ROMA Presentazione 28 Novembre Hokusai

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1 ROMA Presentazione 28 Novembre 2007 Hokusai

2 IL MARE : FONTE DI ENERGIA RINNOVABILE Il mare è una fonte inesauribile di energia. La difficoltà sta nel carpirla. Energia dalle onde Energia dalle correnti

3 ENERGIA DALLE CORRENTI La corrente marina è molto simile al vento per cui ci sono molte analogie tra gli impianti eolici e quelli marini In entrambi i casi la potenza teorica posseduta dal flusso che investe il rotore = ½ ρ S V 3 Dove: ρ è la densità dell acqua o aria (quella dell acqua è quasi mille volte maggiore di quella dell aria) S è la superficie di intersezione tra rotore e corrente V è la velocità della corrente che investe il rotore

4 ENERGIA DALLE CORRENTI Oltre che essere, a differenza del vento, perfettamente prevedibile, la corrente marina ha ancora il vantaggio di contenere lo spazio occupato dall impianto impianto. perfettamente prevedibile!! Infatti, grazie alla differenza di densità tra i due fluidi, a parità di potenza prodotta la superficie intercetta dall impianto è molto minore nel caso della corrente, dato che la potenza è data da ½ ρ S V 3

5 ENERGIA DALLE CORRENTI Con 1 metro quadrato di area intercettata in una corrente di acqua di 3 metri al secondo si possono produrre circa 3.3 kw (con η = 0.25) Una corrente di aria che intercetta 1 metro quadrato di area, per produrre gli stessi 3.3 kw, deve viaggiare a 28 m/s 1 metro

6 Turbina Kobold ad asse verticale

7 Turbina Kobold ad asse verticale La potenza estraibile è data dalla citata formula ½ ρ S V Nel nostro caso, per una velocità di corrente di 2 m/s : ρ=1000 Kg/m 3 S=30 m 2 V 3 = 8 Pteorica = ½ * 1000 * 30 * 8 = W = 120 kw D = 6000 Assumendo un rendimento del sistema pari al 25%, la potenza elettrica che esso potrà fornire sarà di 30 kw

8 SCHEMA DELLA TURBINA KOBOLD CALETTAMENTO VARIABILE IN MODO AUTOMATICO c α inf = -10 t Percorso di Rotazione della turbina α sup = 90 c c α inf = -10 t α sup = 15 Percorso di Rotazione della turbina c

9 CORRENTE

10 PROVE NELLA GALLERIA DEL VENTO Modello con 3 pale Modello con 6 pale Configurazioni provate: pale Diametro 2.10 m Profilo Pale NACA 0018 Altezza Pale 0.80 m Corda Pale 0.17 m

11 PROVE NELLA GALLERIA DEL VENTO Sistema per ottimizzare gli angoli di oscillazione delle pale

12 ANGOLO DI OSCILLAZIONE DELLE PALE La turbina era in grado di partire da sola, ma non era in grado di accelerare. (dopo l avvio, la potenza diventa negativa sui 50 giri) 200 P [Watt] Kobold - Original (0-90 ) - disks V=8.5 2 Blades 3 Blades 4 Blades 6 Blades Comunque l optimum si raggiungeva con la versione a tre pale: la quarta pala non solo non aggiunge potenza ma rappresenta una complicazione ω [rpm]

13 OTTIMIZZAZIONE DELL ANGOLO DI ARTICOLAZIONE DELLE PALE (configurazione con tre pale) 240 Kobold - 3 blades V=8.5 m/s 200 P [Watt] 160 fixed 90 Kobold original (0-90 ) Kobold original (0-95 ) Kobold optimized (80-90 ) - Capacità di auto-avvio Potenza massima vmaggiore 80 - Capacità di accelerare Aautonomamente ω [rpm]

14 CARBON FIBRE LAYERS FOAM STAINLESS STEEL SPARS

15 IN CANTIERE L impianto completo di turbina e boa

16 Analisi strutturale della pala ANALISI STRUTTURALE DELLA PALA

17 La piattaforma è posizionata a 150 m dalla riva su un fondale variabile da 18 a 35 metri. L ancoraggio è costituito da quattro linee di ormeggio disposte a 90. Questo impianto pilota è stato utile per dimostrare sul campo le caratteristiche di basso impatto ambientale e le prestazioni del sistema e delle sue componenti. Nel sito le velocità previste per le correnti sono comprese tra 1.5 e 2 m/s (3-4 nodi). La corrente di marea ha un periodo di inversione di 6 ore. Ganzirri

18 Ogni linea di ormeggio è composta da un blocco di cemento, da una lunghezza di catena e da un cavo tessile collegato a un golfare della piattaforma. Cavo in PLP Ø 80 mm (lunghezza variabile) PLP rope φ 80 mm (variable length) Catena Ø 70 mm, lunghezza 27 m chain φ 70 mm, length 27 m each Blocco mooring block di cemento - 35 t concrete da 35 t

19 Previsione delle Prestazioni La prima indagine viene normalmente eseguita al computer servendosi di un modello matematico Naturalmente molte assunzioni sono arbitrarie e i risultati possono essere imperfetti o addirittura illusori Una modellazione semplificata del fenomeno può essere valida solo entro stretti limiti di operazione. La cosiddetta teoria del tubo di flusso è utile per un analisi preliminare ed è spesso molto vicina alla realtà, ma i risultati non possono essere estrapolati fino a poter prevedere prestazioni con alti valori di solidità (σ)) o TSR (λ)(

20 Il fattore di solidità σ = nc/2r viene definito come rapporto tra superficie totale delle pale (n = numero delle pale e c = corda) rispetto alla superficie di fluido intercettata dal sistema TSR (tip( speed ratio) è il rapporto λ = RΩ/ R / V tra la velocità periferica della pala e la velocità del flusso indisturbato della corrente

21 V=3.0 m/s V=2.5 m/s V=2.0 m/s V=1.5 m/s V=1.0 m/s V=0.5 m/s Power (Kw) rpm Le potenze sono state previste al computer per velocità della corrente varianti da 0.5 m/s a 3.0 m/s e per numero di giri fino a 45 al minuto

22 V=3.0 m/s V=2.5 m/s V=2.0 m/s V=1.5 m/s V=1.0 m/s V=0.5 m/s Power (Kw) rpm I risultati forniti dal computer furono verificati per velocità varianti in un intervallo compreso tra i diagrammi verde e rosso.

23 V = 1,25 m/s V = 1,37 m/s V = 1,48 m/s V = 1,60 m/s V = 1,80 m/s Potenza kw giri/min Rilievi eseguiti sul campo hanno dimostrato la validità del modello assunto, ma ciò è vero soltanto nell intervallo di potenze in cui i dati sono stati raccolti.

24 Non possiamo assicurare che in una corrente diciamo di 3 m/s il diagramma sia ancora valido. Le uniche prestazioni di cui possiamo essere certi sono quelle misurate per velocità della corrente tra 1,25 e 1,80 m/s. E comunque ragionevole assumere che la potenza aumenti con il cubo della velocità, come è comunemente accettato. Pertanto le prestazioni possono essere previste estrapolando i risultati sperimentali con la opportuna prudenza.

25 RENDIMENTO Il rendimento può essere definito come rapporto tra la potenza fornita dal sistema e quella disponibile nella corrente. Nel seguito intendiamo come potenza fornita dal sistema, quella misurata sull asse della turbina e come potenza disponibile nella corrente, il contento energetico del flusso attraversante l area intercettata dalla turbina, come mostrato prima.

26 La potenza P fornita dalla turbina può essere calcolata moltiplicando il momento torcente Mt sull asse (misurato con un semplice torsiometro) per la velocità angolare Ω. Il contenuto energetico della corrente vale ½ ρ S V 3 Pertanto il rendimento è dato da: Cp = Mt x Ω ½ ρ S V 3

27 Il rendimento Cp della turbina è pertanto il rapporto tra potenza all asse e contenuto energetico del flusso. Sono stati misurati valori di Cp a differenti velocità della corrente. I risultati sono riportati in figura. Per una rappresentazione adimensionale, il diagramma è stato espresso assumendo λ come ascisse. Cp Cp all albero all' albero motore m della turbina 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 Lambda = R Ω / V lam bda

28 IMPIANTO ELETTRICO Riduttore epicicloidale Rapporto 1/160 Generatore elettrico sincrono trifase Marelli 55 kw

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30 CONNESSIONE ALLA RETE DI TERRA N W E S

31 Successivamente, sul tetto della piattaforma è stato impiantato un sistema fotovoltaico consistente in tre segmenti monofase aventi una potenza nominale di 2,2 kw ognuno. Ogni segmento è connesso al suo inverter. Abbiamo quindi due sistemi di generazione: quello mosso dalla corrente di marea e quello fotovoltaico. I conduttori di fase sono colorati in verde, blu e rosso, il neutro in nero

32 Collegamento alla rete ENEL dei due sistemi di conversione

33 Sono previsti tre impianti pilota, finanziati dall UNIDO (United Nations Industrial Development Organisation) in Cina, in Indonesia e nelle Filippine

34 Il valore desiderato di velocità angolare viene impostato manualmente. Il regolatore provvederà a regolare il momento torcente del generatore in modo da mantenere i giri della turbina costanti. Variando il valore della velocità angolare e misurando nello stesso tempo la potenza, sarà possibile eseguire sperimentalmente la mappatura delle caratteristiche della turbina, usando in parallelo un Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) per completare l informazione.

35 V = 1,25 m/s V = 1,37 m/s V = 1,48 m/s V = 1,60 m/s V = 1,80 m/s 24 Shaft Power (kw) Ω (rpm)

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