare del livello C del corso d’acqua.

È ovviamente possibile prevedere un controllo automatizzato ed elettronico della variazione della posizione della ruota 1 rispetto al livello C del corso d’acqua.

Preferibilmente tuttavia, la condizione di immersione della ruota 1 può essere controllata attraverso mezzi di galleggiamento, come ad esempio zattere galleggianti o ad esempio contenitori chiusi e vuoti posti in corrispondenza del mozzo centrale 12, in modo tale per cui il mozzo centrale 12 galleggi sempre sul livello del corso d’acqua C, in maniera automatica, senza la necessità di prevedere controlli elettronici.

In base al posizionamento di tali elementi galleggianti, sarà dunque possibile regolare l’altezza della ruota portante 1 rispetto al livello C del fiume, con il mozzo centrale 12 posizionato al di sopra, al di sotto o pari a tale livello, in base alle necessità operative.

Secondo una possibile variante attuativa, è possibile prevedere che il giunto 23 sia configurato in modo da presentare due gradi di liberta, uno in senso verticale, con riferimento alla figura 1, e uno in senso orizzontale, in modo tale per cui la ruota 1 può regolare la posizione non solo rispetto al livello C del corso d’acqua, ma anche rispetto all’asse longitudinale del braccio 2.

In accordo a tale configurazione, le pale 11 presenteranno la superficie su cui impatta l’acqua disposta perpendicolarmente rispetto alla direzione A dell’acqua.

In base alle varianti illustrate nelle figure 1 e 2, la prima estremità 20 del braccio di supporto 2 è posizionata a monte rispetto alla seconda estremità 21 con riferimento al verso A della corrente del corso d’acqua.

Come anticipato, le pale 11 possono presentare mezzi di variazione della lunghezza delle pale stesse.

Come anticipato, la variazione della lunghezza delle pale 11 consente di ottimizzare il rendimento dell’intero sistema.

Infatti, le pale possono essere variate sia in base alle necessità costruttive del sistema stesso, sia in base ai requisiti e ai vincoli del luogo di installazione, con lo scopo di ottenere il massimo rendimento indipendentemente dalle condizioni al contorno.

In generale le pale 11 presentano dimensioni variabili da definire in base alle necessità operative, per individuare la forma più idonea al migliore sfruttamento della spinta dell’acqua.

Inoltre le pale presentano superfici lisce e una forma a cucchiaio, in modo tale per cui, in condizione immersa, presentino una concavità opposta alla direzione A della corrente del detto corso d’acqua.

Le pale 11 possono ad esempio essere realizzate in maniera del tutto simile a quanto descritto all’interno del documento US409865, il cui contenuto è da considerarsi parte integrante della presente domanda di brevetto.

Al fine di ottimizzare il risultato, le pale possono essere costituite di materiale rigido, flessibile o da una combinazione di tali materiali.

Si specifica infine che, in base alla variante esecutiva illustrata nelle figure 1 e 2, la ruota portante 1 può presentare una intelaiatura esterna che presenta due elementi di convogliamento 13 dell’acqua, volti a favorire il confluire dell’acqua verso le pale 11.

Tale intelaiatura esterna può presentare un elemento di copertura superiore, volto a riparare dagli agenti esterni la parte della ruota 1 non immersa all’interno del corso d’acqua.

In base a quanto descritto in precedenza, con riferimento alle figure 1 e 2, risulta evidente come il dispositivo oggetto della presente invenzione sia costituito da due elementi mobili e da un elemento isso.

Gli elementi mobili sono costituiti dalla ruota portante 1 e dal braccio di supporto 2, mentre l’elemento fisso è costituito dalla pila del ponte 3.

In particolare la ruota portante 1 è mobile nel senso che ruota attorno al mozzo centrale 2 e che trasla lungo l’asse E grazie alle movimentazioni, ossia alle oscillazioni del braccio di supporto 2.

Per ottenere il primo elemento mobile, ossia la ruota portante 1, è sufficiente dunque prevedere un elemento rotante sul quale fissare le pale motrici 11.

Per questo motivo in figura 3 è illustrata una possibile forma esecutiva di tale ruota portante, in cui è presente un elemento a cingolo 5 che viene movimentato a causa della corrente A generata dal corso d’acqua sulle pale 11.

Come per il caso di figura 1, le pale 11 sommerse, ossia ad un livello più basso rispetto al livello C del corso d’acqua, sono sottoposte alla spinta generata dal corso d’acqua, per cui percorrono il percorso individuato dalla cinghia 51.

In particolare, l’elemento a cingolo 5 si impegna sulla cinghia 51, per cui è posta in movimentazione dalle pale 11.

Inoltre, la cinghia 51 risulta impegnata a due rulli 52, che ruotano attorno ad un corrispondente asse di rotazione F.

Il movimento di almeno uno dei due rulli 52 viene poi utilizzato per essere trasmesso ad opportuni mezzi di trasmissione 53, simili ai mezzi 41 descritti relativamente alla figura 1.

In base al posizionamento dei mezzi di trasmissione 53 di figura 3, si evince come il rullo 52 posteriore sia il rullo motrice, ma è possiile prevedere mezzi di trasmissione per ogni rullo 52 o solo per il rullo 52 anteriore.

Dunque la rotazione di almeno uno dei rulli 52 consente di generare energia elettrica, secondo le modalità descritte in precedenza.

Si specifica che è possibile prevedere anche più di due rulli 52, così da sfruttare la rotazione di uno solo o di tutti i rulli 52 previsti.

Il dispositivo illustrato in figura 3 mostra inoltre due ulteriori particolari varianti attuative.

Innanzitutto il dispositivo oggetto della presente invenzione presenta una struttura di supporto 54 che consente di appoggiare il dispositivo stesso sul fondo del corso d’acqua, senza la necessità di prevedere un ponte o ulteriori strutture pre esistenti.

Secondariamente le pale 11 risultano fissate al cingolo 5 attraverso un giunto che consente di oscillare attorno ad un asse parallelo all’asse F di rotazione dei rulli 52.

In questo modo le pale 11 possono passare da una condizione inattiva ad una condizione attiva.

La condizione inattiva è ottenuta quando le pale 11 non sono sommerse e non subisocono la spinta della corrente del corso d’acqua, mentre la condizione attiva è ottenuta quando le pale 11 sono sommerse in acqua.

Il passaggio dalla condizione attiva alla condizione passiva e viceversa, è ottenuto grazie alla gravità che agisce sulle pale 11, come chiaramente illustrato in figura 3.

Infine, come ultima variante esecutiva, è possibile prevedere di utilizzare un dispositivo del tipo coclea, vite di Archimede o simili. Utilizzata come turbina a vite

In questo caso la spinta della corrente aziona la vite di Arhcimede che trasmette la propria rotazione ad un sistema di trasmissione, realizzato in maniera simile al sistema di trasmissione 41 di figura 1.

Risulte evidente come tale variante consenta di utilizzare dunque la viste di Archimede come sostitutiva della ruota portante 1, immergendo completamente la vite di Archimede al di sotto del livello C del corso d’acqua.

Come anticipato, le varianti descritte sono solo alcuni modelli di realizzazione del dispositivo oggetto della presente invenzione, che non rispecchiano necessariamente varianti più comode o semplici da realizzare.

Mentre l’invenzione è suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite sono state mostrate nei disegni e descritte in dettaglio.

Si deve intendere, comunque, che non vi è alcuna intenzione di limitare l’invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, essa intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell’ambito dell’invenzione come definito nelle rivendicazioni.

L’uso di “ad esempio”, “ecc.”, “oppure” indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato.

L’uso di “include” significa “include, ma non limitato a” a meno che non altrimenti indicato.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di generazione di energia elettrica, comprendente una ruota portante (1), a cui è fissata una pluralità di pale motrici (11), ed essendo la detta ruota portante (1) fissata in modo ruotabile ad una struttura di supporto, in modo tale per cui la ruota portante (1), immersa almeno parzialmente all’interno di un corso d’acqua, viene posta in rotazione dalla corrente di detto corso d’acqua, essendo la ruota portante (1) collegata a mezzi di generazione di energia elettrica, in modo tale per cui la rotazione di detta ruota portante (1) aziona tali mezzi di energia elettrica, caratterizzato dal fatto che detta struttura di supporto comprende un braccio di supporto (2) che presenta una prima estremità (20) collegata alla detta ruota portante (1) ed una seconda estremità (21) collegata ad una struttura fissa prevista in corrispondenza di detto corso d’acqua.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la detta prima estremità (20) del braccio di supporto (2) è posizionata a monte rispetto alla detta seconda estremità (21) con riferimento al verso (A) della corrente di detto corso d’acqua.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui la detta seconda estremità (21) è collegata alla detta struttura fissa attraverso un giunto (23) con almeno un grado di libertà.
4. 4. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il detto braccio di supporto (2) e/o la detta ruota portante (1) comprendono mezzi di regolazione dello stato di immersione di detta ruota portante (1).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui i detti mezzi di regolazione comprendono un braccio di ancoraggio (5) del detto braccio di supporto (2) al letto di detto corso d’acqua.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui i detti mezzi di regolazione comprendono mezzi di galleggiamento della detta ruota portante (1) e/o del detto braccio di supporto (2).
7. 7. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui le dette pale (11) presentano mezzi di variazione della lunghezza delle pale (11) stesse.
8. 8. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui le dette pale (11) presentano superfici lisce.
9. 9. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui la detta ruota portante è costituita da un elemento a cingolo al quale elemento a cingolo è fissata la detta pluralità di pale..
10. 10. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il detto braccio di supporto è costituito da una parte terminale a forma di ferro di cavallo, in modo da realizzare una sede di inserimento di detta ruota portante (1).