Produzione di Energia Elettrica da Fonte Fotovoltaica ed Eolica

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1 Produzione di Energia Elettrica da Fonte Fotovoltaica ed Eolica DAL VENTO AL GENERATORE dott. ing. Diego La Cascia

2 del da La del alla aero della sa da un aero 2 di 28

3 da La vento P v (1 di 1) La alla della La P v posseduta da un flusso di aria avente massa m, volume V, aa di incidenza A e densità ρ in moto con v: PV = 1 ρ Av 2 A una variazione minima della corrisponde una notevole variazione della. Esempio: con ρ = 1,225 kg/m 3 e v = 5 m/s la densità di ( per unità di superficie A) vale 76,6 W/m 2 ment a 6 m/s vale 132,3 W/m 2, cioè il 73% in più. 3 3 di 28

4 da P mecc (1 di 5) La alla della Non tutta la P v posseduta dal vento può esse convertita dalla turbina eolica in all albero. Il vento, passando attraverso il roto eolico, cede ad esso solo una parte della sua. Di ciò si tiene conto tramite il coefficiente di rotorico C p. 1 Pmecc = CpPV = Cp ρ Av 2 Il coefficiente C p può assume un valo massimo teorico pari a 0,593 (della posseduta dal vento P v la turbina eolica può estrarne al più una quantità pari al 59,3%). 3 4 di 28

5 da P mecc (2 di 5) La alla della Il coefficiente C p può esse diagrammato in funzione del parametro tip speed ratio λ (rapporto cinetico): v tg λ = = v ω eol v r Cp C p max P Il tipico andamento del C p in funzione di λ opt λ = ω eol r/v 5 di 28

6 da P mecc (3 di 5) La alla Una considerazione sul λ opt : varia al varia della solidità del roto eolico (rapporto tra l aa complessiva delle pale del roto e l aa spazzata dallo stesso). della Diminuendo il n pale diminuisce la solidità e aumenta λ opt per dato vento aumenta ω eol cui corrisponde il massimo C p possono impiegarsi moltiplicatori di giri poco pesanti, complessi e costosi. λ o p t 6 di 28

7 da P mecc (4 di 5) La alla Una considerazione sul C p,max : varia al varia del numero di pale. della Cp Diminuendo il n pale diminuisce il C p,max diminuisce la massima P mecc convertita dalla turbina. Il roto tripala costituisce la soluzione maggiormente impiegata per soddisfa le opposte esigenze. 7 di 28

8 da P mecc (5 di 5) La alla Riepilogando Come sfrutta al meglio la risorsa eolica? Massimizza la P mecc al varia di v mantene il C p al valo C p,max mantene λ al valo λ opt (cui corrisponde il C p,max ) impiego di turbine a (VSCF = Variable Speed Constant Fquency). della 1 Pmecc = C p ( λ) PV = C p ( λ) ρ Av 2 3 Cp C p max P vtg ω λ = = v v eol r λ opt 8 di 28

9 da P mecc La alla (1 di 2) della fissa (CSCF = Constant Speed Constant Fquency) B Potenza posseduta dal vento Potenza di Betz PV = 1 ρ Av 2 3 C Potenza convertita C 1 PBetz = Cp,teoricoPV = 0,593 ρ Av 2 3 A D B D 1 Pmecc = C p ( λ) PV = C p ( λ) ρ Av 2 3 Nelle turbine CSCF la massima si ha per un solo valo della del vento (detta nominale) in corrispondenza del quale il C p non assume il valo massimo. 9 di 28

10 da P mecc La alla (2 di 2) della 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 (VSCF = Variable Speed Constant Fquency) Coefficiente di teorico di Betz 1 Potenza posseduta dal vento 3 PV = ρ Av 2 Cp max Velocità [m/s] V e locità de l ve nto [m /s ] 1 PBetz = Cp,teoricoPV = 0,593 ρ Av 2 1 Pmecc = C p ( λ) PV = C p ( λ) ρ Av 2 Nelle turbine VSCF la massima si può ave per qualsiasi valo della essendo possibile controlla il C p al suo valo massimo. Potenza di Betz Potenza convertita di 28

11 da alla P elettr (1 di 3) La alla della La convertita dalla turbina non può eccede il valo di nominale del elettrico. Quindi: per valori della in corrispondenza dei quali la convertita è inferio alla nominale del massimizza la convertita attraverso C p = C p,max. per valori della in corrispondenza dei quali la convertita è superio alla nominale del mantene costante la convertita al valo cui corrisponde la nominale del ridur il C p rispetto al C p,max. 11 di 28

12 da alla P elettr (2 di 3) La alla della P mecc max C p = C p,max P P mecc cost C p Coefficiente di rotorico 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 Velocità [m/s] 12 di 28

13 da alla P elettr (3 di 3) La alla Curva caratteristica aero: Potenza vs. della di avviamento ( start-up ): la minima del quale il roto inizia a ruota; di inserimento ( cut-in ): la minima del quale l aero inizia ad eroga energia (compsa tra 3 e 6 m/s); nominale ( rated ): la minima del vento (compsa tra 9 e 16 m/s) alla quale viene generata la nominale; di fuori servizio (o di stacco o di cut-out ): la (compsa tra m/s) alla quale intervengono i meccanismi di sicuzza che bloccano il roto e staccano la macchina dalla te. 13 di 28

14 da alla P elettr La alla della sa da un aero (1 di 2) della Controllo della coppia elettromagnetica della del ω gen della ω eol del λ del C p Controllo del passo delle pale( pitch control ) Coefficiente di Contro rotorico del passo delle pale Cp quando la supera quella nominale le pale vengono poste in dizione parallela a quella del vento in modo da sfiora la in eccesso Rapporto cinetico λ 14 di 28

15 da alla P elettr La alla della sa da un aero (2 di 2) della Controllo di stallo ( stall control ): le pale sono rigidamente collegate al mozzo ma vengono alizzate con un profilo tale da ca una riduzione del coefficiente di roto alle superiori a quella nominale, limitando in tal modo la convertita. Detto non necessita sistema elettronico che vari il passo delle pale, per contro richiede un accurato studio delle proprietà aerodinamiche delle stesse. Controllo dell imbardata ( yaw control ): impiegato sia per aumenta lo sfruttamento del vento che per ridurlo. Nel primo caso il movimento d imbardata allinea l asse dell aero con la dizione (per aumenta la superficie che il roto eolico affaccia al vento); nel secondo caso lo disallinea (per superiori a quella nominale). Il movimento d imbardata è attuato automaticamente dal sistema di, sulla base delle informazioni raccolte dalla stazione anemometrica di bordo, e attuato da servomeccanismi elettrici. 15 di 28

16 da da aero (1 di 1) La alla aerogenerat o Generato elettrico Il sistema di trasmissione del moto ( drive train ) è costituito da: un primo albero calettato al mozzo del roto della turbina; un moltiplicato di giri (non semp); un secondo albero, che ruota più velocemente del primo, connesso al elettrico. della Il sistema fnante è costituito da due sistemi indipendenti di cui uno di tipo aerodinamico ed uno di tipo meccanico. Il primo, utilizzato per controlla la l aero e per agi come fno in caso di eccessiva, è comandato da un gruppo idraulico e agisce sulle pale del roto variandone l inclinazione rispetto alla dizione. Il secondo è del tipo meccanico a disco e serve come fno di stazionamento, per mantene il roto immobile in caso di condizioni atmosferiche proibitive o durante gli interventi di manutenzione. 16 di 28

17 da da (1 di 6) La alla aerogenerat o Alcune informazioni sul a + semplicità costruttiva; basso costo; robustezza; disponibilità sul mercato di svariate taglie; consolidata tecnologia di costruzione; buon valo del rapporto /peso. - Il collegamento tra il roto della turbina eolica, rotante a bassa, e il, rotante ad alta, non può pscinde dalla psenza del moltiplicato di giri. Per elimina il moltiplicato di giri (rumo e costi, sia d'impianto sia di manutenzione) occor alizza con elevato numero di coppie polari a magneti permanenti Il può esse connesso dittamente alla te (aero CSCF) ovvero può esserlo mediante l interposizione convertito di fquenza (aero VSCF). La psenza del convertito di fquenza: + consente di nde la di rotazione del indipendente dal valo della fquenza della te ; - comporta un costo di alizzazione maggio; - genera armoniche della cornte ed è fonte di possibili guasti. della 17 di 28

18 da da (2 di 6) La alla aerogenerat o Aero VSCF con convertito unidizionale di fquenza connesso allo stato della Interposizione, tra lo stato e il convertito, a batteria di condensatori per la magnetizzazione del e per la commutazione dei dispositivi elettronici del convertito. Notevole distorsione armonica della cornte inquinamento armonico della cornte lato te. 18 di 28

19 da da (3 di 6) La alla aerogenerat o Aero VSCF con convertito bidizionale di fquenza connesso allo stato della La psenza del convertito bidizionale a commutazione forzata consente: + al flusso di di pote esse ditto olt che dal verso la te anche dalla te verso il non è necessaria la psenza della batteria di condensatori per la magnetizzazione del ; + di comanda il convertito con tecniche di modulazione del tipo PWM (Pulse Width Modulation) grandezze elettriche con basso contenuto armonico; + Il convertito bidizionale a commutazione forzata nde il sistema più caro. 19 di 28

20 da da (4 di 6) La alla aerogenerat o Aero VSCF con sistema di dissipazione della connesso al roto E possibile controlla la del variando la quantità di spillata dagli avvolgimenti rotorici (poi dissipata sul carico sistivo agendo sugli angoli di accensione dei tiristori del ponte raddrizzato a diodi. La non può esse variata in un ampio intervallo perché bisogna evita che lo scorrimento assuma valori troppo elevati (viceversa deve dissiparsi un elevata sul carico sistivo con conseguenti bassi valori del ndimento). All aumenta dell ampiezza desiderata dell intervallo di variazione della devono aumenta la nominale del convertito ed il valo del carico sistivo aumentano i costi. della 20 di 28

21 da da (5 di 6) La alla aerogenerat o della Aero VSCF con convertito unidizionale di fquenza connesso al roto Il surplus tra la vento e quella immessa in te dal lato dello stato viene immesso in te dal lato del roto attraverso il convertito che adatta la fquenza a quella di te. Diffentemente dalla configurazione con convertito unidizionale connesso allo stato, in questa non è psente la batteria di condensatori per la magnetizzazione della macchina dato che quest ultima pleva l energia attiva dalla te. 21 di 28

22 da da (6 di 6) La alla aerogenerat o Aero VSCF con convertito bidizionale di fquenza connesso al roto La bidizionalità del convertito di fquenza consente al flusso di di pote esse ditto sia dal roto verso la te sia in verso opposto e ciò consente al sistema di genera energia sia a supersincrona sia a subsincrona. Il convertito di fquenza è di inferio, meno ingombrante e più economico rispetto a quello connesso allo stato. Ciò in quanto deve esse dimensionato per una frazione della generata, che dipende dall ampiezza del range desiderato di variazione della, e che in gene non eccede il 30% della totale generata. della 22 di 28

23 da da sincrono a magneti permanenti (1 di 1) La alla aerogenerat o Aero VSCF con Sincrono a magneti permanenti della + il roto non è sede di significative perdite di (non psenta avvolgimenti percorsi da cornte); + non ci sono contatti striscianti riduzione della manutenzione; + non esiste il problema di limita la cornte rotorica per motivi di sovrariscaldamento; + è possibile alizza un elevato numero di coppie polari può eliminarsi il moltiplicato di giri ( psa ditta ) riduzione della rumorosità e della manutenzione; aumento dell affidabilità; aumento del ndimento. 23 di 28

24 (Maximum Power Point Tracking) (1 di 3) da La alla della Al csce della csce sia il valo massimo della convertita, sia il valo di della turbina al quale corrisponde il suddetto valo massimo affinché una turbina eolica eroghi la massima, per la data, occor che essa ruoti ad una determinata il cui valo dipende dalla occor conosce istante per istante: le curve - della turbina; la ; la della turbina; la. 24 di 28

25 (Maximum Power Point Tracking) (2 di 3) da La alla della basato sulla misura della anemometro del vento Curve - della turbina eolica ωeol,rif = della turbina cui corrisponde la massima Sistema di della senso di ωeol = della turbina 25 di 28

26 (Maximum Power Point Tracking) (3 di 3) da La alla della basato sulla determinazione della pendenza delle curve P Il punto di massima convertita dalla turbina viene determinato valutando il rapporto incmentale: (Pmecc,n - Pmecc,n-1) / (ω eol,n - ω eol,n-1 ) ω eol,rif 26 di 28

27 un filmato intessante 27 di 28

28 Grazie della cortese attenzione 28 di 28