ITUA20163548A1

ITUA20163548A1 - Dispositivo trasduttore di energia fluidodinamica in energia elettromotrice

Info

Publication number: ITUA20163548A1
Application number: ITUA2016A003548A
Authority: IT
Inventors: Enrico Espinosa; Ferdinando Basile; Paola Demartini; Lorenzo Ricotti
Original assignee: Nwhisper S R L S; Spike 3D Concept Eng S A R L
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2017-11-18
Also published as: EP3458708A1; US20190162163A1; WO2017199159A1; US10590906B2

Description

Dispositivo trasduttore di energia fluidodinamica in energia elettromotrice,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo trasduttore di energia fluidodinamica in energia elettromotrice, il quale dispositivo comprende un organo d'interazione meccanica con un flusso di fluido il quale organo è supportato in modo oscillante almeno in un piano con una componente parallela alla direzione di flusso ed una componente preferibilmente perpendicolare ad una superficie del detto organo d'interazione meccanica che è trasversale alla direzione di flusso ed il quale organo viene posto in oscillazione o vibrazione dal detto flusso di fluido mediante uno o più elementi elastici di sospensione;

un generatore di forza elettromotrice operante mediante induzione magnetica e che comprende almeno un generatore di un flusso magnetico, preferibilmente non omogeneo e che attraversa almeno un conduttore elettrico preferibilmente sotto forma di almeno una bobina;

essendo il detto almeno un conduttore e/o la detta almeno una bobina dinamicamente collegati all'organo di interazione meccanica con il detto flusso di fluido e venendo detto conduttore o detta bobina spostati all'interno del campo magnetico dal movimento oscillatorio o vibratorio del detto organo, generando così un corrente indotta nel detto conduttore o nella detta bobina;

almeno una unità di raccolta del segnale elettrico generato mediante induzione nel detto conduttore o nella detta bobina, la quale unità di raccolta è collegata elettricamente ai capi del detto conduttore o della detta bobina.

Attualmente sono noti diversi tipi di questi dispositivi. Nella maggior parte dei casi si tratta di dispositivi destinati all'utilizzo quali generatori eolici definiti "non rotanti".

Tutti questi dispositivi sfruttano una tecnica di estrazione dell'energia da un fluido in movimento, sia esso un gas (ad esempio aria, combustibili gas, etc.) od un liquido (acqua, carburante, etc.) mediante una conversione elettro-meccanica in un campo magnetico: una parte l'energia cinetica del fluido viene utilizzata per generare un moto relativo tra un campo magnetico e una o più bobine costituite da filo conduttore elettrico.

Per generare una variazione del campo magnetico attraverso le spire delle bobine, tutte le combinazioni relative sono possibili:

- bobine stazionarie con un campo magnetico in movimento;

- bobine in movimento in un campo magnetico stazionario;

- sia le bobine sia i campi magnetici sono in condizione di movimento relativo;

- viene generato un campo magnetico variabile per intensità e/o nella direzione delle linee di campo.

In tutti i sistemi descritti la variazione del flusso magnetico che permea le bobine, induce una corrente alternata elettrica (AC), secondo le note equazioni di Maxwell, convertendo così una parte dell'energia del fluido in energia elettrica.

Un'alternativa ai sistemi di conversione energetica rotanti è costituita dalle cosiddette superfici fluttuanti (spesso definite per brevità "ali"). Queste ali consentono la raccolta di energia a velocità del fluido inferiori a quelle che sono necessarie per un impiego efficace dei sistemi di conversione rotanti e offrono un approccio costruttivo semplice, con conseguente minor costo e maggiore affidabilità a lungo termine.

L'estrema semplicità e la possibilità di una elevata miniaturizzazione rende questo tipo di trasduttori/convertitori di energia meccanica in energia elettrica particolarmente adatti ad un uso quali generatori per l'energia necessaria all'alimentazione di unità remote che si attivano per tempi brevi ad intervalli di tempo relativamente lunghi.

Nel dominio dell'Internet delle cose (IoT) l'apporto energetico per alimentare dispositivi, come sensori ed altri tipi di sistemi remoti microelettronici è particolarmente sentita in quanto queste unità possono trovarsi in luoghi remoti e non raggiungibili velocemente o facilmente.

Tali dispositivi sono per lo più sensori remoti o sistemi di meteorologia, destinati a passare la maggior parte del loro tempo in modalità stand-by e ad operare con il minimo di energia. Uno strumento efficace e compatto in grado di raccogliere l'energia da un fluido può quindi contribuire ad una richiesta di potenza degli oggetti, e può essere affiancato od integrato con od eventualmente sostituito alle tradizionali batterie .

Grazie a ciò si limiterebbe notevolmente la frequenza degli interventi di manutenzione obbligatori e si incrementerebbe l'affidabilità del sistema.

Esiste pertanto una esigenza pressante a migliorare i dispositivi esistenti per consentire sempre migliori prestazioni e maggiore affidabilità e durata.

L'invenzione mira quindi a perfezionare un dispositivo del tipo descritto all'inizio nel senso di rendere maggiormente efficiente, affidabile e meno costoso il dispositivo stesso.

Secondo un primo aspetto la presente invenzione, si propone di perfezionare il suddetto dispositivo in modo tale da consentire di essere applicato in casi in cui la direzione del flusso può essere invertita senza per questo necessitare di un riposizionamento.

Un ulteriore aspetto dell'invenzione prevede di perfezionare ulteriormente sia la sospensione elastica della superficie fluttuante o dell'ala fluttuante, sia la struttura dell'ala stessa in modo da ottimizzare il comportamento fluidodinamico dell'ala nell'interazione con il flusso di fluido.

Poiché il segnale elettrico generato dipende sia dall'ampiezza, sia dalla frequenza di oscillazione, l'invenzione mira a massimizzare in particolare l'ampiezza, in quanto parametro di maggiore rilevanza specialmente per flussi lenti o a bassa densità, ovvero a bassa energia cinetica.

Ancora un ulteriore aspetto dell'invenzione prevede di ottimizzare un dispositivo secondo la presente invenzione in modo da poter sfruttare flussi bidirezionali in combinazione con una costruzione semplice e robusta e che consente di evitare compromessi costruttivi che potrebbero limitare l'efficienza riducendo la libertà del moto oscillatorio dell'organo di interferenza.

Secondo quanto sopra, l'invenzione prevede dispositivo trasduttore di energia fluidodinamica in energia elettromotrice, il quale dispositivo comprende un organo d'interazione meccanica con un flusso di fluido il quale organo è supportato in modo oscillante almeno in un piano con una componente parallela alla direzione di flusso ed una componente preferibilmente perpendicolare ad una superficie del detto organo d'interazione meccanica che è trasversale alla direzione di flusso ed il quale organo viene posto in oscillazione o vibrazione dal detto flusso di fluido mediante uno o più elementi elastici di sospensione;

almeno una unità di raccolta del segnale elettrico generato mediante induzione nel detto conduttore o nella detta bobina, la quale unità di raccolta è collegata elettricamente ai capi del detto conduttore o della detta bobina ed in cui

il detto organo di interazione con il flusso di fluido è supportato oscillante intorno ad un asse traversale alle direzione del flusso stesso e che corrisponde ad un asse trasversale, intermedio del detto corpo,

essendo il detto asse di rotazione supportato alle sue opposte estremità da una intelaiatura di supporto ed

essendo previsti mezzi elastici in direzione di rotazione con riferimento alla detta rotazione intorno al detto asse.

Preferibilmente il detto asse è un asse centrale della proiezione della forma dell'organo di interazione sul piano di sezione trasversale del flusso di fluido ed è coincidente con l'asse diametrale centrale della sezione trasversale del detto flusso di fluido.

In una forma esecutiva i mezzi elastici che agiscono in senso di rotazione sull'asse di rotazione sono costituiti vantaggiosamente da molle elicoidali.

Preferibilmente è prevista una molla elicoidale cooperante con ciascuna delle estremità dell'asse di oscillazione dell'organo di interazione col flusso di fluido nella zona di supporto all'intelaiatura od in una posizione intermedia fra detta zona di supporto e l'organo di interazione col flusso di fluido.

In questo modo, l'organo di interazione può oscillare contro una forza elastica che agisce nel senso di ripristinare una posizione di riposo avente un orientamento od una posizione angolare dell'organo di interazione prestabilita rispetto al flusso di fluido, con riferimento alla detta oscillazione.

Vantaggiosamente una forma esecutiva prevede che l'organo di interazione col flusso di fluido sia sotto forma di foglia, lamina, ala o simili che presenta una forma in pianta corrispondente alla sezione trasversale del flusso di fluido quando il detto flusso è confinato in un condotto, un canale od un tubo o di parte di esso quando il flusso di fluido non presenta delimitazioni di contenimento vicine, come nel caso di vento, correnti, maree, etc.

Ancora secondo una forma esecutiva, preferibilmente la bobina o le bobine di induzione sono sotto forma di spirali che si estendono su un piano od altra superficie e sono fissate alla superficie dell'organo di interazione od incorporate, annegate, integrate nel detto corpo.

In questa combinazione è possibile preveder un campo magnetico stazionario omogeneo per intensità avente un orientamento stabile e un verso stabile.

Una forma esecutiva prevede un campo magnetico che è orientato pedicolarmente all'asse di oscillazione dell'organo di interazione con il flusso di fluido e perpendicolarmente alla direzione di flusso del detto fluido.

Sempre secondo un perfezionamento, il collegamento elettrico fra la bobina avviene attraverso i tratti terminali dell'asse di oscillazione che si dipartono da lati diametralmente opposti dell'organo di interazione e che sono di materiale elettricamente conduttivo e che si collegano da un lato detta bobina e dall'altro all'unità di raccolta del segnale elettrico generato per induzione.

In una forma esecutiva in cui il detto dispositivo è destinato ad essere montato all'interno di un tubo od un canale di contenimento del flusso di fluido essendo il detto dispositivo interposto fra due convogliatori di flusso che a seconda della direzione del flusso generano una disomogeneità di densità del flusso di fluido lungo la sezione del tubo o del canale.

In particolare tale disomogeneità genera un gradiente di densità di fluido che aumenta la densità del fluido in relazione alla distanza radiale dall'asse di oscillazione.

Pertanto i detti convogliatori generano una maggiore densità del flusso rispettivamente verso una di due opposte fasce della sezione del flusso di fluido e quindi del tubo o del canale che coincidono con una delle due zone diametralmente opposte dell'organo di interazione con flusso di fluido previste più lontane dall'asse di oscillazione, aumentando così l'azione del flusso di fluido verso tali zone radialmente più esterne dell'organo di interazione rispetto alle zone radialmente più vicine all'asse di rotazione del detto organo di interazione col flusso di fluido.

Tali convogliatori presentano in particolare una sezione trasversale sostanzialmente ad s.

Secondo ancora un ulteriore aspetto l'invenzione prevede di perfezionare il dispositivo in modo tale da poter essere utilizzato anche in caso di flussi lenti od a basso contenuto di energia cinetica.

Con la superficie oscillante, in presenza del campo magnetico, parte dell'energia oscillante viene trasformata in energia elettrica. Le caratteristiche del degnale elettrico generato sono misurabili in termini di tensione o di corrente e dipendono da due fattori :

1. L'ampiezza delle oscillazioni della bobina: maggiori ampiezze di oscillazione generano picchi di tensione o di corrente più elevati;

2. La frequenza delle oscillazioni: frequenze più elevate trasferiscono una maggiore quantità di energia.

A bassa velocità dei fluidi, l'ampiezza delle oscillazioni diventa il fattore più importante per l'estrazione dell'energia. L'impatto del fluido sulla superficie oscillante genera una oscillazione regolare od una oscillazione caotica della bobina nel campo magnetico. Secondo le leggi di conservazione dell'energia, l'estrazione dell'energia elettrica dalla bobina causa la riduzione di ampiezza delle oscillazioni e ne riduce la frequenza. Quando a causa di questo effetto l'ampiezza o la frequenza si abbassano sotto una soglia la quantità di energia raccolta si riduce drasticamente od addirittura è nulla. In queste condizioni, il sistema composto da superficie fluttuante e la bobina cade in uno stato stazionario nel quale, in media, la potenza generata svanisce o diventa troppo bassa per essere efficacemente estratta.

Al fine di evitare l'insorgere della condizione sopra illustrata l'invenzione prevede un particolare metodo di raccolta che è controllato da un unità di controllo associata e/o integrata nell'unità di raccolta ed in cui la detta unità di controllo interrompe automaticamente il prelievo di energia elettrica dalla bobina, per evitare un damping od uno smorzamento delle oscillazioni.

Questa interruzione della raccolta di energia in un particolare momento ed in una particolare condizione si traduce nell'eliminazione di un vincolo temporaneo di movimento dell'ala e consente alla stessa di continuare ad oscillare con grandi ampiezze di oscillazione e di riavviare un efficace processo di estrazione dell'energia.

In particolare, nell'unità di controllo è impostabile un parametro di valutazione dell'energia elettrica sotto forma di una soglia minima di valore di tensione o di corrente del segnale elettrico indotto nella o nelle bobine, e l'unità di controllo misura la tensione o la corrente effettiva del segnale elettrico indotto interrompendo il prelievo di energia elettrica dalla bobina per un certo periodo di tempo che è anch'esso preimpostato quando la misura rispettivamente di tensione o di corrente raggiunge o scende al di sotto di detta soglia minima del valore di tensione o di corrente.

Secondo una forma esecutiva, la soglia minima di tensione o di corrente è determinata quale valore intermedio fra un valore teorico ideale di tensione o di corrente del segnale elettrico indotto nella bobina grazie alle oscillazioni dell'ala ed una valore di tensione o di corrente del detto segnale elettrico indotto corrispondente alla condizione in cui il prelievo determina il damping dell'ampiezza e/o della frequenza delle oscillazioni dell'ala in misura tale da ridurre l'energia prelevabile a livelli prossimi allo zero. Quest'ultimo valore può essere determinato empiricamente, in via sperimentale, oppure mediante calcoli teorici.

Una forma esecutiva prevede quindi un dispositivo trasduttore di energia fluidodinamica in energia elettromotrice, il quale dispositivo comprende

un organo d'interazione meccanica con un flusso di fluido il quale organo è supportato in modo oscillante quando interferisce con un flusso di fluido venendo posto in oscillazione o vibrazione dal detto flusso di fluido mediante uno o più elementi elastici di sospensione;

essendo il detto almeno un conduttore e/o la detta almeno una bobina dinamicamente collegati all'organo di interazione meccanica con il detto flusso di fluido e venendo detto conduttore o detta bobina spostati all'interno del campo magnetico dal movimento oscillatorio o vibratorio del detto organo d'interazione meccanica con il flusso, generando così un corrente indotta nel detto conduttore o nella detta bobina;

almeno una unità di raccolta del segnale elettrico generato mediante induzione nel detto conduttore o nella detta bobina, la quale unità di raccolta è collegata elettricamente ai capi del detto conduttore o della detta bobina ed

essendo il collegamento elettrico fra il detto conduttore o la detta bobina generato grazie ad almeno parte degli elementi elastici di sospensione che sono realizzati di materiale elettricamente conduttivo e si collegano al conduttore e/o alla detta bobina ed all'unità di raccolta del segnale elettrico generato per induzione ed in cui

l'unità di raccolta comprende od è associata ad una sezione di controllo che presenta

una memoria in cui è impostabile almeno un valore di soglia minima di corrente o di tensione del segnale elettrico prelevato dal generatore,

una unità di misurazione del valore di corrente o di tensione del segnale elettrico prelevato dal generatore ;

un comparatore del valore di corrente o di tensione misurato con il valore di soglia impostato;

un interruttore del collegamento elettrico fra il detto generatore e la detta unità di raccolta il quale interruttore è comandato dall'unità di comparazione e viene commutato in condizione di interdizione del collegamento elettrico fra il generatore e l'unità di raccolta quando il valore di corrente o di tensione misurato raggiunge o passa al di sotto del valore di soglia impostato.

Secondo ancora una caratteristica, l'unità di controllo prevede un temporizzatore in cui è impostato o impostabile un periodo di tempo durante il quale la condizione di interdizione del collegamento elettrico fra generatore e unità di raccolta viene mantenuta ed al termine del quale periodo di tempo l'interruttore viene commutato automaticamente in condizione di chiusura e di ripristino del collegamento elettrico fra generatore e unità di raccolta.

Un ulteriore perfezionamento prevede che nella memoria dell'unità di controllo siano memorizzati diversi valori di soglia calcolati o determinati empiricamente, in particolare sperimentalmente con riferimento a diverse condizioni di impiego, relativamente al tipo di fluido, alle condizioni ambientali ed alle portate, e di versi periodi di tempo di durata della condizione di interdizione, essendo prevista una interfaccia di selezione ed impostazione del detto valore di soglia e del detto periodo di tempo di interdizione.

L'invenzione prevede ulteriormente un metodo di trasduzione di energia fluidodinamica in energia elettrica, il quale metodo prevede i seguenti passi:

a) esporre una superficie fluttuante od un ala oscillante ad un flusso di fluido in modo che la detta superficie o la detta ala vengano poste in una condizione di oscillazione;

b) associare alla detta superficie ed alla detta ala un generatore di forza elettromotrice operante mediante induzione magnetica e che comprende almeno un generatore di un flusso magnetico, preferibilmente non omogeneo e che attraversa almeno un conduttore elettrico preferibilmente sotto forma di almeno una bobina che è dinamicamente collegato alla detta ala od alla detta superficie fluttuante;

c) prelevare il segale elettrico indotto nel detto generatore ed eventualmente accumularlo od utilizzarlo ,

d) determinare un valore critico di corrente o di tensione del segnale elettrico generato al quale la raccolta di energia elettrica non è più efficiente e determina una condizione di damping o soppressione del moto oscillatorio della superficie fluttuante o dell'ala;

e) impostare una soglia minima di valore di corrente o tensione al di sopra del detto valore critico alla quale l'effetto di damping delle oscillazioni è solo parziale in una prestabilita misura;

f) misurare il valore di corrente o di tensione del segnale generato;

g) confrontare il detto valore misurato con il valore di soglia minima e interrompere per un prestabilito periodo di tempo il prelievo del segnale elettrico generato quando il valore misurato coincide o passa al di sotto del valore di soglia minima;

h) ripristinare il detto prelievo del segnale elettrico generato quando è trascorso il detto periodo di tempo e ripetere i passi a) ad h) in loop.

Tali caratteristiche sono applicabili a qualsivoglia delle varianti descritte in precedenza secondo i diversi aspetti dell'invenzione ed in qualsivoglia sotto combinazione.

Quando il dispositivo secondo uno o più qualsivoglia delle caratteristiche descritte in precedenza nelle diverse forme esecutive è destinato ad essere inserito all'interno di un condotto od un tubo, od altro contenimento di un flusso, risulta relativamente problematico il trasferimento del segnale elettrico generato all'esterno del detto tubo o simili. Ciò risulta particolarmente critico quando le caratteristiche del fluido richiedono particolari attenzioni per la manipolazione in sicurezza dello stesso a causa dell'attività chimico fisica del fluido.

La realizzazione di fori o passaggi anche a tenuta nella parete del tubo, o simili, non è consigliabile per il fato di richiedere una manutenzione e comunque poter essere soggetta a danneggiamenti che causerebbero perdite di fluido.

Secondo un ulteriore aspetto, la presente invenzione mira a perfezionare un dispositivo secondo una o più qualsivoglia delle precedenti varianti e forme esecutive in modo tale per cui quando impiegato all'interno di contenimenti del flusso di fluido possa garantire un efficace trasporto dell'energia elettrica generata all'esterno del contenimento senza richiedere interventi sulle pareti che richiedono la generazione di passaggi od attraversamenti della parete di contenimento da parte di conduttori.

La presente invenzione prevede in questo caso un dispositivo trasduttore di energia fluidodinamica in energia elettromotrice, il quale dispositivo comprende un organo d'interazione meccanica con un flusso di fluido il quale organo è supportato in modo oscillante quando interferisce con un flusso di fluido venendo posto in oscillazione o vibrazione dal detto flusso di fluido mediante uno o più elementi elastici di sospensione;

almeno una unità di raccolta del segnale elettrico generato mediante induzione nel detto conduttore o nella detta bobina, la quale unità di raccolta è collegata elettricamente ai capi del detto conduttore o della detta bobina,

essendo il detto dispositivo alloggiato all'interno di un condotto di contenimento del detto fluido ed essendo il dispositivo di raccolta previsto esternamente al detto condotto di contenimento,

mentre il passaggio dell'energia elettrica attraverso la parete di contenimento del detto flusso di fluido dalla bobina di induzione al dispositivo di raccolta avviene mediante accoppiamento capacitivo fra un terminale interno al condotto di contenimento e collegato alla detta bobina ed un terminale esterno al detto condotto di contenimento e collegato all'unità di raccolta.

In questa configurazione i due terminali costituiscono i due elettrodi di un condensatore e la parete del condotto di contenimento ha la funzione di dielettrico .

Il passaggio del segnale elettrico è garantito poiché il segnale è un segnale AC e quindi il condensatore è trasparente per questo segnale.

Quando la parete del dispositivo di contenimento è di materiale metallico e conduttivo è possibile prevedere il montaggio del dispositivo in un raccordo tubolare da interporre nel condotto e che collega due sezioni di detto condotto essendo la parete del detto raccordo almeno in parte costituita da materiale dielettrico, almeno nella zona coincidente con i terminali collegati alla bobina ed alla unità di raccolta e che costituiscono gli elettrodi della capacità .

Alternativamente è anche possibile prevedere l'inserimento di una finestra di materiale dielettrico inglobata nella parete del condotto di contenimento nella zona coincidente con i detti terminali collegati alla bobina ed alla unità di raccolta e che costituiscono gli elettrodi della capacità.

Secondo un ulteriore aspetto che può essere comune a tutte le forme esecutive qui sopra descritte, dal punto di vista strutturale del dispositivo, esso è composto da una intelaiatura rigida avente una sezione tubolare, ed all'interno della quale è supportato in modo elasticamente oscillante l'organo di interazione col flusso di fluido con le bobine di induzione della forza elettromotrice, da almeno un generatore di campo magnetico e da almeno una unità di raccolta del segnale indotto nelle dette bobine che è collegato alle stesse, essendo la detta intelaiatura con l'organo di interazione e con la bobina di induzione ed eventualmente i magneti di generazione del campo magnetico alloggiabili all'interno di un condotto di contenimento di un flusso di fluido, direttamente nel detto condotto od in un raccordo tubolare di inserimento fra due sezioni di detto condotto di contenimento, mentre almeno la detta unità di raccolta ed eventualmente una unità di controllo sono montate direttamente alla parete all'esterno del condotto di contenimento o su una intelaiatura di supporto a sua volta fissabile dall'esterno al detto condotto di contenimento, essendo previsti di trasporto dell'energia elettrica attraverso al detta parete del condotto di contenimento dalla bobina all'unità di raccolta e/o di controllo.

Sempre secondo un ulteriore aspetto, il dispositivo secondo una o più delle precedenti varianti è utilizzato per misurare la portata di un flusso di fluido.

Secondo un ulteriore aspetto, il dispositivo secondo una o più delle precedenti forme esecutive è utilizzato quale convertitore di energia meccanica in anergia elettrica per l'accumulo di quest'ultima, ad esempio quale generatore di energia elettrica o cosiddetto "harvester".

In tutte le forme esecutive descritte, il segnale elettrico indotto nella bobina viene prelevato dalla bobina stessa grazie al fatto che i bracci di supporto sono realizzati conduttivi essendo ciascuno di essi collegato ad una estremità della detta bobina. La conduzione elettrica può avvenire anche attraverso la parte della molla a spirale od anche attraverso gli alberini od i perni di supporto dell'ala ad una struttura si supporto.

Da quanto sopra esposto appaiono evidenti i vantaggi della presente invenzione.

Ulteriori perfezionamenti sono oggetto delle sottorivendicazioni .

Le caratteristiche sopra descritte nelle diverse combinazioni e sottocombinazioni ed altre caratteristiche nonché i vantaggi ad esse correlate risulteranno più chiaramente dalla seguente descrizione di alcuni esempi esecutivi illustrati nei disegni allegati in cui:

Le figure 1 e 2 mostrano una ulteriore forma esecutiva rispettivamente in una vista in direzione di flusso ed in una vista in prospettiva.

Le figure 3 e 4 mostrano un particolare di un sistema capacitivo di trasferimento del segnale elettrico attraverso una parete di tubo, rispettivamente con una vista in sezione secondo un piano diametrale, assiale ed un particolare di una vista in sezione trasversale del tubo.

Nella presente descrizione e nelle rivendicazioni, il termine organo di interazione meccanica con il flusso di fluido può avere qualsivoglia forma realizzative.

Quando il detto organo è costituito da un elemento appiattito di qualsivoglia forma in pianta, nella presente invenzione il detto organo viene definito come ala, superficie fluttuante, foglia, lamina, e questi termini sono da considerarsi fra loro equivalenti od indicanti un medesimo elemento che ha simili caratteristiche di forma e di comportamento in un fluido.

Le figure 1 e 2 mostrano una forma esecutiva dell'invenzione, rispettivamente in una vista in direzione di flusso ed in una vista in prospettiva.

Per l'inserimento in piccole tubazioni, le forme esecutive dei noti organi di interazione con il flusso di fluido benché efficaci con portate normali o medio basse presentano l'inconveniente:

a) di non sfruttare l'intera sezione trasversale del flusso di fluido, ma solo quella parte di esso che entra nell'intelaiatura del dispositivo e per la sezione corrispondente alla proiezione dell'organo di interazione sulla sezione trasversale del flusso incidente. Questo influenza l'efficacia massima teorica della conversione di energia meccanica in energia elettrica.

b) le sospensioni elastiche dell'organo di interazione con flusso di fluido non sopprimono completamente la possibilità di oscillazioni in direzione dell'asse traversale alla direzione del flusso ovvero dell'asse z. È quindi necessario dimensionare attentamente il dispositivo per evitare urti con la superficie interna della tubazione. Questo limita l'ampiezza di oscillazione e la loro efficacia nel recupero energetico.

c) Nel caso di tubazioni in cui il fluido può fluire nei due sensi, risulta complicato utilizzare un organo di interazione di tipo noto senza compromettere l'efficienza di conversione.

La forma esecutiva delle figure 1 e 2 supera questi inconvenienti con una realizzazione dell'organo di interazione del tipo a farfalla, come gli otturatori delle valvole cosiddette a farfalla.

Il dispositivo secondo questa forma esecutiva prevede una organo d'interazione con una costruzione analoga a quella dell'otturatore a farfalla [9] di una valvola a farfalla in cui sono integrate o su cui sono realizzate o fissate le piste conduttrici che formano una bobina d'induzione [12] e che è immersa in un campo magnetico costante e spazialmente uniforme.

La figura 1 mostra una vista in pianta in direzione di flusso su un dispositivo con un organo d'interazione del tipo sopra specificato.

L'organo di interazione [9] è inserito in una condotto illustrato tratteggiato che può essere della stesse dimensioni della sezione della tubazione in cui fluisce il fluido e può essere inserito fra due sezioni di detta tubazione a guisa di raccordo di congiunzione delle dette due sezioni oppure, presentando una intelaiatura tubolare può essere infilato nella tubazione in una prestabilita posizione e bloccato in questa posizione.

I due braccetti [10] sono costituiti rispettivamente da due assi di oscillazione orientati coassialmente fra loro e previsti fissati all'intelaiatura per mezzi di due terminali di fissaggio stazionari [11]. Ciascun braccetto [10] è formato da tre segmenti, le cui funzioni sono elencate a seguito:

La sezione a dei due braccetti [10] forma o circonda una parte periferica del bordo di una foglia, lamina o ala [9] che è racchiusa quasi completamente, perifericamente dalle due sezioni a dei due braccetti fra loro diametralmente contrapposti.

La parte di lamina [9] che costituisce l'organo di interazione presenta una forma corrispondente alla sezione del tubo in cui è alloggiata, essendo provvista nelle zone diametralmente opposte in cui sono posizionati i due braccetti [10] di uno spianamento per creare uno spazio di alloggiamento dei detti braccetti.

La sezione β dei braccetti [10] presenta un tronco d'alberino che è coassiale con il tronco di alberino dell'altro braccetto diametralmente opposto essendo di due tronchi d'alberino coassiali con un asse di oscillazione del organo di interazione [9] che è coincidente con un asse diametrale della sezione del tubo e con l'asse centrale dell'organo di interazione [9]. Il tronco d'alberino collega la sezione a dei braccetti con una molla a spirale.

La sezione y è un ulteriore tronco d'alberino che è coassiale a quello della sezione β e connette rigidamente la molla a spirale ai punti di ancoraggio [11]·

I terminali della bobina [12] si collegano ai braccetti [10] per mezzo di ponti [13] che garantiscono conduzione elettromagnetica diretta o indiretta tra la bobina ed i braccetti stessi.

I braccetti [10] od almeno alcuni segmenti di questi sono di materiale conduttivo e vengono utilizzati per il prelievo dell'energia elettrica dalla bobina verso l'esterno, come verrà specificato con un esempio esecutivo descritto a seguito, i terminali dei detti braccetti possono collegarsi a conduttori di prelevamento del segnale elettrico che passano all'esterno di un condotto di contenimento del flusso grazie a passaggi a tenuta oppure il segnale elettrico viene trasferito dai braccetti [10] a conduttori esterni grazie ad accoppiamenti di tipo capacitivo.

Come risulta dalla figura 2 l'organo di interazione secondo la figura 1 è vantaggiosamente associate a convogliatori di flusso che sono previsti sui due lati dell'organo di interazione stesso.

I convogliatori [15.1] e [15.r] sono sagomati in modo tale da creare una asimmetria nel flusso del fluido incidente sull'organo di interazione, in modo da forzare la maggior parte del flusso verso una delle zone d'estremità dell'organo di interazione [9] radialmente più distanti dall'asse di oscillazione. Ciò permette di concentrare il flusso solo nella parte del tubo corrispondente ad una delle due semi-sezioni che si ottengono tagliando la sezione circolare in corrispondenza di uno dei suoi diametri.

In una forma esecutiva particolare che è quella illustrata nella figura 2, il convogliatore [15.r] presenta una forma ad S in sezione secondo il piano assiale diametrale essendo la zona centrale costituita da una superficie inclinata di deviazione del flusso incidente, mentre i tratti terminali arcuati deviano in direzione di flusso formando delle finestra di passaggio alle estremità diametralmente opposte fra loro [16.r] e [17.r].

Per un flusso proveniente da destra, la forma del convogliatore [15.r] devia la maggior parte del flusso a passare attraverso l'apertura [16.r], mentre solo una parte minore fluirà attraverso l'apertura [17.r]. Questo crea una differenza di velocità e di impulso (pressione) del flusso di fluido incidente nella parte superiore sul lato destro dell'organo di interazione [9] rispetto al flusso incidente sulla parte inferiore. Come risultato, l'organo d'interazione a farfalla sarà soggetto ad un spinta a ruotare in senso antiorario intorno all'asse z e l'angolo cp cambierà da 90° a valori più bassi. A causa delle molle a spirale della sezione β dei braccetti [10], che vengono caricate, la rotazione darà luogo ad oscillazioni angolari variabili.

Il campo magnetico [4] è costante ed omogeneo spazialmente ed è generato dai dipoli magnetici [14], le variazioni di cp, indurranno una corrente negli avvolgimenti della bobina [12] planare.

Un ulteriore convogliatore [15.1] è posto sull'altro lato dell'organo di interazione [9], a distanza sostanzialmente identica di quella del primo convogliatore e con la medesima forma ed il medesimo orientamento della detta forma rispetto alla direzione del flusso di fluido ovvero all'asse del tubo come il convogliatore [15.r]. Appare evidente che, in caso di fluido proveniente dalla direzione opposta, il flusso verrà deviato affinché la maggior parte dello stesso passerà attraverso l'apertura [16.1] generando più pressione sulla parte sinistra inferiore dell'organo di interazione [9]. Come risultato, l'organo di interazione [9] inizierà ad oscillare in senso antiorario esattamente per lo stesso meccanismo descritto per il convogliatore [15.r] rendendo quindi il dispositivo utilizzabile per flussi bidirezionali.

Il dispositivo secondo l'invenzione può essere utilizzato quale flussometro per misurare il flusso di un fluido in condotte che trasportano liquidi pericolosi per cui gli standard tecnici di sicurezza o la normativa impone test severi e frequenti di eventuali passaggi a tenuta che attraversano la parete delle condotte.

La necessità di trasportare l'energia prodotta all'interno delle condotte, ad esempio di un gasdotto in un luogo esterno alla condotta stessa deve essere quindi conforme a tali requisiti rigorosi.

Per tutte le forme esecutive precedentemente descritte è possibile prelevare l'energia elettrica raccolta, sia ai fini di una misurazione della portata di un flusso, sia ai fini di una raccolta di energia elettrica semplicemente estraendo la corrente indotta attraverso un filo che passa attraverso un foro nella tubazione. Tuttavia questa soluzione può non essere accettabile in molti casi.

La forma esecutiva delle figure 3 e 4 prevede una particolare realizzazione del trasferimento di energia elettrica attraverso la parete di un tubo o simili che consiste nello sfruttare la natura alternata della corrente indotta. In questo caso è possibile trasferire tale energia dall'interno all'esterno della condotta mediante un accoppiamento capacitivo.

Con riferimento alla fig. 3, una finestra di materiale dielettrico è incorporata nella parete di un tubo o simili. In questa particolare forma esecutiva, la finestra di materiale dielettrico [18], è fissata a tenuta nella parete del tubo per mezzo di un telaio [19].

In una variante esecutiva, la finestra [18] può essere estesa fino a formare parte dell'intera tubazione e il telaio [19] può diventare il legame tra questa sezione e il resto della tubazione.

Il terminale [11] in contatto elettrico con la bobina generazione della corrente elettrica attraverso il braccetto [10] è previsto in corrispondenza della finestra [18] di materiale dielettrico.

Il terminale [11] è fissato alla parete del tubo in corrispondenza della finestra di dielettrico e risulta quindi elettricamente isolato dalla parete del tubo, mentre il materiale dielettrico agisce come la piastra interna di un condensatore. L'altro elettrodo del condensatore [20] è previsto all'esterno della parete del tubo in corrispondenza della finestra di materiale dielettrico L'insieme del terminale della finestra di dielettrico e del terminale esterno formano un condensatore [11] [18] [20], come appare dalla figura 4.

I picchi di corrente alternata come noto attraversano il condensatore ed il segnale elettrico può essere prelevato dall'elettrodo esterno [20] e trasmesso alla unità di raccolta e/o all'elettronica di comando.

Secondo una ulteriore caratteristica che può essere prevista per ciascuna delle diverse varianti esecutive della presente invenzione, il dispositivo descritto è previsto in combinazione con una unità elettronica di controllo che esegue un programma di ottimizzazione del prelievo di energia elettrica volto ad impedire che tale prelievo in condizioni sfavorevoli inneschi una soppressione della libertà di movimento dell'organo di interazione.

Grazie all'organo di interazione con il flusso di fluido oscillante, in presenza del campo magnetico, parte dell'energia oscillante viene trasformata in energia elettrica. Le caratteristiche del segnale elettrico generato sono misurabili in termini di valore di tensione o di corrente e dipendono da due fattori:

1. L'ampiezza delle oscillazioni della bobina: oscillazioni maggiori ampiezze di oscillazione, picchi più elevati di tensione o di corrente;

2. La frequenza delle oscillazioni: maggiori frequenze maggiore trasferimento di energia.

Con flussi a bassa velocità, l'ampiezza delle oscillazioni diventa il fattore più importante per 1'estrazione dell'energia.

L'impatto del fluido sull'organo d'interazione genera una oscillazione che può avere sia un moto regolare sia casuale della bobina nel campo magnetico. Secondo le leggi di conservazione dell'energia, l'estrazione dell'energia elettrica dalla bobina determina un abbassamento dell'ampiezza delle oscillazioni ed un rallentamento della frequenza dell'oscillazione al di sotto di una soglia alla quale si riduce drasticamente la quantità di energia raccolta o questa viene resa nulla.

In queste condizioni, il sistema assume uno stato stazionario in cui, in media, la potenza generata svanisce o diventa troppo bassa per essere efficacemente estratta.

Secondo la presente invenzione il dispositivo presenta una unità elettronica di controllo che è in grado di eseguire un ciclo di controllo mirato ad interrompere automaticamente il prelievo di corrente indotta dalla bobina per evitare damping o soppressioni delle oscillazioni. L'interdizione del prelievo di energia in un particolare momento si traduce nell'eliminazione di un vincolo temporaneo di movimento e consente di ripristinare la facoltà dell'organo di interazione di oscillare con grandi ampiezze, e di riavviare il processo di estrazione dell'energia.

Secondo un esempio esecutivo che prevede quale valore di misura dell'energia elettrica indotta il valore di corrente, l'unità di controllo esegue un algoritmo di controllo che mette in atto un ciclo comprende i seguenti passi.

a) Si definisce con IO un valore di corrente o di tensione che viene impostato nel circuito elettronico di controllo tale per cui il dispositivo non è in grado di fornire più alcuna energia dalla bobina.

b. Si definisce con IOpt un valore di corrente del segnale indotto dalla bobina che corrisponde ad una condizione di funzionamento ottimizzato relativamente ai picchi di corrente indotti nella bobina e che viene fornito in ingresso del circuito elettronico di controllo, essendo il valore di IOpt » IO.

c. Si definisce con Imin, con IOpt> Imin> IO un valore di soglia minimo dei picchi di corrente in ingresso del circuito elettronico di controllo tale per cui, quando i valori dei picchi diventano sempre minori di |Imin|, si può presumere che l'estrazione di energia provochi una certa azione di damping o soppressione delle oscillazioni dell'organo di interazione.

d. L'unità elettronica di controllo misurerà i picchi di corrente dalla bobina e comanderà la chiusura di un circuito elettrico di connessione della bobina per il prelievo dell'energia elettrica dalla stessa solo quando il primo picco è maggiore di |IOpt| in valore assoluto.

e. Per effetto del prelievo di energia elettrica l'ampiezza dei picchi di corrente inizierà a calare ed alla fine scenderà sotto il valore |IOpt|. L'estrazione dell'energia elettrica continuerà comunque fino al momento in cui i picchi di corrente avranno un valore uguale o minore di |Imin| per un periodo di tempo predefinito .

f. Quando quest'ultima condizione è soddisfatta, l'elettronica di comando interromperà l'estrazione di energia e per il periodo di tempo prestabilito in attesa che la condizione (d) sia di nuovo vero Grazie a questa caratteristica, l'energia viene estratta dalla bobina con un approccio non continuo (''sincopato''), con un conseguente più efficace comportamento auto adattativo del dispositivo alle dinamiche di oscillazione ed alla variazione della flusso di fluido incidente.

Il metodo su indicato può anche essere applicato monitorando i picchi di tensione invece che i picchi di corrente. In questo caso si misureranno le cadute di tensione dei picchi di corrente su una resistenza o la variazione di carica su un condensatore.

Secondo un perfezionamento per poter attuare il metodo sopra descritto, l'elettronica di controllo deve conoscere i valori preimpostati di IOpt, Imin e IO (o Vopt, Vmin e V0, nel caso di controllo di tensione).

Tutti questi parametri dipendono dalla particolare implementazione del dispositivo, dalle sue caratteristiche e da quelle del fluido, nonché delle condizioni di flusso dello stesso.

Pertanto è possibile dotare l'unità di controllo ad esempio di una memoria non volatile o di mezzi simili, in cui tali è possibile memorizzare rendere accessibili all'unità di controllo i valori di IOpt, Imin e IO (o Vopt, Vmin e V0, nel caso di diverse condizioni di utilizzo, configurazioni del sistema, tipo di fluido e condizioni di flusso.

Pertanto all'attivazione il dispositivo utilizzerà il miglior set di parametri di IOpt, Imin e IO (o Vopt, Vmin e V0, nel caso di controllo di tensione) corrispondenti alle condizioni per il funzionamento ottimizzato, mentre in un secondo tempo sarà possibile modificare tutti od alcuni di questi parametri se le condizioni di impiego si modificheranno .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo trasduttore di energia fluidodinamica in energia elettromotrice, il quale dispositivo è utilizzabile alternativamente od in combinazione quale misuratore dei flusso e quale energy harvester e comprende un organo d'interazione meccanica con un flusso di fluido il quale organo è supportato in modo oscillante almeno in un piano con una componente parallela alla direzione di flusso ed una componente preferibilmente perpendicolare ad una superficie del detto organo d'interazione meccanica che è trasversale alla direzione di flusso ed il quale organo viene posto in oscillazione o vibrazione dal detto flusso di fluido mediante uno o più elementi elastici di sospensione; un generatore di forza elettromotrice operante mediante induzione magnetica e che comprende almeno un generatore di un flusso magnetico, preferibilmente non omogeneo e che attraversa almeno un conduttore elettrico preferibilmente sotto forma di almeno una bobina; essendo il detto almeno un conduttore e/o la detta almeno una bobina dinamicamente collegati all'organo di interazione meccanica con il detto flusso di fluido e venendo detto conduttore o detta bobina spostati all'interno del campo magnetico dal movimento oscillatorio o vibratorio del detto organo, generando così un corrente indotta nel detto conduttore o nella detta bobina; almeno una unità di raccolta del segnale elettrico generato mediante induzione nel detto conduttore o nella detta bobina, la quale unità di raccolta è collegata elettricamente ai capi del detto conduttore o della detta bobina ed in cui il detto organo di interazione con il flusso di fluido è supportato oscillante intorno ad un asse traversale alle direzione del flusso stesso e che corrisponde ad un asse trasversale, intermedio del detto corpo, essendo il detto asse di rotazione supportato alle sue opposte estremità da una intelaiatura di supporto ed essendo previsti mezzi elastici in direzione di rotazione con riferimento alla detta rotazione intorno al detto asse.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il detto asse è un asse centrale della proiezione della forma dell'organo di interazione sul piano di sezione trasversale del flusso di fluido ed è coincidente con l'asse diametrale centrale della sezione trasversale del detto flusso di fluido.
3. Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 o 2 in cui i mezzi elastici che agiscono in senso di rotazione sull'asse di rotazione sono costituiti vantaggiosamente da molle elicoidali.
4. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui la bobina o le bobine di induzione sono sotto forma di spirali che si estendono su un piano od altra superficie e sono fissate alla superficie dell'organo di interazione od incorporate, annegate, integrate nel detto corpo.
5. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il campo magnetico è stazionario ed omogeneo per intensità avente un orientamento stabile e un verso stabile ed opzionalmente è orientato pedicolarmente all'asse di oscillazione dell'organo di interazione con il flusso di fluido e perpendicolarmente alla direzione di flusso del detto fluido.
6. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il collegamento elettrico fra la bobina avviene attraverso i tratti terminali dell'asse di oscillazione che si dipartono da lati diametralmente opposti dell'organo di interazione e che sono di materiale elettricamente conduttivo e che si collegano da un lato detta bobina e dall'altro all'unità di raccolta del segnale elettrico generato per induzione.
7. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che è previsto in combinazione con un tubo od un canale di contenimento del flusso di fluido essendo il detto dispositivo montato all'interno del detto tubo o canale di contenimento ed interposto eventualmente fra due convogliatori di flusso che a seconda della direzione del flusso generano una disomogeneità di densità del flusso di fluido lungo la sezione del tubo o del canale i quali convogliatori generano un gradiente di densità di fluido che aumenta la densità del fluido in relazione alla distanza radiale dall'asse di oscillazione .
8. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende un unità di controllo associata e/o integrata nell'unità di raccolta ed in cui la detta unità di controllo interrompe automaticamente il prelievo di corrente dalla bobina, per evitare un damping od uno smorzamento delle oscillazioni.
9. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo è alloggiato all'interno di un condotto di contenimento del detto fluido mentre il dispositivo di raccolta è previsto esternamente al detto condotto di contenimento , venendo il passaggio dell'energia elettrica attraverso la parete di contenimento del detto flusso di fluido dalla bobina di induzione al dispositivo di raccolta avviene mediante accoppiamento capacitivo fra un terminale interno al condotto di contenimento e collegato alla detta bobina ed un terminale esterno al detto condotto di contenimento e collegato all'unità di raccolta.
10. Dispositivo trasduttore di energia fluidodinamica in energia elettromotrice, il quale dispositivo comprende un organo d'interazione meccanica con un flusso di fluido il quale organo è supportato in modo oscillante quando interferisce con un flusso di fluido venendo posto in oscillazione o vibrazione dal detto flusso di fluido mediante uno o più elementi elastici di sospensione; un generatore di forza elettromotrice operante mediante induzione magnetica e che comprende almeno un generatore di un flusso magnetico, preferibilmente non omogeneo e che attraversa almeno un conduttore elettrico preferibilmente sotto forma di almeno una bobina; essendo il detto almeno un conduttore e/o la detta almeno una bobina dinamicamente collegati all'organo di interazione meccanica con il detto flusso di fluido e venendo detto conduttore o detta bobina spostati all'interno del campo magnetico dal movimento oscillatorio o vibratorio del detto organo d'interazione meccanica con il flusso, generando così un corrente indotta nel detto conduttore o nella detta bobina; almeno una unità di raccolta del segnale elettrico generato mediante induzione nel detto conduttore o nella detta bobina, la quale unità di raccolta è collegata elettricamente ai capi del detto conduttore o della detta bobina ed essendo il collegamento elettrico fra il detto conduttore o la detta bobina generato grazie ad almeno parte degli elementi elastici di sospensione che sono realizzati di materiale elettricamente conduttivo e si collegano al conduttore e/o alla detta bobina ed all'unità di raccolta del segnale elettrico generato per induzione ed in cui la detta unità di controllo interrompe automaticamente il prelievo di energia elettrica dalla bobina, per evitare un damping od uno smorzamento delle oscillazioni.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, in cui la detta sezione di controllo comprende: una memoria in cui è impostabile almeno un valore di soglia minima di corrente o di tensione del segnale elettrico prelevato dal generatore, una unità di misurazione del valore di corrente o di tensione del segnale elettrico prelevato dal generatore; un comparatore del valore di corrente o di tensione misurato con il valore di soglia impostato; un interruttore del collegamento elettrico fra il detto generatore e la detta unità di raccolta il quale interruttore è comandato dall'unità di comparazione e viene commutato in condizione di interdizione del collegamento elettrico fra il generatore e l'unità di raccolta quando il valore di corrente o di tensione misurato raggiunge o passa al di sotto del valore di soglia impostato.
12. Dispositivo secondo la le rivendicazioni 10 o 11, in cui la soglia minima di corrente o di tensione è determinata quale valore intermedio fra un valore teorico ideale di corrente o di tensione del segnale elettrico indotto nella bobina grazie alle oscillazioni dell'ala ed una valore di corrente o di tensione del segnale elettrico indotto corrispondente alla condizione in cui il prelievo determina il damping dell'ampiezza e/o della frequenza delle oscillazioni dell'ala in misura tale da ridurre l'energia prelevabile a livelli prossimi allo zero ed eventualmente detto valore può essere determinato empiricamente, in via sperimentale, oppure mediante calcoli teorici.