PROGETTO GENERATORE EOLICO

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1 PROGETTO GENERATORE EOLICO STUDIO DI FATTIBILITA RELAZIONE TECNICA San Giuliano Terme, 12/04/2004 Autore: Dott. Ing. Federico GUIDI

2 INDICE DEL DOCUMENTO INDICE DELLE FIGURE DEL DOCUMENTO...3 INDICE DELLE TABELLE DEL DOCUMENTO...4 SIMBOLOGIA...5 INTRODUZIONE...7 PARTE PRIMA: GENERALITA INTRODUZIONE HAWT VS. VAWT OGGETTO STRUTTURA GENERALE DI UN GENERATORE EOLICO QUANTA ENERGIA È DISPONIBILE NEL VENTO? I PARAMETRI OPERATIVI DI UN GENERATORE EOLICO...20

3 INDICE DELLE FIGURE DEL DOCUMENTO Figura 1: generatore eolico multipala ad asse orizzontale (principio di funzionamento)...9 Figura 2: HAWT VS. VAWT - efficienza energetica...10 Figura 3: HAWT VS. VAWT - efficienza ponderale...11 Figura 4: carta anemologica dell'europa Occidentale (a 50 m sul livello del mare)...13 Figura 5: componenti di un generatore eolico...14 Figura 6: torre...14 Figura 7: gondola...15 Figura 8: i parametri ed i componenti fondamentali di un generatore eolico...16 Figura 9: stima preliminare della potenza...19

4 INDICE DELLE TABELLE DEL DOCUMENTO Tabella 1: specifica tecnica preliminare...12 Tabella 2: i componenti del generatore eolico e le loro funzioni...15 Tabella 3: i parametri operativi di un generatore eolico...20

5 SIMBOLOGIA α: angolo di incidenza ρ: densità dell aria ν: viscosità dinamica η: rendimento generico σ: solidità locale λ: tip speed ratio Ω: velocità angolare del rotore a: fattore di induzione assiale c: corda r: distanza dall asse del generatore eolico t: tempo t profilo : spessore percentuale dei un profilo v: velocità generica (scalare) x: ascissa misurata sulla corda alare z: ascissa curvilinea A: area generica C l : coefficiente di portanza del profilo C d : coefficiente di resistenza del profilo C L : coefficiente di portanza del settore di pala C D : coefficiente di resistenza del settore di pala F: forza generica N pale : numero delle pale del rotore P: pressione generica R: raggio del volume di controllo R 1 : raggio all estremità della pala o raggio palare SC: superficie di controllo U 0 : velocità della corrente indisturbata (scalare)

6 U: velocità della vena fluida (scalare) U T : velocità locale sulla pala (scalare) V tip : velocità all estremità della pala (scalare) V: volume generico VC: volume di controllo VM: volume materiale W: potenza KE: energia cinetica Occorre fare una precisazione in merito alla simbologia utilizzata per il calcolo vettoriale: fissato nello spazio un riferimento cartesiano ortogonale T(O;x 1 ;x 2 ;x 3 ), il generico vettore velocità, ad esempio, sarà indicato sinteticamente con v (leggi v sottosegnato) ovvero, in forma estesa, sarà indicato con v = (v 1,v 2,v 3 ). Il prodotto scalare tra due vettori sarà indicato con la seguente simbologia: s = a b Il prodotto vettoriale tra due vettori sarà indicato con la seguente simbologia: s = a b

7 Introduzione Il presente lavoro prende in considerazione il problema della generazione di energia attraverso lo sfruttamento di una sorgente "alternativa": il vento. Il mio primo contatto con questa problematica è avvenuto durante la mia collaborazione con l'axis S.p.A. di Firenze nell'ambito di un progetto per lo studio di fattibilità e la caratterizzazione teorico - sperimentale di un generatore eolico non convenzionale ad asse verticale: l'entusiasmo intellettuale del fondatore dell'azienda, Dott. Ing. Raffaele Becherucci, è stato il punto di partenza per un'attività che mi ha dato la possibilità di applicare molte delle conoscenze apprese sui libri universitari ad un problema pratico ed attualissimo. L'attività di ricerca ha condotto a risultati di sicuro interesse, tanto da spingere l'axis S.p.A. a depositare un brevetto europeo: "Vertical axis wind turbine with wind collector", brevetto Europeo - Patent No. EP , brevetto nel quale il sottoscritto è citato come inventore. Una volta terminata la mia collaborazione con l'axis S.p.A. ho continuato ad interessarmi al problema e, con il passare del tempo, ho sentito l'esigenza di organizzare in modo sistematico il mio lavoro. Lo scopo di queste memorie dovrebbe essere, secondo l'autore, quello di fornire un'introduzione al problema della generazione di energia attraverso lo sfruttamento del vento, non certo di esaurire il problema stesso.

8 PARTE PRIMA: GENERALITA

9 1 Introduzione La presente relazione tecnica ha come scopo quello di affrontare lo studio di fattibilità di un generatore eolico multipala ad asse orizzontale (fig.1), nel seguito indicato brevemente con il termine generatore eolico. Figura 1: generatore eolico multipala ad asse orizzontale (principio di funzionamento) Lo studio di fattibilità in oggetto ha richiesto la messa a punto di un software di simulazione (cfr.par.7.5) per lo studio parametrico delle prestazioni del generatore eolico. E stato altresì necessario disporre di un software collaudato per il progetto e l analisi in regime subsonico (non viscoso e viscoso) di un profilo isolato: l autore ha preferito il software freeware XFOIL ver.6.94 sviluppato presso il MIT Aero & Astro Aerocraft Inc. disponibile su Internet all indirizzo Le configurazioni prese in esame sono discusse sulla base di due parametri che, da un esame della letteratura, l autore ritiene più significativi:

10 AEP (Annual Energy Production); COE (Cost Of Energy). Il calcolo della produzione annuale di energia si effettua prendendo in considerazione due classi di vento fra quelle proposte dalla IEC (International Electrotechnical Commission): classe II, corrispondente ad una velocità media del vento di 8.5 m/s; classe IV, corrispondente ad una velocità media del vento di 6 m/s. 2 HAWT VS. VAWT La domanda è lecita: perché una turbina multipala ad asse orizzontale (Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT) piuttosto che una turbina ad asse verticale (Vertical Axis Wind Turbine, VAWT)? La risposta al quesito può ricavarsi dalle due figure seguenti [6]. Figura 2: HAWT VS. VAWT - efficienza energetica La figura 2 mostra che la turbina ad asse orizzontale costituisce, rispetto alle soluzioni ad asse verticale, la soluzione più efficace in termini di utilizzazione della superficie: a parità di superficie, nelle stesse condizioni di vento (e quindi di energia disponibile), un HAWT

11 rappresenta la soluzione per massimizzare la quota di energia cinetica, disponibile nel vento, trasformata in energia elettrica, dunque la soluzione migliore in termini di efficienza energetica (energia estratta/energia disponibile). La figura 3 mostra che la turbina ad asse orizzontale costituisce, rispetto alle soluzioni ad asse verticale, la soluzione più efficace in termini di peso: il parametro Q è un indice della bontà della soluzione in un ottica di minimo peso; in altri termini a parità di potenza fornita, nelle stesse condizioni di vento, un HAWT rappresenta la soluzione per massimizzare il rapporto potenza/peso. Figura 3: HAWT VS. VAWT - efficienza ponderale 3 Oggetto L oggetto della presente relazione tecnica è un generatore eolico multipala ad asse orizzontale (HAWT) in grado di produrre, in una determinata condizione ambientale, una potenza assegnata.

12 A fronte degli obbiettivi dichiarati nella tabella 1, l ottimizzazione del generatore eolico, ed in particolare delle pale che ne costituiscono il rotore, sarà rivolta a ridurre il valore della velocità media annua del vento (velocità di progetto) necessaria a produrre una determinata potenza, assegnata una configurazione geometrica del generatore eolico. E forse utile precisare, come del resto si evince dalla carta anemologica riportata in fig.4, che un qualsiasi sito italiano designato per ospitare un parco eolico può contare su una velocità media annua del vento che al massimo, nelle zone più esposte, raggiunge il valore corrispondente alla classe II. Questa considerazione, da sola, giustifica la necessità di un ottimizzazione del generatore eolico rivolta ad abbassare, quanto più possibile, la velocità di progetto ad un valore prossimo a quello corrispondente alla classe IV. SPECIFICA TECNICA PRELIMINARE VELOCITA MEDIA ANNUA DEL VENTO CLASSE II (8.5 m/s) CLASSE II (8.5 m/s) POTENZA (kw) Tabella 1: specifica tecnica preliminare.

13 Sheltered Open Sea Open Hills terrain plain Coast sea and ridges Figura 4: carta anemologica dell'europa Occidentale (a 50 m sul livello del mare)

14 4 Struttura generale di un generatore eolico Figura 5: componenti di un generatore eolico Figura 6: torre Il complesso dei dispositivi meccanici ed aerodinamici costituenti il generatore eolico è sostenuto ad una determinata altezza dalla torre (fig.6).

15 Il complesso dei dispositivi meccanici costituenti il generatore eolico è racchiuso nella gondola (fig.7). All interno della gondola sono alloggiati: il generatore; il riduttore; gli alberi di collegamento; il freno; il motore per orientare la gondola; il sistema di raffreddamento; il sistema di controllo. Figura 7: gondola Il funzionamento di un generatore eolico si basa su due fondamentali processi di trasformazione dell energia: COMPONENTE ROTORE MULTIPALA RIDUTTORE GENERATORE FUNZIONE Trasforma l energia cinetica posseduta dalla vena fluida che investe il generatore, con un rendimento η aerodinamico, in energia meccanica. Trasferisce l energia meccanica, con un rendimento η riduttore, dal rotore multipala al generatore. Trasforma, con un rendimento η generatore, l energia meccanica in energia elettrica. Tabella 2: i componenti del generatore eolico e le loro funzioni

16 Figura 8: i parametri ed i componenti fondamentali di un generatore eolico

17 5 Quanta energia è disponibile nel vento? La funzione principale di un generatore eolico è quella di convertire l energia cinetica, disponibile nel vento, in energia elettrica. L energia prodotta da un generatore eolico (nel seguito ci riferiremo all energia per unità di tempo, cioè alla potenza), in una determinata condizione ambientale, può scriversi sinteticamente nella forma seguente: W generatore eolico = η generatore eolico W disponibile (eq. 1) W disponibile = f (U 0 ; geometria) η generatore eolico = η aerodinamico η meccanico η aerodinamico = f (geometria pala ; velocità progetto) Al fine di valutare quanta energia è disponibile nel vento, si consideri il disco palare di raggio R investito da una corrente stazionaria ed uniforme U 0 : A disco palare = π R 1 2 δv disco palare = A disco palare δz = π R 1 2 δz δz = U 0 δt δv disco palare = π R 1 2 U 0 δt δke = (1/2) ρ δv disco palare U 0 2 δke = (1/2) ρ π R 1 2 U 0 3 δt

18 (δke/δt) = W disponibile = (1/2) ρ A disco palare U 0 3 (eq. 2) Il risultato ottenuto (eq.2), per quanto semplice, è estremamente interessante in quanto indica che la potenza istantanea fornita da un generatore eolico è proporzionale al cubo della velocità del vento: tale risultato non deve, comunque, sorprendere se si pensa che la velocità del vento determina la quantità di energia ( U 2 0 ) e la portata in massa ( U 0 ) che attraversa il disco palare. In pratica la potenza prodotta da un generatore eolico è di gran lunga inferiore alla W disponibile ricavabile con l eq.2 e questo si giustifica sulla base di due argomentazioni: l estrazione di tutta la Wdisponibile richiederebbe che il flusso che attraversa il disco palare fosse decelerato completamente; la Wdisponibile, anche nell ipotesi che il flusso venga completamente decelerato, è comunque inferiore a quella ricavabile con l eq.2: tale equazione è stata infatti ricavata nell ipotesi che il disco palare sia tutto attraversato dalla corrente, mentre nella realtà una parte del disco palare non si lascia attraversare dalla corrente (hub + rotore). In definitiva una stima ragionevole della potenza fornita da un generatore eolico è la seguente: W generatore eolico = 0.4 W disponibile (eq. 3) in fig.9 si riporta la parametrizzazione della funzione W generatore eolico (R 1 ;U 0 ) per valori dell intensità della corrente stazionaria e uniforme (U 0 ) compresi nell intervallo 5 10 m/s e per valori del raggio palare (R 1 ) compresi nell intervallo 0 50 m. A commento di quanto riportato in fig.9 risulta evidente che, con il target di potenza richiesto nella specifica tecnica preliminare (cfr.tab.1), ci si deve aspettare un generatore eolico con un disco palare di raggio compreso tra 10 m e 25 m (potenza di 100 kw) ovvero tra 18 m e 50 m (potenza di 250 kw).

19 Figura 9: stima preliminare della potenza

20 6 I parametri operativi di un generatore eolico L analisi delle possibili condizioni operative di un generatore eolico, come del resto accade per qualsiasi macchina a fluido, può essere condotta sulla base di parametri adimensionali. Si riporta di seguito la lista e la definizione dei parametri adimensionali che risulteranno utili per caratterizzare le prestazioni del generatore eolico (tab.3): l autore non ritiene utile riportare l analisi dimensionale che conduce alla definizione dei parametri, tuttavia per un approfondimento in merito si rimanda ad un generico testo di fluidodinamica teorica. C P = W 1 3 ρu 0πR POWER COEFFICIENT C T = T 1 2 ρu 0πR TORQUE COEFFICIENT ΩR λ = U 0 1 V = U tip 0 TIP SPEED RATIO (TSR) C P = λc T U Tc Re = ν C F = 1 ρu 2 F 2 0 πr 2 1 REYNOLDS NUMBER THRUST COEFFICIENT Tabella 3: i parametri operativi di un generatore eolico

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