ITMI20130858A1 - Impianto per convertire l'energia meccanica di un fluido in energia elettrica o viceversa, in grado di funzionare completamente immerso - Google Patents

Description

IMPIANTO PER CONVERTIRE L'ENERGIA MECCANICA DI UN FLUIDO IN ENERGIA ELETTRICA O VICEVERSA, IN GRADO DI

FUNZIONARE COMPLETAMENTE IMMERSO

Campo dell’invenzione

[1] La presente invenzione riguarda un impianto per convertire l'energia meccanica di un fluido in energia elettrica o viceversa, funzionando completamente immerso in un flusso d'acqua o di altro liquido. Per produrre energia idroelettrica tale impianto può sfruttare per esempio l'energia di maree, di correnti sottomarine o di estuari di fiumi.

Stato della tecnica

[2] Per ricavare energia idroelettrica da correnti marine -di marea e non- o correnti presenti negli estuari dei fiumi, sfruttando salti motori molto ridotti o praticamente nulli, sono stati concepiti nel tempo svariati tipi di dispositivi. In alcuni di essi il rotore della macchina elettrica che funge da generatore é calettato sull'albero della girante per ridurre al minimo le perdite di rendimento meccanico. Situare la girante a notevoli profondità -indicativamente diverse decine o centinaia di metrisarebbe vantaggioso sotto diversi aspetti: infatti quanto maggiore fosse la profondità, tanto maggiore sarebbe l'energia idroelettrica ottenibile e tanto minori sarebbero i rischi di collisione con le navi, o di danneggiamenti causati dalle reti da pesca. Tuttavia le notevoli pressioni presenti a tali profondità pongono notevoli problemi realizzativi, tant'é che gli impianti idroelettrici noti, completamente sommersi in mare o negli estuari fluviali, nel migliore dei casi non hanno finora superato lo stadio prototipale, e più spesso sono rimasti studi sulla carta. Uno di questi problemi sono le infiltrazioni d'acqua marina nella macchina, in particolare attraverso le interfacce tra parti fisse e parti rotanti, e i conseguenti problemi di corrosione, infiltrazione di detriti e altri contaminanti, disturbi dei flussi magnetici della macchina elettrica.

[3] D'altra parte per la propulsione di navi e altre imbarcazioni sarebbe desiderabile poter disporre di eliche motrici azionate da motori elettrici direttamente calettati sullo stesso albero dell'elica. Volendo ridurre al minimo la lunghezza di tali alberi, si dovrebbe situare il motore al di fuori dello scafo della nave farcendolo funzionare costantemente e completamente sommerso e sotto la superficie marina, ma anche questo pone nuovamente il problema tecnico di isolare efficacemente il motore elettrico dall'acqua esterna.

[4] Uno scopo della presente invenzione à ̈ ovviare agli inconvenienti sopra menzionati dello stato della tecnica, in particolare fornendo una turbomacchina provvista di motore elettrico, o un generatore idroelettrico in grado di funzionare efficientemente e a lungo anche se completamente immerso in acqua.

Sommario dell’invenzione

[5] Tale scopo viene conseguito, in un primo aspetto della presente invenzione, con un impianto per produrre energia elettrica avente le caratteristiche secondo la rivendicazione 1.

In un secondo aspetto dell'invenzione, tale scopo viene conseguito con un procedimento avente le caratteristiche secondo la rivendicazione 13.

In un terzo aspetto dell'invenzione, tale scopo viene conseguito con un procedimento avente le caratteristiche secondo la rivendicazione 14.

Ulteriori caratteristiche del dispositivo sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

I vantaggi conseguibili con la presente invenzione trovato risulteranno più evidenti, al tecnico del settore, dalla seguente descrizione dettagliata di alcuni esempi di realizzazione particolare a carattere non limitativo, illustrati con riferimento alle seguenti figure schematiche.

Elenco delle Figure

Figura 1 mostra una vista laterale, parzialmente in sezione, di un impianto per per convertire l'energia meccanica di un fluido in energia elettrica o viceversa, secondo una prima forma di realizzazione dell'invenzione;

Figura 2 mostra una vista laterale, parzialmente in sezione, della macchina elettrica dell'impianto di Figura 1;

Figura 2A mostra una vista laterale, parzialmente in sezione, di un dettaglio della macchina elettrica di Figura 2;

Figura 2B mostra una vista prospettica, parzialmente in sezione, del dettaglio di Figura 2A;

le Figure 3 e 4 mostrano viste laterali, parzialmente in sezione, rispettivamente di un impianto per convertire l'energia meccanica di un fluido in energia elettrica o viceversa, secondo una seconda e una terza forma di realizzazione dell'invenzione;

Figura 5 mostra una vista prospettica di un impianto secondo una quarta forma di realizzazione dell'invenzione, utilizzato come propulsore di un'imbarcazione.

Descrizione dettagliata

[6]Nella presente descrizione, con l'espressione "trasversale" si intende che due corpi hanno un'inclinazione, l'uno rispetto all'altro, pari o maggiore a 45°; con l'espressione "longitudinale" si intende che due corpi hanno un'inclinazione, l'uno rispetto all'altro, minore di 45°. Le Figure 1-2A sono relative a un impianto per convertire l'energia meccanica di un fluido in energia elettrica o viceversa, secondo una prima forma di realizzazione particolare dell'invenzione, indicato con il riferimento complessivo 1.

L'impianto 1 é predisposto per funzionare completamente immerso nel flusso d'acqua o di altro liquido da sfruttare, e comprende:

-una macchina elettrica 5 a sua volta comprendente un rotore 7 e uno statore 9;

-una girante 11 predisposta per azionare il rotore 7, e che forma un propulsore a elica 13. Quest'ultimo può comprendere per esempio una porzione di elicoide di una coclea o un'elica a palette.

Il rotore 7 é solidale alla girante, si estende attorno al propulsore a elica 13 e comprende una pluralità di magneti permanenti 15A, 15B fissati solidalmente al rotore 7.

Lo statore 9 e il rotore 7 formano un circuito magnetico comprendente un traferro 19, almeno una porzione 190A, 190B del quale si estende perpendicolarmente, o comunque trasversalmente, all'asse di rotazione del rotore e della girante AR, ovvero le linee di flusso del campo magnetico nel traferro -o nei traferri- 19 hanno direzioni prevalentemente parallele, o comunque longitudinali, all'asse di rotazione del rotore stesso, a differenza degli ordinari motori a induzione nei quali le linee di flusso del campo magnetico nel traferro -o nei traferri- si estendono in direzioni prevalentemente radiali e perpendicolari all'asse di rotazione del rotore stesso; la macchina elettrica 5 é cioé del tipo cosiddetto "a flusso trasversale" (in inglese "transversal flux machine" o "transversal flux motor", spesso abbreviato TFM). La macchina elettrica 5 può essere per esempio, anche se non necessariamente, sincrona.

[7] Le macchine elettriche -motori o generatori- a flusso trasversale, o trasverso, sono in se note e descritte per esempio nella domanda di brevetto europeo EP243425.

Lo statore 9 può comprendere:

-una o più bobine 23A, 23B di conduttori elettrici, bobine che circondano il rotore 7 formando per esempio uno o più anelli;

-una pluralità di nuclei, ovvero di espansioni polari, 25A, 25B sostanzialmente a forma di U o di ferro di cavallo, inseriti a cavallo di una rispettiva bobina 23A, 23B e fatti per esempio di ferro dolce o altro materiale ferromagnetico.

Quando la macchina elettrica 5 funziona come motore elettrico, le bobine 23A, 23B possono essere alimentate per esempio da un opportuno inverter comandato da uno o più sensori non mostrati e posti sullo statore.

[8] La linea a doppio punto di Figura 2A mostra schematicamente l'andamento complessivo delle linee di flusso del campo magnetico che percorre il rotore e lo statore in una sezione radiale del rotore, cioé in una vista secondo un immaginario piano di sezione passante per l'asse di rotazione AR del rotore. Il riferimento 17 indica una barretta ferromagnetica avente la funzione di chiudere le linee di flusso del circuito magnetico in prossimità di uno dei traferri evitando di disperderle eccessivamente nel vuoto(Figure 2A, 2B). Vantaggiosamente la girante 11 comprende una porzione tubolare 21 contenente il propulsore a elica 13, dove l'asse della porzione tubolare 21 coincide sostanzialmente con l'asse di rotazione AR della girante 11. La porzione tubolare 21 contribuisce ad aumentare il rendimento fluidodinamico ed elettrico della macchina 5, nonché la sua velocità di rotazione. Vantaggiosamente gli spessori medi o minimi S1, S2 dei traferri 190A, 190B sono pari o superiori a 1 millimetro; più preferibilmente sono pari o superiori a 5 millimetri e, ancor più preferibilmente, sono pari o superiori a 10 millimetri.

Vantaggiosamente la cavità interposta tra rotore 7 e statore 9, e formata dai traferri 190A, 190B e dall'intercapedine anulare 190C contiene un liquido ferromagnetico, quale per esempio un liquido a base di nanoparticelle al neodimio ricoperte da un tensioattivo o da un opportuno rivestimento di resina sintetica. Tale liquido ferromagnetico può comprendere per esempio una base costituita da olio minerale, preferibilmente olio a bassa densità quale per esempio quello usato nei circuiti frenanti, nel quale sono disperse le suddette nanoparticelle; in questo modo il liquido ferromagnetico ha anche funzione di lubrificante, limitando l'usura delle parti in movimento, per esempio delle guarnizioni 29A, 29B.

[9] Riducendo la dispersione delle linee di flusso del circuito magnetico, tale liquido ferromagnetico, aumenta il rendimento elettromeccanico della macchina. Preferibilmente il liquido ferromagnetico é mantenuto isolato dall'acqua e dall'ambiente esterno da opportune guarnizioni anulari 29A, 29B, che possono essere per esempio baderne, e preferibilmente baderne in PTFE, filato acrilico, ramie o fibra di vetro. Preferibilmente le baderne sono impregnate con un opportuno grasso idrorepellente per uso navale, che forma una ulteriore barriera più o meno fluida contro le infiltrazioni d'acqua. Eventualmente dell'ulteriore grasso idrorepellente può essere inoltre applicato sul lato della baderna affacciato sull'interno della cavità interposta tra rotore 7 e statore 9, e comprendente i traferri 190A, 190B e l'intercapedine anulare 190C, in modo da formare una ulteriore barriera contro le infiltrazioni dell'acqua esterna.

[10] Vantaggiosamente inoltre il liquido ferromagnetico é mantenuto in leggera sovrappressione rispetto all'acqua dell'ambiente esterno -per esempio almeno 0,05 bar relativi, e preferibilmente almeno 0,1 bar relativi-, evitando o comunque riducendo notevolmente le infiltrazioni di acqua esterna nei traferri.

Preferibilmente il rotore 7 é esternamente ricoperto da un rivestimento 31 che lo isola e protegge dal liquido ferromagnetico contenuto nei traferri, evitandone la corrosione.

Il rivestimento 31 é preferibilmente di una opportuna resina epossidica.

[11] Le macchine elettriche -motori o generatori- a flusso trasversale, o trasverso, a parità di taglia e di potenza nominale possono funzionare con buoni rendimenti con traferri di spessori molto maggiori di quelli delle ordinarie macchine elettriche a flusso radiale, indicativamente maggiori di un ordine di grandezza. Ciò permette, o rende molto più agevole, isolare efficacemente dall'acqua esterna il rotore e lo statore della macchina elettrica, per esempio tramite le guarnizioni anulari 29A, 29B e il rivestimento 31 del rotore; in particolare in una macchina a flusso trasversale l'alterazione dello spessore complessivo dei traferri implicata dal rivestimenti 31 é percentualmente minore che non in una più comune macchina a flusso radiale, e parimenti minore é l'alterazione del flusso magnetico nei traferri. Le guarnizioni anulari 29A, 29B e il liquido ferromagnetico racchiuso al loro interno impediscono l'ingresso di acqua -in particolare di acqua marinanello spazio tra rotore e statore, con i seguenti vantaggi:

-si evita l'ossidazione degli elementi ferrosi;

-rotore e statore non si corrodono, o si corrodono molto di meno, evitando cortocircuiti e il blocco della macchina;

-si evita o si riduce notevolmente la manutenzione che sarebbe altrimenti necessaria per eliminare l'acqua infiltrata all'interno.

[12] Vantaggiosamente lo statore 9 comprende una o più camere 33A, 33B contenenti un opportuno liquido in pressione, preferibilmente olio per apparecchiature elettriche, garantendo in tal modo il raffreddamento dello statore 9. Come nelle forma di realizzazione delle Figure allegate, le due camere 33A, 33B possono essere tra loro fluidicamente separate. Vantaggiosamente il liquido contenuto nelle camere 33A, 33B é in leggera sovrappressione rispetto all'acqua marina o all'altro fluido presente nell'ambiente esterno -per esempio almeno 0,05 bar relativi, e preferibilmente almeno 0,1 bar relativi- in modo da proteggere la macchina 5 sia dalla pressione del fluido marino sia impedendone efficacemente le infiltrazioni verso l'interno. A tale scopo lo statore 9 comprende una o più regolatori di pressione 35A, 35B predisposti per regolare la pressione del liquido interno alle camere 33A, 33B. A loro volta i regolatori 35A, 35B possono essere per esempio provvisti di una molla regolabile, oppure predisposti per imporre al liquido interno alle camere 33A, 33B una sovrappressione fissa rispetto all'acqua marina esterna tramite per esempio una leva idraulica.

[13] Vantaggiosamente l'impianto 1 comprende un diffusore 40 disposto fluidicamente a valle della girante 11, in modo da aumentarne l'efficienza fluidodinamica e la velocità di rotazione, facendo funzionare la macchina elettrica a flusso trasversale in condizioni di funzionamento a maggiore efficienza elettrica (Figura 1). Il diffusore 40 di Figura 1 é formato da un unico condotto solidale, sostanzialmente indeformabile e dalla forma invariabile nel tempo; tuttavia un impianto secondo l'invenzione può avere anche un diffusore 40' dalla forma variabile nel tempo e a seconda delle condizioni di funzionamento (Figura 3). A tale scopo le pareti del diffusore 40' possono essere formate da una pluralità di segmenti troncoconici o svasati 400', 402' i cui diametri di estremità sono tali da sovrapporre parzialmente i reciproci bordi di estremità quando il diffusore 40' raggiunge la sua massima lunghezza assiale, permettendo invece di far rientrare il segmento di monte 400' dentro al segmento di valle 402' facendo scorrere quest'ultimo assialmente verso monte. Il segmento di valle 402' del diffusore può essere fatto scorrere assialmente per esempio da opportuni cilindri idraulici 404', disposti per esempio a corona attorno al diffusore stesso.

[14] Sempre per aumentare la velocità di rotazione della girante 11 e l'efficienza elettrica della macchina, vantaggiosamente a monte della girante 11 può essere disposta un collettore 42, predisposto per raccogliere una maggiore portata d'acqua da avviare alla girante 11 (Figura 4). Il collettore 42 può avere per esempio forma a imbuto o comunque di un tratto di condotto convergente.

[15] Una configurazione che aumenta in modo particolare la velocità di rotazione e quindi l'efficienza elettrica del generatore é quella di Figura 4, in cui la macchina elettrica 5 é interposta tra un collettore 42 a monte e un diffusore 40 a valle, venendosi a trovare sostanzialmente in corrispondenza della sezione ristretta di un tubo di Venturi.

Per semplicità costruttiva e limitare i problemi di infiltrazione d'acqua dall'esterno, preferibilmente il rotore 7 comprende un albero centrale 37 predisposto per ruotare coassialmente all'asse AR e attorno a cui é fissata la porzione di elicoide 13 o la palettatura ad elica. L'albero centrale 37 può ruotare su cuscinetti 39 a loro volta fissati allo statore per esempio tramite opportuni bracci 44.

[16] Sempre per aumentare velocità di rotazione e rendimento elettrico della macchina 5, vantaggiosamente l'albero centrale 37' del rotore 7 é tubolare, o comunque cavo con le estremità aperte in modo da poter essere internamente attraversato da un flusso di acqua incidente (Figura 4). Per essere orientata parallelamente al flusso di acqua incidente, sfruttandone al meglio l'energia, la macchina elettrica 5 può essere vantaggiosamente montata su una base girevole 46, 46', 46" (Figure 1, 3, 4).

La Figura 5 é relativa a un impianto secondo una quarta forma di realizzazione dell'invenzione, utilizzato come motore per propulsione navale. Un propulsore 1'" comprendente una macchina elettrica 5 avente un rotore 7 e un'elica -o altra girante atta alla propulsionecalettati su un medesimo corto albero si presta ad essere montato completamente all'esterno dello scafo dell'imbarcazione e in modo da poter ruotare su se stesso attorno ad assi perpendicolari all'asse di rotazione dell'elica stessa, permettendo di variare l'orientazione della spinta della macchina e di eseguire cambiamenti di rotta più repentini, aumentando notevolmente la manovrabilità dell'imbarcazione.

Inoltre, quando l'imbarcazione é all'ancora, le macchine elettriche 5 possono funzionare come generatori di elettricità azionati dalle correnti che eventualmente investono i propulsori.

Come propulsore di imbarcazioni da diporto sono particolarmente vantaggiosi propulsori 1'" provvisti di giranti di diametro relativamente piccolo, indicativamente aventi diametro esterno di circa 20-40 centimetri.

[17] Gli esempi di realizzazione precedentemente descritti sono suscettibili di diverse modifiche e variazioni pur senza fuoriuscire dall’ambito di protezione della presente invenzione. Per esempio lo statore 9 può essere provvisto anche di una sola bobina 23A, oppure di tre o più bobine. Il traferro o i traferri e la cavità tra rotore e statore possono contenere liquido anche liquidi non ferromagnetici, per esempio un semplice liquido in leggera sovrappressione rispetto all'ambiente esterno in modo che attraverso la guarnizioni 29A, 29B vi sia solo efflusso di liquido verso l'esterno della macchina 5 ma non ingresso di acqua ambientale. Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. Per esempio i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche. Gli esempi ed elenchi di possibili varianti della presente domanda sono da intendersi come elenchi non esaustivi.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1) Impianto (1) predisposto per convertire l'energia meccanica di un fluido in energia elettrica o viceversa, essendo in grado di funzionare completamente immerso in un flusso d'acqua o di altro liquido da sfruttare, comprendente: -una macchina elettrica (5) a sua volta comprendente un rotore (7) e uno statore (9); -una girante (11) predisposta per azionare il rotore (7), e che forma un propulsore a elica (13); e in cui: -il rotore (7) é solidale alla girante (11), si estende attorno al propulsore a elica (13) e comprende una pluralità di magneti permanenti (15A, 15B); -lo statore (9) e il rotore (7) formano un circuito magnetico comprendente un traferro (190A, 190B), almeno una porzione del quale si estende perpendicolarmente, o comunque trasversalmente, all'asse di rotazione (AR) del rotore (7) e della girante (11), e le linee di flusso del campo magnetico nel traferro prevalentemente si estendono parallelamente o longitudinalmente all'asse di rotazione (AR) del rotore (7).
2. 2) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui la macchina elettrica (5) é del tipo cosiddetto a flusso trasversale o assiale.
3. 3) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui la girante comprende una porzione tubolare (21) contenente il propulsore a elica (13), dove l'asse della porzione tubolare coincide sostanzialmente con l'asse di rotazione (AR) della girante (11).
4. 4) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui la macchina elettrica (5) forma almeno un traferro (190A, 190B) avente spessore pari o superiori a un millimetro, e preferibilmente pari o superiori a cinque millimetri.
5. 5) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui l'almeno un traferro (190A, 190B) contiene un liquido ferromagnetico, quale per esempio un liquido contenente nanoparticelle al neodimio.
6. 6) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui l'almeno un traferro (190A, 190B) contiene un liquido in sovrappressione rispetto all'ambiente esterno al traferro stesso.
7. 7) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1 o 5 o 6, in cui la macchina elettrica (5) é provvista di una o più guarnizioni (29A, 29B) predisposte per evitare o ridurre le infiltrazioni di acqua o altri liquidi, in cui l'impianto (1) é immerso, all'interno dell'almeno un traferro (190A, 190B), e/o efflussi del liquido ferromagnetico o di altro liquido racchiuso verso l'esterno dell'almeno un traferro (190A, 190B).
8. 8) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui lo statore forma al suo interno una o più camere (33A, 33B) contenenti un opportuno liquido per raffreddare la macchina elettrica (5) e/o per contrastare la pressione dell'acqua o altro liquido esterno in cui l'impianto é immerso.
9. 9) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui almeno i magneti permanenti (15A, 15B) sono rivestiti da una resina sintetica (31).
10. 10) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, comprendente un diffusore (40, 40') avente sostanzialmente la forma di un condotto divergente e avente lo scopo di aumentare la velocità di rotazione del rotore (7).
11. 11) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, comprendente almeno un attuatore (404') predisposto per variare reversibilmente la lunghezza assiale del diffusore (40').
12. 12) Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il rotore (7) comprende un albero centrale (37, 37') attorno al quale é disposto il propulsore a l'elica (13) e coassiale all'asse di rotazione (AR) della girante (11) e del rotore (7), e l'albero centrale (37, 37') é internamente cavo e predisposto per essere attraversato da parte del flusso d'acqua o di altro liquido che investe e fa ruotare la girante (11).
13. 13) Procedimento per utilizzare un impianto (1) avente le caratteristiche secondo la rivendicazione 1, comprendente le seguenti operazioni: -far azionare la girante (11) da un flusso di acqua o altro liquido che investe la girante stessa; -convertire l'energia meccanica del flusso di acqua o dell'altro liquido in energia elettrica.
14. 14) Procedimento per utilizzare un impianto (1) avente le caratteristiche secondo la rivendicazione 1, comprendente l'operazione di alimentare la macchina elettrica (5) con energia elettrica, in modo da azionare la girante (11) e far esercitare ad essa un lavoro meccanico su dell'acqua o altro liquido che investe la girante, o in cui la girante é immersa.