MODESTA INTENSITÀ IN SISTEMI DI

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1 ESTRATTO DELLA TESI UTILIZZAZIONE DI VENTI DI MODESTA INTENSITÀ IN SISTEMI DI ELETTRO-POMPAGGIO EOLICO Lanfranco Grande

2 INDICE 1. Introduzione Apparato sperimentale Simulazione turbina eolica Generatore elettrico Circuito idraulico e pompa elettrica Analisi dell interazione pompa-alternatore Caratterizzazione del carico Condizioni di spunto della pompa Scheda di controllo e collaudo Risultati Conclusioni...17 Bibliografia

3 UTILIZZAZIONE DI VENTI DI MODESTA INTENSITÀ IN SISTEMI DI ELETTRO-POMPAGGIO EOLICO 1. INTRODUZIONE L energia eolica è una risorsa inesauribile e completamente pulita, il suo sfruttamento è una delle più valide alternative all energia prodotta dalla combustione di idrocarburi. Lo sviluppo attuale è già in grado di evitare pesanti emissioni in atmosfera di sostanze inquinanti (cfr. Introduzione). Qualche perplessità proviene dalla preoccupazione per l impatto ambientale, in particolare sull occupazione del territorio e l impatto acustico, ma si tratta di ben poca cosa, soprattutto se si pensa agli enormi benefici che ne possono derivare. Nel presente lavoro l utilizzo dell energia eolica trova un applicazione specifica: l energia estratta dal vento è utilizzata per il sollevamento dell acqua da un pozzo con l ausilio di un elettropompa. Tale utilizzo è un po fuori degli standard commerciali, e quindi pone problematiche di ordine tecnico finora non affrontate, anche perché le macchine componenti il SEPE funzionano in condizioni fuori progetto. L uso di Sistemi Eolici per il Pompaggio Elettrico (SEPE) è un applicazione molto interessante in aree rurali, poiché evita 1

4 l allacciamento alla rete elettrica e presenta un limitato impatto visivo ed una modesta occupazione del suolo [1-3]. Inoltre, questi sistemi sono progettati per intensità del vento medio basse, cosicché il loro funzionamento è possibile anche nei siti meno favoriti, e poiché l effetto utile consiste nella quantità di acqua sollevata, anche l accumulo diventa semplice ed economico. Da notare infine, che i SEPE sono a contenuto tecnologico basso, perciò sono realizzabili installazioni anche in località povere di manodopera specializzata. Fra le possibili configurazioni di questi sistemi, una risulta particolarmente adatta per l installazione in zone isolate. Questa è costituita da una turbina ad asse orizzontale con passo fisso, da un moltiplicatore di giri e da un generatore sincrono, che è direttamente connesso col motore asincrono di una pompa centrifuga. Condurre dei test direttamente sul campo è praticamente impossibile a causa della continua variabilità della fonte primaria. Per questo, in laboratorio è stato allestito un banco prova che, con condizioni eoliche ben precise, ha consentito l analisi della mutua interazione fra i vari componenti [5]. In particolare, è stata studiata in dettaglio l influenza della tensione di eccitazione dell alternatore sulle prestazioni dell intero sistema. Sulla base di questo studio, è stata definita una strategia di controllo della tensione di eccitazione che facilita lo spunto della pompa in presenza di una modesta intensità del vento, e massimizza la portata estratta in qualsiasi condizione del vento. 2

5 2. APPARATO SPERIMENTALE 2.1 Simulazione turbina eolica La turbina eolica e il moltiplicatore di giri sono simulati con un motore c.c. che può essere controllato in coppia attraverso la corrente d armatura, o in velocità attraverso la tensione d armatura, con tensione d eccitazione costante. Nei test è stato simulato un rotore eolico da 5 m di diametro, con asse orizzontale e con rapporto di trasmissione pari a 9 [4]. Un trasduttore di coppia con marcatore d angolo, per la misura della coppia e della velocità di rotazione, è stato posizionato tra il motore c.c. e l alternatore. Un computer, dotato di convertitore A/D per i segnali in ingresso e convertitore D/A per quelli in uscita, gestisce il banco consentendo al motore di andare a velocità costante, a coppia costante o di seguire la caratteristica coppia velocità del vento del rotore eolico. coppia di riferimento Convertitore giri Multiprogrammer coppia effettiva giri (Encoder) Tensione d'armatura Motore Torsiometro (con Encoder) Alternatore Carico Idraulico Figura 1 Schema del banco prova 3

6 Apparato sperimentale In figura 1 è riportato lo schema del banco: il computer legge la velocità di rotazione del motore c.c. e imposta la coppia richiesta dalla caratteristica coppia velocità selezionata. La coppia calcolata e quella misurata sono inviate al convertitore DC/DC che alimenta il motore. Anche l effetto dovuto alla differenza d inerzia tra rotore eolico e il motore è stato messo in conto (cfr. Capitolo 5). La coppia calcolata che deve erogare il motore è infatti: C dove mot = C tur C C tur è la coppia risultante dalla caratteristica del complesso rotore eolico moltiplicatore di giri, per una data velocità del vento e per un certo regime di rotazione. C è il termine di correzione dell effetto d inerzia. 2.2 Generatore elettrico Il generatore elettrico trifase è una macchina commerciale sincrona con due coppie polari (potenza nominale 6.5 kva a 1500 rpm, 50Hz). Un generatore sincrono si adatta bene ad un SEPE perché può produrre energia elettrica (sebbene a frequenza variabile) a qualsiasi velocità di rotazione. È ben noto che impianti di generazione convenzionale possono produrre energia elettrica a frequenza e tensione costante. Ciò è possibile usando un regolatore elettro-meccanico che incrementa la tensione di eccitazione dell alternatore se la tensione ai morsetti diminuisce, e aumenta la coppia erogata dal motore primo. Ovviamente tale strategia 4

7 Apparato sperimentale non è applicabile ad un SEPE il cui motore è il vento. In fase di avvio la corrente assorbita dal motore asincrono della pompa sarebbe molto alta, la tensione ai morsetti dell alternatore quasi nulla con una coppia resistente molto superiore a quella necessaria per lo spunto di una normale turbina eolica di piccola taglia. Sulla base di queste considerazioni il regolatore di tensione sopra descritto è stato staccato, e la tensione di eccitazione fornita dall esterno, inizialmente come tensione costante selezionata manualmente, successivamente con un regolatore dedicato la cui logica di controllo sarà descritta più avanti. 2.3 Circuito idraulico e pompa elettrica La pompa elettrica è inserita in un circuito idraulico che simula il carico idraulico del SEPE (figura 2). La pompa elettrica è inserita all interno di un serbatoio zincato (S). Il carico idraulico richiesto può essere selezionato attraverso una valvola di regolazione (V) che provoca una caduta di pressione tra 0 e 40 m simulando l altezza geodetica, tre diaframmi (D) consentono di realizzare le perdite dipendenti dalla portata. Inoltre, per evitare significativi aumenti di calore è stato inserito nel circuito uno scambiatore di calore (R). 5

8 Apparato sperimentale La prevalenza della pompa è determinata dalla differenza tra la lettura della pressione effettuata dal trasduttore (T), e l altezza geodetica fornita dalla valvola di regolazione (C), mentre la portata è misurata da una turbinetta assiale messa in rotazione dal flusso d acqua. P = pompa S = serbatoio aspirazione S = serbatoio refrigerazione F = flussimetro D = flange tarate K = pick-up magnetico C = vaso di carico M = motore elettrico T = trasduttore di pressione R = refrigeratore V = valvola di sfogo T C S' P R D F V M K Figura 2 Circuito idraulico di simulazione del carico 6

9 3. ANALISI DELL INTERAZIONE POMPA- ALTERNATORE 3.1 Caratterizzazione del carico Il carico (la pompa e il circuito idraulico) è stato caratterizzato in termini di tensione di eccitazione dell alternatore. Per ogni tensione di eccitazione, sono state misurate coppia e la velocità di rotazione all asse dell alternatore, la portata, la prevalenza e la rotazione della pompa. La figura 3 mostra la potenza meccanica richiesta dall alternatore per differenti valori di tensione di eccitazione. La figura mostra anche la V = 9 V e cc Tensione variabile V = 6 V ec c 1200 Potenza alternatore [W] m/s 6 m/s 7 m/s 4 m/s 3 m/s Velocità di rotazione alternatore [rpm] Figura 3 Curve di carico per diverse tensioni di eccitazione. potenza generata dal rotore eolico [4] per diverse velocità del vento. Per ogni tensione di eccitazione, la pendenza della curva di potenza richiesta non coincide con la cubica ottima della turbina eolica. Nel 7

10 Analisi dell interazione pompa-alternatore sistema testato l efficienza globale aumenta con la velocità di rotazione dell alternatore. I primi risultati suggeriscono che la tensione di eccitazione dell alternatore ha una forte influenza sulle prestazioni globali dell intero sistema giocando un importante ruolo nella sua ottimizzazione. In funzione di ciò sono stati analizzati due aspetti durante i test: lo spunto della pompa e la portata estratta dopo l avvio. 3.2 Condizioni di spunto della pompa Il problema dello spunto sorge a causa della presenza del motore asincrono, che richiede una corrente di avvio che è molte volte quella : 6 V prima dell avvio della pompa : 6 V con pompa avviata : 12V prima dell avvio della pompa : 12V con pompa avviata Coppia [Nm] 4.0 a b d 2.0 c 4 m/s Velocità di rotazione dell alternatore [rpm] Figura 4 Condizioni di spunto della pompa. nominale. Questo fatto diventa critico per le prestazioni di un SEPE in condizioni di bassa intensità del vento. 8

11 Analisi dell interazione pompa-alternatore I test hanno provato che lo spunto avviene quando la coppia raggiunge i 3-4 Nm. In figura 4 è mostrato l andamento della coppia misurata in funzione della velocità di rotazione prima che la pompa inizi a muoversi (simboli vuoti) e con la pompa in movimento (simboli pieni) per due diverse tensioni di eccitazione: 12 V (cerchi) e 6 V (quadrati). Per spiegare lo spunto della pompa con vento poco intenso, la figura 4 [5] mostra anche la curva coppia-velocità della turbina eolica simulata con velocità del vento costante di 4 m/s. Per una tensione di eccitazione di 12 V, la pendenza della caratteristica coppia-velocità con pompa ferma è così alta che interseca la caratteristica della turbina sotto il valore di coppia di 3-4 Nm che consente l avvio della pompa (punto a). In questa condizione la turbina e l alternatore girano molto lentamente e la pompa non parte, invece, se si usa una tensione di eccitazione più bassa (6 V), la pendenza è più bassa e l intersezione con la caratteristica della turbina avviene ad un valore di coppia al di sopra della zona di spunto di 3-4 Nm: in questo range di coppia la pompa parte (punto b), il punto di funzionamento si sposta, mantenendo lo stesso numero di giri, sulla curva con la stessa tensione (attraverso la linea tratteggiata), ma con pompa in movimento. In questo punto (c), a causa del gap tra la coppia motrice e quella resistente, la pompa accelera fino a raggiungere il punto d. Le osservazioni sopra riportate suggeriscono che con pompa ferma, è conveniente indebolire l eccitazione del generatore per facilitare lo spunto della pompa. Dopo l avvio, la tensione di eccitazione deve essere regolata per ottenere la massima portata possibile. 9

12 4. SCHEDA DI CONTROLLO E COLLAUDO Dalle prove effettuate si è potuto riscontrare come la curva della portata d acqua, passante per i punti di massimo per ogni velocità del vento, sia lineare, sia rispetto alla rotazione dell alternatore, sia rispetto alla tensione di eccitazione (figure 5a e 5b). Ne consegue che esiste una relazione di tipo lineare anche tra tensione d eccitazione e velocità di rotazione dell alternatore. La legge che approssima meglio i punti di massimo è risultata: V ecc = f Il motivo di questa scelta sta nel fatto che la coppia resistente dell alternatore cresce con la tensione di eccitazione; all avviamento l eccitazione sarà molto bassa e di conseguenza la coppia resistente contenuta; la richiesta di potenza aumenterà invece con la velocità di rotazione, e quindi con l intensità del vento. Portata (l/min) m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s Tensione di eccitazione (V) Figura 5a Portata realizzata per ogni velocità del vento in funzione della tensione d eccitazione. 10

13 Scheda di controllo e collaudo Portata (l/min) m/s 6 m/s Figura 5b Portata realizzata per ogni velocità del vento in funzione della rotazione dell alternatore 5 m/s 4m/s Velocità di rotazione alternatore [rpm] Ovviamente, tale tipo di controllo non potrà garantire né tensione costante, né frequenza costante, ma questo è accettabile se lo scopo è la massimizzazione della portata e non la qualità dell energia elettrica. Il circuito elettrico che realizza questa regolazione può essere facilmente installato all interno dell alternatore. Dal punto di vista funzionale è costituito da un convertitore frequenza/tensione e da un amplificatore operazionale che funge da sommatore (Fig. 6). Sia il guadagno del convertitore (pendenza della retta), sia la tensione aggiunta dal sommatore (ordinata all origine) possono essere variati in sede di taratura del circuito. L alimentazione si può ottenere dallo stesso alternatore, sfruttando, per i primi istanti di funzionamento, il magnetismo residuo del ferro rotorico come già avviene di norma per i circuiti regolatori incorporati a questo tipo di generatori elettrici. 11

14 Scheda di controllo e collaudo Potenza elettrica + Vecc Blocco Raddrizz./Aliment. Convertitore F/V Sommatore Regol. Guadagno Scheda di controllo tensione di eccitazione Regol. Offset ALTERNATORE Potenza meccanica in ingresso T w Figura 6 Scheda di controllo della tensione di eccitazione dell alternatore. La scheda proposta è stata testata imponendo valori di coppia costante all albero dell alternatore e registrando sia la velocità sia la tensione di eccitazione fornita dalla scheda stessa. Per qualsiasi velocità di rotazione sopra i 300 rpm l andamento è molto vicino a quello desiderato, mentre sotto i 300 rpm il controller eroga una tensione costante. 12

15 5. RISULTATI Una modifica al software di gestione ha consentito d impostare, con un periodo di 22 s, la caratteristica del rotore corrispondente ad un intensità del vento pari a Vmax per il 50 % del tempo e pari a Vmin per l altra metà del ciclo. La scelta di acquisire i dati di portata in condizioni periodiche è dovuta alla naturale instabilità dei venti. Le velocità del vento Vmax e Vmin (7-5 m/s, 8-4 m/s) sono state selezionate allo scopo di mantenere la stessa velocità media del vento, e per avere il termine di confronto è stata fatta un acquisizione con Vmax e Vmin entrambe pari a 6 m/s. I test sono stati ripetuti per diverse altezze geodetiche (20, 30, 40 m) e in queste condizioni la tensione di eccitazione è stata fornita sia dalla scheda proposta dedicata al controllo che da un alimentatore a tensione fissa (6, 9 volt). Una tensione d eccitazione costante inferiore a 6 V non è stata usata perché causava eccessive velocità di rotazione con una velocità del vento superiore a 7 m/s. In questa condizione la coppia resistente all asse del generatore è troppo bassa e il sistema non riesce a trovare un punto di equilibrio, o meglio, questo si trova sulla carta a regimi troppo alti e lontani dal range di funzionamento del nostro motore. Quando la tensione d eccitazione è controllata dalla scheda, per alte velocità di rotazione, essa s innalza imponendo una coppia resistente più elevata evitando che il rotore vada in fuga e garantendo, al contempo, il funzionamento in un punto a più alto rendimento. In figura 7a e 7b è possibile osservare le 13

16 Risultati portate istantanee per una altezza geodetica pari a 30 m con velocità del vento rispettivamente pari 5-7 m/s e 6-8 m/s, sia con eccitazione variabile, sia con tensione costante di 6 volt. Il caso con tensione costante a 9 volt ha dato i peggiori risultati in tutte le situazioni e non è mostrato. H = 30 m, Velocità del vento = 5-7 m/s Tensione variabile Portata [l/min] Tensione costante 6V H = 30 m, Velocità del vento = 4-8 m/s Tensione variabile Portata [l/min] Tensione costante 6V Figura 8 a, b Portata d acqua sollevata usando sia una tensione d eccitazione variabile (in blu), sia una tensione costante di 6 volt (in nero). 14

17 Risultati Nel secondo caso si nota che la portata istantanea estratta in corrispondenza di V max = 8 m/s, con tensione costante a 6 volt, è ancora inferiore a quella estratta a tensione variabile, ma con una differenza più esigua rispetto a quella del caso precedente. La ragione risiede nel fatto che per elevate velocità di rotazione, con il controllo proposto, si ha una tensione d eccitazione superiore solo di poco ai 6 volt forniti con tensione fissa. Con la velocità bassa (V min = 4 m/s) la tensione prodotta dalla nostra scheda è molto inferiore ai 6 volt consentendo ancora il funzionamento della pompa ma le portate sono molto ridotte dall elevata altezza geodetica. Il vantaggio conseguito rispetto al sistema a tensione fissa è modesto nonostante in quest ultimo caso la pompa non riesca neppure a prevalere sull altezza geodetica. In conclusione, una tensione di eccitazione variabile fornisce sempre migliori risultati globali rispetto ad una generica tensione costante. Inoltre, il vantaggio di una tensione variabile diventa proporzionalmente più importante con l incremento dell altezza geodetica. La ragione risiede nel fatto che un aliquota della prevalenza fornita dalla pompa serve per superare l altezza geodetica, mentre solo la rimanente parte, se presente, serve a fornire portata. D altro canto, con la logica di controllo proposta, la pompa gira più velocemente che con una tensione fissa, per qualsiasi velocità del vento inferiore agli 8 m/s. Di conseguenza, per alte velocità del vento e basse altezze geodetiche, le differenze nella portata d acqua sollevata con i due modi di eccitazione sono modeste. Mentre, con basse velocità del vento e altezze geodetiche alte la differenza di 15

18 Risultati portata è più rilevante. Inoltre, può essere notato che nel caso del controllo proposto la condizione del vento a 4-8 m/s abbraccia la portata media più bassa per qualsiasi altezza geodetica, nonostante il contenuto energetico del vento sia superiore (l energia del vento va con il cubo della velocità) e la portata d acqua sia sempre diversa da zero anche nella parte del ciclo a velocità più bassa. Ciò è dovuto alla più bassa efficienza dei componenti del sistema nella prima metà del periodo e alle più alte perdite di carico durante la restante parte del ciclo. Portata [l/min] H = 20 m Vecc variabile Vecc 6 volt Nei grafici accanto è possibile apprezzare in maniera più immediata le differenze dei volumi medi di acqua sollevata nelle diverse condizioni m/s 5-7 m/s 6 m/s H = 30 m Vecc variabile Vecc 6 volt 25 Portata [l/min] m/s 5-7 m/s 6 m/s Figure 8 a, b Portata media sollevata con altezza geodetica pari a 20 e 30 16

19 6. CONCLUSIONI Il banco di prova allestito in laboratorio ha consentito la simulazione del gruppo rotore eolico moltiplicatore di giri e dell intero circuito idraulico. Le prove eseguite al banco hanno permesso di individuare le condizioni minime per lo spunto della pompa e quelle di massima portata dell impianto per ogni velocità del vento. È risultato evidente che la scheda di controllo in dotazione ad un alternatore commerciale non è idonea per un SEPE, quindi è stato realizzato ed installato sull alternatore, un prototipo del circuito elettronico in grado di gestire l eccitazione secondo i criteri rivelatisi idonei per gli aerogeneratori. L introduzione di una nuova logica di controllo dell eccitazione dell alternatore ha offerto anche la possibilità di servirsi di tale grandezza come variabile di controllo per l ottimizzazione della portata d acqua erogata. Infine, allo scopo di poter effettuare prove anche in regime transitorio, è stato introdotto, nel software di controllo, un algoritmo per tenere conto del momento d inerzia della turbina. Sono perciò attendibili anche i risultati delle misure effettuate in condizioni di vento variabile. I risultati dei test sono sintetizzabili come segue: La nuova strategia di controllo, con un basso valore della tensione di eccitazione allo spunto, consente di avere un avviamento della pompa con venti di più bassa intensità; 17

20 Conclusioni Ad alti regimi di rotazione l alto valore della tensione di eccitazione porta il sistema di elettropompaggio ad incrementare sensibilmente la portata d acqua elaborata; Il vantaggio della soluzione proposta diventa più rilevante con basse velocità del vento, notevoli altezze geodetiche e con una certa irregolarità del vento. 18

21 BIBLIOGRAFIA 1. Goezinne, F. and Eilering, F., Wind Electric Pumping Systems. Proc. EWEC 84, 1985, 1, Adekoya L.O. and Adewale A.A., Wind Energy Potential of Nigeria. Renewable Energy, 1992, 2(1), Pallabazzer, R. and Sebbit, A.M., The Wind Resources in Uganda. Renewable Energy, 1998, 13(1), Boccazzi, A. and Pallabazzer, R., Laboratory and Field Tests of a WEPS. Proc. of EWEC 91, Amsterdam 1991, Amelio, M. and Bova, S., Influence of the Synchronous Generator Field Voltage of the Performance of an Autonomous WEPS. Proc. WREC-IV, Denver, June 1996,