CASCATE E CATERATTE. energia eolica REALIZZAZIONE DI UNA CENTRALE EOLICA PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA IMPIANTO EOLICO CASALE NOVO

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1 CASCATE E CATERATTE energia eolica REALIZZAZIONE DI UNA CENTRALE EOLICA PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA IMPIANTO EOLICO CASALE NOVO Località Toponimo COMUNE DI CASALNUOVO MONTEROTARO (Foggia) Area San Lorenzo Purgatorio Elaborato CALCOLO DELLA GITTATA MASSIMA DEGLI ELEMENTI ROTANTI Progettazione PROGETTO DEFINITIVO Documento 0 18/11/2008 Rev. Data Motivazione 1

2 INDICE 1 INTRODUZIONE METODO DI CALCOLO IPOTESI MODELLO DI CALCOLO CARATTERISTICHE DELL AEROGENERATORE RISULTATI DEL CALCOLO CONCLUSIONE

3 1 INTRODUZIONE Scopo del presente documento è descrivere le ipotesi, il metodo e i risultati del calcolo della gittata massima degli elementi rotanti di un aerogeneratore, in caso di rottura accidentale degli stessi. Il calcolo si riferisce agli aerogeneratori che saranno istallati nella centrale eolica che la Società Srl intende realizzare nel Comune di Casalnuovo Monterotaro (FG). Il parco eolico sarà realizzato in un territorio con bassa densità abitativa, attraversato da strade comunali con carreggiata stretta a servizio delle case rurali e utilizzate per il passaggio dei mezzi agricoli e da un reticolo di stradine non asfaltate utilizzate per il passaggio di mezzi agricoli. La sola strada provinciale, SP 5 Casalnuovo Monterotaro Colletorto, si trova a più di un chilometro di distanza dalla pala più prossima. 3

4 2 METODO DI CALCOLO L analisi descritta in questo rapporto consiste nello stimare le conseguenze del distacco accidentale di una pala rotore di un aerogeneratore, o di una parte di essa, mentre quest ultimo è in operazione. Pur trattandosi di un evento con bassissima probabilità di accadimento, potrebbe avere impatti significativi in quanto comporta la proiezione dell elemento distaccato e la sua successiva ricaduta sul terreno. Il calcolo descritto nel seguito determina il punto di ricaduta rispetto all aerogeneratore (gittata massima), al fine di verificare la compatibilità con gli insediamenti abitativi più prossimi all aerogeneratore. 2.1 Ipotesi L ipotesi di partenza è che, una pala o una sua parte, si distacchi accidentalmente mentre il rotore è in movimento e venga quindi proiettata in aria; la figura 1 di seguito illustra schematicamente il fenomeno. Figura 1 Il moto risultante sarà quello di un corpo libero, soggetto solo alla accelerazione di gravità ed alla forza di attrito viscoso con l aria. La sua dinamica risulta essere 4

5 piuttosto complessa in quanto è governata da numerose e imprevedibili, come la forma dell oggetto e la sua massa. Inoltre la rottura della pala, combinata alla movimento del rotore, imprimeranno all oggetto distaccato un moto rototraslatario, di cui non è possibile prevedere la componente rotatoria. Al fine del calcolo si assumerà quindi che il moto sia assimilato a quello di un corpo puntiforme avente massa e centro di gravità corrispondenti a quella dell oggetto distaccato. Viene inoltre assunto che l oggetto trasli senza ruotare, disponendosi in una posizione tale da offrire il minor attrito possibile con l aria rispetto alle componenti orizzontali della sua velocità e, al contrario, massimo attrito rispetto a quelle verticali (massima portanza). Tutte queste assunzioni risultano conservative ai fini della gittata massima; il questo modo la gittata reale non sarà superiore a quella calcolata. Nel calcolo non è stata considerato il contributo del vento in direzione perpendicolare al moto dell oggetto (asse z), risultando questo trascurabile. La condizione peggiore ai fini della gittata massima si verifica quando la rottura avviene durante il moto ascendente della pala, con angolo prossimo ai Modello di calcolo Un corpo in movimento attraverso l aria è soggetto alla forza di attrito viscoso che ha verso opposto alla direzione della sua velocità ed è funzione di quest ultima, della sua geometria e della densità dell aria, secondo l equazione: dove: C = coefficiente di penetrazione aerodinamica; è assunto costante solo dalla forma dell oggetto; ha valori compresi tra 0.5 (sfera) e 2 (la forma meno aerodinamica possibile), p = densità dell aria = 1.2 Km/, S = sezione dell oggetto, misurata nel piano perpendicolare alla direzione di moto, 5

6 V = velocità dell oggetto. La velocità iniziale della pala, o del pezzo di pala, sarà pari alla velocità tangenziale del suo centro di massa, che a sua volta è funzione della velocità angolare del rotore dove è la distanza del baricentro dall asse di rotazione delle pale. Il moto dell oggetto sarà descritto attraverso le sue componenti sugli assi verticali e orizzontali. Come sistema di riferimento si assume una coppia di assi cartesiani, con x diretto nel verso del moto dell oggetto e y diretto verso il basso; i valori iniziali delle componenti del vettore velocità possono essere scritti in funzione dell angolo di gittata : Moto lungo l asse y (verticale). La seconda equazione della dinamica si scrive, sull asse y: per la fase di risalita per la fase di ricaduta verso il terreno dove: m = massa dell oggetto 6

7 g = accelerazione di gravità = 9.8 m/s La loro integrazione permette di scrivere le equazioni di moto lungo l asse y: per la fase di risalita per la ricaduta verso il terreno. Queste soluzioni devono essere ulteriormente integrate per ottenere l equazione temporale dello spazio. Moto lungo l asse x (orizzontale). In questo caso l equazione del moto si ricava da: La cui integrazione permette di ottenere l equazione della coordinata x: con: 7

8 3 CARATTERISTICHE DELL AEROGENERATORE Il parco eolico sarà costruito da macchine di taglia 2.5 MWe, aventi altezza della torre pari a 85 m e lunghezza delle pale = 45 m. La velocità angolare del rotore, corrisponde alla massima velocità del vento, è assunta pari a 14 giri/min (valore tipico per aerogeneratori di questa taglia). La figura 2 seguente riassume i riferimenti utilizzati per il calcolo. Figura 2 Inoltre si assume che l aerogeneratore si trovi in una posizione sopraelevata rispetto al punto di caduta, incrementando così la gittata calcolata; il dislivello è assunto pari a 30 m. Le pale dell aerogeneratore sono progettate per generare portanza; pertanto è ragionevole ipotizzare la pala distaccata si disponga ponendo la sua corda nella direzione del moto; come già descritto al paragrafo 2.1, questa assunzione risulta conservativa ai fini del calcolo, in quanto incrementa il tempo di volo, e quindi la gittata. 8

9 Sulla base di questa ipotesi sono stati selezionati i coefficienti aerodinamici e, e le sezioni della pala e. 4 RISULTATI DEL CALCOLO La rottura di una pala è un evento accidentale e pertanto non è possibile prevedere come e in quale punto avverrà; per coprire le diverse possibilità sono quindi stati identificati tre casi di calcolo, corrispondenti alla rottura dell intera pala o di una sua sezione a tre diverse distanze dal mozzo: caso a: caso b: rottura dell intera pala rottura di un terzo della pala caso c: rottura di una estremità della pala (ultimi 5 m) La tabella A seguente mostra i principali parametri utilizzati per il calcolo e i risultati, per ognuno dei tre casi; in tutti i casi si è assunto conservativamente che il baricentro della sezione spezzata si trovi nella mezzeria della stessa. Tabella A caso lunghezza massa della gittata della sezione sezione a 5 m 90 kg 164 m b 16 m 600 kg 159 m c 50 m 9000 kg 40 m 9

10 5 CONCLUSIONE Il massimo valore di gittata calcolato tra tutti i casi considerati è pari a 164 m, e risulta inferiore alla minima degli aerogeneratori dagli insediamenti abilitativi più prossimi. Tenendo presente che il calcolo eseguito e descritto in questo rapporto è basato su ipotesi molto conservative, si può affermare che in caso di rottura accidentale di una pala non ci sia rischio di impatto con strutture sensibili (strade, abitazioni etc). 10