Politecnico di Bari I Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica ENERGIA EOLICA

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Cipriano Caselli
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1 Politecnico di Bari I Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica ENERGIA EOLICA turbine eoliche ad asse verticale VAWT A.A. 2008/09 Energie Alternative Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

EOLICA turbine eoliche ad asse verticale VAWT A.A. 2008/09 Energie Alternative Prof.

2 VAWT - classificazione Le turbine ad asse verticale (o con acronimo anglosassone VAWT - Vertical Axis Wind Turbine) possono essere distinte in due classi a seconda dalla modalità principale con cui viene sviluppata la coppia di rotazione: - Turbine a resistenza - Turbine a portanza A.A. 2008/09 Energie Alternative 2 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

principale con cui viene sviluppata la coppia di rotazione: - Turbine a resistenza -

3 Turbine ad asse verticale Svantaggi Sono posizionate generalmente al suolo dove il vento ha velocità inferiori Per avviarsi (tranne il Savonius) è necessario utilizzare il generatore come motore Sono solitamente caratterizzate da una minore efficienza rispetto a quelle ad asse orizzontale Sono necessari cavi di sostegno (spesso incompatibili con l ambiente) La sostituzione dei cuscinetti richiede la rimozione dell intera macchina E più difficile proteggere queste turbine dai venti forti A.A. 2008/09 Energie Alternative 3 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

orizzontale Sono necessari cavi di sostegno (spesso incompatibili con l ambiente) La sostituzione dei cuscinetti richiede la rimozione dell

4 Turbine ad asse verticale Vantaggi Le turbine ad asse verticale sono in grado di sfruttare l energia eolica indipendentemente dalla direzione del vento Generatore, moltiplicatore ed altri organi soggetti a manutenzione sono disposti in basso favorendo gli interventi Nei sistemi di pompaggio è favorita la trasmissione della coppia A.A. 2008/09 Energie Alternative 4 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

a manutenzione sono disposti in basso favorendo gli interventi Nei sistemi di pompaggio è favorita la

5 Turbine a resistenza a) Una resistenza D esercitata dal vento su una parete disposta asimmetricamente rispetto all asse di rotazione determina una coppia rispetto all asse e quindi una rotazione; quando però la parete passa nella posizione opposta la resistenza provoca una coppia di senso contrario b) Se però la parete è curva la resistenza D 1 esercitata quando offre la parte concava (C D1 = 1.33) risulta diversa (maggiore) da quella D 3 quando offre la parte convessa (C D3 = 1.33): la differenza è quindi sempre attiva nel senso della rotazione. A.A. 2008/09 Energie Alternative 5 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

la parete è curva la resistenza D 1 esercitata quando offre la parte concava (C D1 = 1.

6 Turbine a resistenza - Savonius Una delle turbine ad asse verticale a resistenza di maggior successo è il rotore Savonius. Ovviamente proprio perché la coppia motrice in queste macchine è generata per una differenza di resistenze, l efficienza di queste turbine è molto bassa. A.A. 2008/09 Energie Alternative 6 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

Ovviamente proprio perché la coppia motrice in queste macchine è generata per una

7 Rotore Savonius d = 0. 6 [ m] Diametro nominale delle pale e = d 6 = 0. 1 [ m] Gioco interpalare R = [ m] Raggio del rotore s = 3 [ mm] Spessore nominale delle pale D d = R = [ m] Diametro dei piatti di chiusura S = H 2 ( 2 d e) = H D [ m ] Area spazzata dalla turbina A.A. 2008/09 Energie Alternative 7 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

55 [ m] Raggio del rotore s = 3 [ mm] Spessore nominale delle pale D d = 1. 1 2 R = 1.

8 Griglia di calcolo La griglia di calcolo si estende 10 m a monte e 20 m a valle. Il dominio di calcolo si divide in due zone: zona interna solidale al rotore Savonius (Zona1) zona esterna fissa (Zona2) A.A. 2008/09 Energie Alternative 8 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

9 Griglia di calcolo Uscita Zona2 griglia fissa interfaccia pareti esterne senza attrito ingresso A.A. 2008/09 Energie Alternative 9 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

10 Griglia di calcolo Zona1 griglia mobile Pala avanzante interfaccia Pala di ritorno A.A. 2008/09 Energie Alternative 10 Prof.B.Fortunato

11 Rotore fisso θ = 90 ; ω = 0 [rad/s]; V inf = 5 [m/s]; dt = [s] dopo 3000 iterazioni, raggiunta la periodicità, è stato eseguito un ulteriore ciclo A.A. 2008/09 Energie Alternative 11 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

12 Rotore fisso periodo, V inf = 5 [m/s]: T = [s] Frequenza, V inf = 5 [m/s]: f = 0.93 [Hz] f D Numero di Strouhal, V inf = 5 [m/s]: St = = 0. 2 V A.A. 2008/09 Energie Alternative 12 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

93 [Hz] f D Numero di Strouhal, St, @ V inf = 5 [m/s]: St = =

13 Rotore fisso A.A. 2008/09 Energie Alternative 13 Prof.B.Fortunato

14 Curva caratteristica Le Simulazioni sono state condotte in corrispondenza di due diversi regimi di velocità: V inf = 5 [m/s] V inf = 10 [m/s] A.A. 2008/09 Energie Alternative 14 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

15 Curva caratteristica Le Simulazioni sono state condotte in corrispondenza di due diversi regimi di velocità: V inf = 5 [m/s] V inf = 10 [m/s] A.A. 2008/09 Energie Alternative 15 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

16 Simulazione a V inf = 5 [m/s] e λ = 1 A.A. 2008/09 Energie Alternative 16 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

17 Simulazione a V inf = 5 [m/s] e λ = 1 A.A. 2008/09 Energie Alternative 17 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

18 Turbine a portanza In questo caso le pareti sono dei profili aerodinamici disposti in un piano orizzontale e liberi di ruotare intorno ad un asse verticale. Queste tipologie di turbine vengono analizzate con le stesse teorie aerodinamiche utilizzate per l analisi delle turbine ad asse orizzontale. Lo studio di queste turbine risulta tuttavia molto più complesso a causa del fatto che durante la rotazione nel piano orizzontale la disposizione dei profili alari rispetto al vento cambia ciclicamente e di conseguenza cambia periodicamente l incidenza α della pala rispetto alla direzione della velocità relativa W. A.A. 2008/09 Energie Alternative 18 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

Lo studio di queste turbine risulta tuttavia molto più complesso a causa del fatto che durante la rotazione nel piano orizzontale la disposizione dei profili alari rispetto

19 Turbine a portanza - Darrieus Nel caso delle turbine ad asse verticale il disco spazzato dall elica è sostituito dalla superficie di discontinuità energetica che ha la forma data dall ingombro frontale della turbina durante la rotazione. Le turbine ad asse verticale a portanza per eccellenza sono le turbine Darrieus nelle diverse forme: Il problema più serio di queste turbine è quello dell avviamento, in quanto la coppia ottenibile allo spunto è praticamente nulla indipendentemente dall intensità del vento e la turbina non è in grado di autoavviarsi. A.A. 2008/09 Energie Alternative 19 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

Le turbine ad asse verticale a portanza per eccellenza sono le turbine Darrieus nelle diverse forme: Il problema più serio di queste turbine è quello dell

20 Darrieus studi CFD presso il DIMeG Nell ambito delle attività di ricerca sulle turbine eoliche presso il DIMeG si è stabilito di affrontare l analisi numerica del comportamento fluidodinamico delle turbine ad asse verticale per la produzione di energia elettrica distribuita. La difficoltà di svolgere attività sperimentali in campo aperto ha portato il gruppo di ricerca allo sviluppo di una galleria del vento a circuito chiuso caratterizzata da una sezione di prova di 1m x 1m nella quale la velocità del flusso può giungere fino a 40 m/s. Tuttavia, per lavorare con prototipi di turbina tali da erogare potenze significative, è necessario che il rapporto tra la sezione spazzata dal rotore e la sezione della galleria del vento superi di molto il rapporto ideale (1/20) per ottenere risultati analoghi a quelli ottenibili in campo aperto. L obiettivo dell analisi basata sulla CFD è quello di studiare il comportamento di turbine eoliche di grandi dimensioni rispetto a quelle della sezione di prova della galleria del vento chiusa. In queste condizioni verrà verificato il modello. Successivamente si potrà simulare il comportamento della stessa turbina in sezioni virtuali sempre più grandi fino al caso estremo di turbine in campo aperto. A.A. 2008/09 Energie Alternative 20 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

La difficoltà di svolgere attività sperimentali in campo aperto ha portato il gruppo di ricerca allo sviluppo di una galleria del vento a circuito chiuso caratterizzata da una sezione di prova di 1m

21 ROTORE DARRIEUS Profilo NACA0015 N = 3 Numero pale R = [ m] Raggio c = 60 [ mm] Corda σ = N c R = Solidità b = 1 [ m] Larghezza galleria del vento A.A. 2008/09 Energie Alternative 21 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

22 ROTORE DARRIEUS Rappresentazione delle forze agenti sulle pale nelle varie posizioni angolari Andamento ideale dell angolo di attacco al variare della posizione angolare del profilo 1 cos( θ ) α = tan λ sin ( θ ) Espressione valida se il fattore di interferenza fosse nullo A.A. 2008/09 Energie Alternative 22 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

23 GRIGLIA DI CALCOLO La griglia di calcolo 2D considera un area che parte da 4 diametri a monte e termina 6 diametri a valle Il dominio di calcolo si divide in due regioni: Una zona interna circolare solidale alla turbina Una zona esterna fissa A.A. 2008/09 Energie Alternative 23 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

24 DETTAGLI GRIGLIA A.A. 2008/09 Energie Alternative 24 Prof.B.Fortunato

25 PRESTAZIONI Limite di Betz C P 16 = = Curve caratteristiche Questo andamento anomalo del C p (> del limite di Betz) non deve stupire perché in questo caso la turbina inserita all interno della galleria del vento riceve energia non solo sotto forma di energia cinetica ma anche a seguito della differenza di pressione tra monte e valle. efficienza P η = 0 0 pin pout Q A.A. 2008/09 Energie Alternative 25 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

26 PRESTAZIONI Andamento del coefficiente di coppia per una singola pala A.A. 2008/09 Energie Alternative 26 Prof.B.Fortunato

27 PRESTAZIONI Andamento del coefficiente di coppia per l intera turbina A.A. 2008/09 Energie Alternative 27 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

28 VORTICITA A.A. 2008/09 Energie Alternative 28 Prof.B.Fortunato

29 VELOCITA A.A. 2008/09 Energie Alternative 29 Prof.B.Fortunato

30 λ = 3.75 A.A. 2008/09 Energie Alternative 30 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

31 λ = 4.25 A.A. 2008/09 Energie Alternative 31 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

32 λ = 4.25 A.A. 2008/09 Energie Alternative 32 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

33 λ = 4.25 A.A. 2008/09 Energie Alternative 33 Prof.B.Fortunato fortunato@poliba.it

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