ITBG20080062A1 - Giunto a coda dinamica. - Google Patents

Description

1. DESCRIZIONE

invenzione avente per TÌTOLO :

“GIUNTO A CODA DINAMICA”,

L’invenzione è prevista per lo sfruttamento di energie alternative ambientali di natura dinamica. Vorrebbe essere, in particolare, una miglioria per l’energia eolica.

Nella stragrande maggioranza dei casi l’energia del vento oggi si cattura con pale rotanti ad asse orizzontale. Stante la variabilità del vento e la rigidità del sincronismo della rete elettrica alla quale i generatori si allacciano, è necessario un adattamento che segue lo schema di figura 1 :

A) Motore eolico, lento ed asincrono per sua natura. Asse di rotazione orizzontale.

B) Moltiplicatore di giri per ridurre le dimensioni del successivo Generatore Elettrico.

C) Generatore Elettrico asincrono per convertire l’energia meccanica in energìa elettrica a frequenza alternata.

D) Raddrizzatore per convertire l’alternata in raddrizzata.

E) Convertitore Elettronico Statico per fare della raddrizzata una corrente alternata adatta al parallelo con la rete elettrica di raccolta. Nelle nostre intenzioni il Giunto in descrizione adatta direttamente l’energia meccanica del motore eolico ad un alternatore sincrono già allacciato alia rete, come ad esempio avviene per le turbine idrauliche.

Perché ciò avvenga é però necessario che il giunto sia di natura flessibile e funzioni il più possibile da Adattatore Di Impedenza Automatico.

Il nostro Giunto funziona col principio delia propagazione dell’energia in forma di onda rotazionale lungo una corda elastica. Abbiamo denominato il nostro dispositivo “Giunto a Coda Dinamica” in omaggio ad un'immagine un po’ estemporanea: quella di un turista burlone che prende delicatamente per la punta della coda un piccolo coccodrillo addormentato e, con un veloce movimento rotatorio, lo ribalta pancia all'aria.

Ora, se il turista lo vuole e il coccodrillo lo consente, il movimento può diventare continuo con una rotazione a velocità angolare Ω (omega maiuscolo) in modo tale che il coccodrillo giri con continuità su sè stesso.

A questo punto il coccodrillo può essere un giocattolo, con il tronco a fare da volano (magari montato su due cuscinetti, uno sulla testa e uno sulla coda), e la coda a fare da manovella; è però necessario un cuscinetto tra la mano e la punta della coda per lasciare quest’ultima libera di girare su sé stessa assieme al tronco.

Per togliere anche la dissimmetria della coda dovuta alla presenza della gravità mettiamo il nostro sistema con l’asse da orizzontale a verticale.

Analizzando ora la situazione, abbiamo un tronco che fa da utilizzatore finale, la mano che fa da motore e la coda come giunto di adattamento tra la forza di trazione pura della mano esercitata alla punta e la torsione pura che si ritrova alla base all’attacco col tronco.

La coda è costituita da una serie di vertebre collegate tra loro da giunti di Cardano che hanno la funzione di darle libertà nella flessione ma ne impediscono la torsione.

Le vertebre hanno dimensioni via via crescenti e questo cambia con gradualità le caratteristiche dinamiche della coda che cosi è vista come una corda elastica ad impedenza variabile che consente l’adattamento d’impedenza continuo durante la trasmissione dell’onda ed impedirne le riflessioni

E’ il principio della frusta che trasmette energia da bassa velocità e grande massa (manico) a quella di alta velocità e piccola massa (punta). La coda è qui usata come frusta al rovescio.

Come si inquadra tutto questo nel nòstro impiego.

Innanzi tutto, quello che qui è il tronco diventa il rotore del generatore elettrico sincrono. Esso (gira, poniamo, al massimo dei giri consentiti dalla rete a 50 Hz: 3000 giri al minuto. Definiamo ω (omega piccolo) questa velocità angolare.

Con lo stesso ω (omega piccolo) gira su sè stessa anche la coda.

Quella che abbiamo chiamato “Mano del Turista" diventa la manovella messa in rotazione dal motore eolico. Questa avrà una velocità angolare Ω (omega grande), ovviamente piccola rispetto alla precedente però con lo stesso verso di rotazione.

A questo punto all’attacco al rotoré ci si aspetta una rotazione Ω ω (omega grande omega pìccolo) cosa impossibile vista la rigidità dei rotore vincolato al sincronismo.

Nasce così una coppia frenante che si “mangia” l’eccesso di rotazione delia coda, coppia che diviene motrice per il rotore e trasferisce energia in rete.

Concettualmente abbiamo raggiunto lo scopo.

Vediamo ora meglio nei dettagli.

Le vertebre della coda sono ade in rotazione su loro stesse e sono diventate volani. Quando poi l’asse della coda assumerà la forma sinuosa della frusta al lavoro i volani diverranno giroscopi dei quali ω (omega piccolo) sarà la rotazione e Ω (omega grande) la precessione.

I parametri che influiscono sulla trasmissione di energia lungo le corde elastiche oltre all’ampiezza e alla frequenza delle onde stesse, sono legati alla massa unitaria della corda e alla sua tensione assiale.

Una tensione assiale eccessiva oltre tutto alza la velocità di propagazione dell’onda, questa provoca un’eccessiva lunghezza della coda in quanto questa deve avere una lunghezza almeno pari a quella di una singola onda.

Questo può voler dire “ code lunghe “ viste le basse frequenze dei motori eolici. L'unica possibilità pare sia quella di alzare la massa unitaria ma, anche in questa direzione, per potenze alte si finisce con l’avere a che fare con dimensioni disumane.

Col sistema di far girare la coda alla velocità sincrona si ottiene il non trascurabile effetto di avere già l’energia elettrica in forma adatta ed inoltre i giroscopi, nelle giuste condizioni di impiego, hanno la prerogativa di moltiplicare la massa. Nel calcolo non compare infati la sola quantità di moto “ mv “ del lineare bensì il momento angolare “ mVR “ (velocità e raggio) delle masse volaniche, grandezza quindi notevolmente più alta.

Al fine di avere un ordine di grandezza delle dimensioni in gioco riportiamo un esempio di sistema eolico che oggi può essere considerato già piccolo ma indicativo. E’ previsto ovviamente l’impiego del nostro ritrovato.

La figura 2 ne traccia lo schema.

A) Motore Eolico.

Potenza 1 MW. Pale da 60 metri di diametro. 10-25 giri al minuto. Asse orizzontale.

B) Coppia di ingranaggi conica.

Serve per portare l’asse da orizzontale a verticale. Possibile moltiplicazione dei giri di un fattóre 3 per avere circa 60 giri al inuto. A questa velocità e potenza nominale ci aspettiamo un momento torcente di 160.000 Nm.

E’ previsto che alla terminazione dell’albero motore verticale sia posta una manovella di raggio aggiustabile che serve ad iniettare l’energia nel Giunto a Coda. Ipotizziamo che questo raggio raggiunga i 2 metri nella condizione di massima potenza e quindi una forza di coppia di 80.000 N . Questa forza se messa in quota, all’altezza dell’asse dei motore eolico, indurrebbe nella torre una notevole oscillazione ad 1 Hz ché oltre a sollecitare la struttura statica risulterebbe intollerabile per la girante eolica. E’ necessario quindi che l'albero verticale sia prolungato fino alla base della torre dove la rigidità locale della struttura annulla gli effetti.

C) Giunto a Coda Dinamica.

Si presenta all’esterno come un imbuto di circa 6 metri di diametro ed altrettanti di altezza e dal peso di 2.000-4.000 kg per la sola parte dinamica. La figura 3 ne schematizza la forma.

E’ costituito da circa 20 vertebre per avere i giunti Cardano con piccoli angoli di lavoro e dare quindi ottima flessibilità e basse perdite sui perni.

Le vertebre sono degli anelli di 1 metro di raggio che concentrano la massa all’esterno per avere un alto effetto volano. Il fissaggio ai Cardano è fatto con una cupoletta a grande raggio per dare sufficiente rigidità al volano stesso sottoposto alle tensioni provocate dagli effetti giroscopici.

La punta della coda è sospesa alla manovella e i due elementi di regolazione (indicati con le quote R ed E di figura 2) sono il raggio di manovella e l’estensione della coda che modula in parte la tensione assiale della coda e in definitiva l’accordo.

L’adattamento di impedenza, ossia l'aggiustaggio al trasferimento di energia ai rotore, è in parte automàtico. Infatti il momento torcente originale che viene frenato dal movimento sincrono del rotore si diluisce del rapporto tra le due velocità angolari e scarica cosi l’onda lasciando un pìccolo margine all’onda riflessa tipica di questi sistemi non adattati. Resta poi in aiuto il fatto che anche il motore eolico, col variare dell'inclinazione delle pale, cerca di tenere costante il numero di giri; almeno nel campo delle potenze medio-alte.

La velocità periferica degli aneli-vertebra è di 314 metri al secondo e con i 4.000 kg di massa fanno un momento angolare dell’ordine di 1.256.000 Joule sec dei quali solò la metà partecipa dell’effetto giroscopico (si suppone una pendenza dell’asse di spirale della coda di circa 30 gradi }.

Con una velocità angolare di 6,18 rajdianti al sec (60 giri al minuto) e una lunghezza d’onda di circa 5-6 metri (un’onda al sec) abbiamo un trasferimento di quasi 4 MJ in un secondo. Ce ne basterebbe uno solo per trasferire il Megawatt.

D) Generatore Elettrico Sincrono finale.

E’ il tradizionale alternatore trifase ad asse verticale. Per un MW di potenza e 3.000 giri al minuto il peso della macchina è dell’ordine di 5.000 kg con dimensioni 3 x 3 x2 metri.

Con questo è poi possìbile il parallelo ma occorre un dispositivo per lanciare l’alternatore al sincronismo perché non è possibile l'avviamento spontaneo o è possibile con qualche accorgimento supplementare.

Claims (1)

1. 2. RIVENDICAZIONI La funzione del Giunto a Coda Dinamica è quella di adattare un motore primario che raccoglie energia dinamica dall’ambiente direttamente ad un generatore elettrico sincrono. In particolare è previsto come primario un motore eolico a pale rotanti ed asse orizzontale o verticale. Come è noto molte delle difficoltà in questo campo sono legate alla bassa velocità rotazionale del motore primario e, soprattutto, alla sua variabilità che non consente l'impiego di un adattamento rigido quale potrebbe essere un sistema di moltiplicatore di giri ad ingranaggi che colleghi il lento e variabile motore primario al veloce e sincrono generatore elettrico secondario. La soluzione da noi proposta risolve il problema e con questa nota ne rivendichiamo l’originalità. L’idea consiste nello: 1. Impiegare come elemento di trasferimento ed adattamento delle due velocità inizialmente incompatibili, un giunto il cui funzionamento è paragonabile ad una frusta usata al rovescio: il manico solidale al rotore (con tutta la frusta quindi che ruota su sé stessa alla velocità del sincronismo di rete) e la punta appesa con un cuscinetto ad una manovella tenuta in rotazione dal motore primario che gira nello stesso verso del rotore. In questo modo si induce nella frusta un’onda rotazionale continua. La rotazione su sé stessa della frusta la ha trasformata in un sistema di giroscopi dei quali la lenta rotazione deila manovella costituisce ora il moto di precessione. In queste condizioni, il comunque lento e variabile moto rotazionale del primario si somma alla rapida rotazione sincrona della coda e l'eccesso di rotazione così formato versa energia in rete.