Energia Eolica Parte settima Componenti delle HAWT

Energia Eolica Parte settima Componenti delle HAWT Corso di ENERGETICA A.A. 2012/2013 Docente: Prof. Renato Ricci

Esempi di HAWT Northwind 100 nel parco eolico Giulo 1 e 2 Turbina minieolica moderna sviluppata dalla NASA e US Department of Energy Pag. 2

Esempi di HAWT Minieolico da 100 kw: Northwind 100 (diametro 20 m) Rotore tripala upwind con mozzo rigido e controllo a stallo. Generatore sincrono direct drive a magneti permanenti Convertitore di potenza completo, basato su IGBT, che permette il funzionamento a velocià variabile Doppio freno meccanico più freno elettromagnetico Sistema del moto di imbardata con smorzatore ad attrito Torre del tipo monopalo di acciaio Pag. 3

Esempi di HAWT Vestas V90 3 MW (diametro del rotore 90 m) Rotore tripala upwind con mozzo rigido e controllo a pitch variabile Moltiplicatore di giri tra rotore eolico e generatore a doppia alimentazione (1:104) Trasformatore a bordo navicella Pag. 4

Esempi di HAWT Enercon E66 1,5 MW Rotore tripala upwind con mozzo rigido e controllo a pitch variabile Generatore direct drive Pag. 5

Esempi di HAWT GE 4 MW Pag. 6

Componenti delle HAWT Parti principali delle HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine)

Componenti delle HAWT Gruppi di componenti principali Rotore Pale Mozzo Superfici di controllo aerodinamico Treno di trasmissione Moltiplicatore di giri Generatore Freno meccanico Alberi e giunti Struttura Principale Navicella Torre Fondazione Sistema di Imbardata Cuscinetto di imbardata Motore di imbardata Freno di imbardata Smorzatore di imbardata Largo uso di elementi meccanici Pag. 8

Elementi meccanici Alberi e giunti Gli alberi hanno la funzione primaria di trasmettere la coppia e così sono collegati a cambi, pulegge o giunti. Nelle HAWT si trovano in particolare nelle scatole del cambio e nei generatori. Sono sottoposti a carichi combinati di torsione e flessione variabili (carico a fatica) Vanno evitate le velocità (rpm) che corrispondono alle frequenze di risonanza degli alberi Materiali: dal semplice acciaio al carbonio laminato a caldo agli acciai legati nelle condizioni più severe. I giunti servono a collegare due alberi per realizzare la trasmissione di coppia. Un tipico uso nell'eolico è nella connessione tra il generatore e l'albero ad alta velocità del cambio. Trasmissione di coppia mediante linguetta Giunti elastici: usano dei denti di gomma che consentono allineamenti non perfetti e assorbimento di coppie impulsive Pag. 9

Elementi meccanici Ingranaggi e cuscinetti I cuscinetti servono a ridurre l'attrito tra corpi solidi in scorrimento relativo, tipicamente in rotazione. Nelle turbine eoliche ci sono cuscinetti ad esempio nel supporto dell'albero principale, nel moltiplicatore di giri, nel generatore, nei sistemi di imbardata, nei sistemi del pitch delle pale e nel meccanismo di teetering. Gli ingranaggi sono usati per trasmettere coppia tra alberi a diversa velocità. Nelle turbine eoliche la loro applicazione principale è nel treno di trasmissione. Altri esempi sono la trasmissione di imbardata, i collegamenti del pitch. La tipologia più diffusa è quella degli ingranaggi a denti diritti in acciaio Pag. 10

Elementi meccanici Smorzatori Per ridurre gli effetti negativi legati ai carichi dinamici sulle turbine eoliche si possono usare gli smorzatori. Ci sono 3 tipologie di smorzatori usati nelle turbine eoliche: 1. Giunti idraulici 2. Circuiti idraulici di pompaggio 3. Ammortizzatori lineari a fluido viscoso I giunti idraulici sono talvolta usati tra il cambio e il generatore per ridurre le fluttuazioni di coppia. Si usano talvolta con i generatori sincroni, che sono intrinsecamente rigidi. I circuiti idraulici di pompaggio consistono in una pompa idraulica e un circuito idraulico chiuso con una valvola a sezione di passaggio controllabile. Tali circuiti possono essere usati per smorzare il moto di imbardata. Gli ammortizzatori lineari a fluido viscoso sono cilindri idraulici con all interno fessure di passaggio del fluido. Possono essere usati per smorzare il teetering delle turbine bipala o monopala Pag. 11

Rotore I rotori eolici sono quasi unici in quanto sottoposti a carichi stazionari, periodici e stocastici. Questi carichi variabili agiscono su un numero molto elevato di cicli, tale da dover considerare attentamente le sollecitazioni a fatica di questa struttura Lepale sono i componenti fondamentali del rotore. Esse convertono la forza del vento nella coppia necessaria a generare potenza utile. I maggiori criteri di progetto sono legati a: Efficienza aerodinamica Resistenza strutturale Lo scopo fondamentale è quello di minimizzare il costo dell'energia prodotta nella vita della macchina (costo della turbina, costo di esercizio e della manutenzione, a fronte dell energia elettrica erogata) Altri aspetti del progetto: Materiali delle pale Riciclabilità Costruzione della pala Salute e sicurezza degli operatori Riduzione del rumore Monitoraggio delle condizioni delle pale Fissaggio delle pale al mozzo Controllo passivo o attivo La forma della pala non è esattamente quella ottimale dal punto di vista aerodinamico. Essa è influenzata anche da esigenze strutturali e di costo. Per semplicità costruttiva si adottano pale di forma trapezoidale Pag. 12

Rotore a = Stima della distribuzione di corda ottimale Si consideri, come nella teoria del momento angolare, una corona di tubo di flusso infinitesima di un certo raggio r. Si trascuri in prima approssimazione la velocità tangenziale del flusso (a =0), e siano valide le ipotesi della teoria di Betz. Il C p massimo in queste condizioni è 16/27 in ogni punto del disco rotorico, perciò anche al raggio r. La potenza massima è estratta in condizioni di progetto dalle N pale del rotore reale. Per quanto riguarda le porzioni di pala comprese nella corona circolare infinitesima avremo il seguente bilancio: 16 1 3 δ S ωr = δ PBetz N ( dlsinϕ dd cosϕ ) ωr = ρu 2π rdr 27 2 In condizioni operative normali (lontano dallo stallo) la portanza L è la forza aerodinamica dominante, quindi trascuriamo la resistenza D. 1 3 2 Vrel = U + r 3 U sinϕ = 2 ( 1 a) V rel ( ω ) 2 1 2 16 1 3 NCL c ρvrel sinϕ ωrdr = ρu 2π rdr 2 27 2 2 2 3 ( ) 1 2 2 16 1 NCL c U + ωr U ω = U 2π 2 3 3 27 2 NC L c 4 ( ) 2 16π + λr λ = R 9 9 Pag. 13

Rotore λ N pale Si trova quindi la distribuzione di corda ideale c( r ) = R NC L 16π 9 ( λr ) 2 λ + L andamento ideale della corda è quasi iperbolico e dipende dal numero di pale e dal tip speed ratio λ. Introducendo la solidità σ e ipotizzando C L costante (ottimale), si ottiene: R N cdr = f ( ) = π R 0 σ σ λ 2 4 9 16 9C Dove f(λ) è una funzione crescente (vedi sotto). Per un rotore ottimale la solidità decresce con il tip speed ratio. La larghezza delle pale risulta da un compromesso tra leggerezza e rigidezza. Tale compromesso suggerisce turbine monopala adatte ad alte velocità di rotazione e multipala migliori alle basse velocità (vedi fig.). f ( λ ) 2 λ = 3 9 2 ln λ + 1+ λ 2 4 L Pag. 14

Rotore Aspetti aerodinamici: Potenza nominale e velocità del vento nominale: sono collegate al diametro del rotore Tip SpeedRatiodi progetto: legato alla solidità (un TSR troppo basso porterebbe a delle pale più robuste e costose, un TSR alto a delle pale troppo flessibili, perciò a rischio di vibrazioni e urto con la torre) Profili alari: al crescere del TSR devono aumentare le prestazioni (CL/CD). La scelta dei profili dipende dal tipo di regolazione: le turbine a stallo hanno bisogno di profili con uno stallo graduale. Numero di pale: minore possibile, per questioni di costo delle pale e di rigidezza delle stesse Controllo di potenza del rotore (stallo o pitch variabile) Orientazione del rotore (upwind o downwind): il downwind soffre del problema della scia della torre ma, specie se le pale hanno un angolo di cono, favorisce l auto-allineamento nell imbardata libera. Pag. 15

Rotore Controllo ottimale Al di sotto della velocità del vento nominale, e quindi della potenza nominale di una turbina, è opportuno ottimizzare il C p in ogni condizione di vento. Questo si fa controllando il passo delle pale (pitch) o la velocità del rotore in modo da avvicinare gli angoli di attacco lungo le pale ai valori ottimali. Nel modello raffigurato viene trascurata per semplicità la rotazione del flusso, quindi a. Supponiamo di essere in una situazione di TSR ottimale (il C p è massimo e i triangoli di velocità sono ottimali). r V r ωr 2 3 U Pag. 16

Rotore Se cambia la velocità del vento U, a parità di rotazione ω, varia l angolo del flusso relativo alle sezioni della pala. Ciò peggiora le prestazioni del rotore, d altra parte il TSR si sta allontanando dal valore ottimo. r ωr 2 3 U Vento 3 volte più intenso Pag. 17

Rotore Controllo mediante variazione del pitch: le rotazioni rigide (qui 19 ) riescono a ripristinare parzialmente le direzioni di flusso sui profili: è tuttavia geometricamente impossibile il perfetto allineamento lungo l intera pala r ωr 2 3 U Pag. 18

Rotore r ωr 2 3 U Controllo mediante variazione della velocità di rotazione: regolandola in modo proporzionale alla velocità del vento si riesce ad allineare il flusso accuratamente. Ciò è possibile - solo al di sotto della ω nominale controllando opportunamente il generatore elettrico. Pag. 19

Rotore Struttura interna delle pale La resistenza delle pale deve assicurare la loro durata sia in casi di carichi estremi che di carichi a fatica. Inoltre non devono essere superate delle deflessioni massime sotto carico. In figura si vede la sezione trasversale di una tipica pala. All'interno dello strato superficiale che conferisce la forma aerodinamica alla sezione, c'è un longherone che dà la resistenza e la rigidezza volute, oltre che trasmettere i carichi delle pale al mozzo. Vicino al mozzo, per ragioni strutturali e di trasportabilità, si usano comunemente profili 'flatback' molto spessi, con il bordo di uscita tagliato. Il longherone tipicamente in materiale composito (fibra di vetro, carbonio etc.) determina la geometria delle masse della pala vista come trave. A partire da queste caratteristiche strutturali è possibile fare analisi armoniche per prevedere: Deflessioni massime Frequenze di vibrazione naturali Pag. 20

Rotore Fissaggio delle pale al mozzo La connessione delle pale al mozzo è complicata dalla differenza di materiale delle parti in gioco e dalla variabilità dei carichi. Una soluzione diffusa è la giunzione di Hütter: dei trefoli di fibra di vetro sono fatti passare attorno a dei perni o dei bulloni fissati alla flangia metallica di base. Le fibre poi tornano nella pala e sono tenute in posizione dalla matrice di resina. Una variante usa delle boccole inserite direttamente nelle pale. Con il pitchvariabile la connessione al mozzo include dei cuscinetti capaci di resistere ai carichi del vento e a quelli centrifughi. Pag. 21

Rotore Superfici di controllo aerodinamico Freni aerodinamici nelle macchine a stallo (freni di estremità, flap o spoiler) Nelle turbine regolate con pitch variabile talvolta si fa ruotare solo la parte esterna delle pale, sacrificando parte della controllabilità a favore di meccanismi di pitch più leggeri Alettoni: sono flap posti al bordo di uscita larghi approssimativamente 1/4 di corda I freni aerodinamici sono di solito attuati tramite elettromagneti. Gli alettoni e il pitch sono attuati con motori elettrici o sistemi idraulici Brake flaps Pag. 22

Dal controllo passivo alle pale intelligenti Rotore Controllo passivo: Accoppiamento pitch-twist: la spinta aerodinamica sul rotore crea un momento attorno all asse longitudinale delle pale che aziona automaticamente l angolo di pitch. La pala deve avere un asimmetria analoga a quella in figura. Il tutto dovrà essere bilanciato da molle Sistemi centrifughi (masse e molle) che al crescere della rotazione conducono le pale verso la riduzione degli angoli di attacco. Nel caso in fig. è essenziale l inclinazione delle pale rispetto al piano rotorico (angolo di cono) aste rigide pitch-twist = raggio baricentro 2 2 2 m L energia potenziale centrifuga è minima al massimo Δr (distanza radiale tra ciascuna delle 2 masse ed il loro baricentro) Pale intelligenti (smart blades): Controllo aerodinamico tramite attuatori intelligenti integrati. Flap, micro-superfici, aspirazione o soffiamento dello strato limite, piezoelettrici, materiali a memoria di forma r m Ecentr = ω r + r Pag. 23

Rotore ( ( r0 r ')) 2 ( r ') ( r ') ω ω + + ω ω + ω ω A A A R R R Moto di imbardata uniforme Accelerazione del centro di massa di una pala Accelerazione centripeta di imbardata Accelerazione di Coriolis Accelerazione centripeta rotorica Flette le pale lontano dalla torre (in proporzione a r 0 ) e nel piano del rotore. Se N<3 (monopala e bipala) perturba la rotazione della turbina. Il suo effetto è in genere secondario per le basse velocità di imbardata E responsabile del momento di precessione, che per N<3 oscilla durante l imbardata (effetto mitigato dal mozzo del tipo teetering). Se N<3 produce momento imbardante variabile: i bipala imbardano a scatti Dà la classica forza centrifuga nel piano del rotore senza effetti sul moto di imbardata (almeno per rotori equilibrati) Caso con numero di pale N = 2 Pag. 24

I vari concetti di mozzo Il mozzo ha la funzione di collegamento delle pale al treno di trasmissione. Sono normalmente in acciaio. Tipologie: rigido, a pale incernierate o oscillante Rotore 1. Mozzo rigido: è un pezzo saldato o fuso. Si collega all albero tramite linguette e bulloni. Nelle macchine più grandi si ha maggiore affidabilità strutturale con il disco di Shrink (Ringfeder) che sfrutta superfici coniche per l accoppiamento. In alternativa si può prevedere una flangia integrata nell albero. Shrink Pag. 25

Rotore I vari concetti di mozzo 2. Mozzo oscillante (teetering): è usato su quasi tutte le turbine bipala. Le pale possono ruotare in modo solidale attorno ad un asse trasversale e ortogonale all asse di rotazione dell albero. Riduzione dei carichi dinamici legati alla variabilità spaziale del vento e alla rotazione di imbardata Ammortizzatori e fine corsa cedevoli Cuscinetti reggispinta (coppia e peso del rotore) in composito Variazione del pitch possibile ma più complessa 3. Mozzo per pale incernierate Richiedono una forza centrifuga sufficiente per l allineamento delle pale nel piano di rotazione Necessarie molle e ammortizzatori Pag. 26

Meccanismi del pitch Rotore Il controllo del passo (pitch) delle HAWT è un modo efficace di regolarne/limitarne le performance ad alte U (tempeste etc.) e di variare la potenza P in condizioni di vento non nominali. In alcuni modelli la rotazione è limitata alla sola estremità delle pale. La regolazione avviene in base ai segnali ω e P. Tipo di attuazione: 1. Masse rotanti: dimensionamento critico Molle di richiamo Attuazione individuale per pala: possibile sbilanciamento dinamico 2. Sistemi idraulici Diffusi nelle macchine medie e piccole Tenute rotanti alti costi costruttivi. Fanno eccezione le soluzioni con sistemi idraulici rotanti Le pompe idrauliche solo nel range 10-100 kw sono mosse dall albero principale Molle in configurazione fail-safe (in caso di perdita di pressione il rotore a bandiera automaticamente) Pag. 27

Rotore Meccanismi del pitch 3. Sistemi elettrici Si usano dai 200 kw in su, soprattutto per macchine della classe dei megawatt Uso di servomotori asincroni con inverter Possibile sistema idraulico ausiliario per le procedure di posizionamento veloce in casi di emergenza. Soluzione a 3 motori (uno per ciascuna pala) con contatti striscianti per l alimentazione Sistema di misura dell angolo di pitch per avere sincronismo angolare tra le pale Soluzione VENSYS 1.2 MW con un solo servomotore a telaio di navicella, che normalmente ruota sincrono col rotore principale: un sistema di cinghie e pulegge trasmette alla rotazione del pitch lo scorrimento angolare tra i 2 alberi (ω servo - ω rotore ). In situazione di emergenza, attuando un freno failsafe sull albero del servomotore, il rotore va automaticamente in configurazione di sicurezza (a bandiera). Pag. 28

Treno di trasmissione L albero principale è quello a bassa veocità collegato al rotore. Insieme ai relativi cuscinetti deve sopportare i carichi combinati di coppia e flessione dovuta al rotore. La velocità angolare delle turbine eoliche è assai minore di quella richiesta dalla maggior parte dei generatori elettrici collegati alla rete (1500 rpm con i 50 Hz in Europa) Per questo si utilizza nella gran parte delle HAWT un moltiplicatore di giri che accelera la rotazione fornendo al generatore un albero ad alta velocità. Recentemente, con lo sviluppo di convertitori elettronici di potenza sempre più efficienti, si sta sempre più affermando il concetto direct-drive che, escludendo il moltiplicatore di giri, può ridurre anche di un ordine di grandezza il numero di parti rotanti della trasmissione. Pag. 29

Moltiplicatore di giri Trasmette il moto tra alberi a diversa velocità Può integrare i cuscinetti di supporto dell albero principale E tra gli organi più pesanti e costosi delle HAWT Esiste un limite del rapporto di un singolo stadio (circa 6:1) si usano i multistadio Lubrificazione, con eventuali raffreddamento e filtraggio. Preriscaldamento dell olio nei climi freddi. Rumore: da limitare con la scelta degli ingranaggi e dei materiali Tipologie: 1. Ingranaggi: diritti o elicoidali 2. Planetario: coassiali, più leggeri ma più costosi Treno planetario Treno di trasmissione Pag. 30

Sistemi frenanti Treno di trasmissione Sistemi: 1. Freni di arresto: usati in esercizio per arrestare la turbina anche dalle condizioni più gravose. Danno una maggiore sicurezza e per questo sono favoriti dagli standard di progetto 2. Freni di stazionamento: sono dimensionati solo per mantenere fermo il rotore una volta arrestatosi. Sono più leggeri ma poco comuni, se non in alcuni sistemi con il pitch di tipo failsafe. Sono normalmente usati freni a disco con pinze idrauliche. Raramente si usa il freno elettromagnetico sconnettendo il generatore dalla rete e chiudendo i morsetti su un banco di resistori. Posizione su albero a bassa o alta velocità: generalmente si pone sull albero ad alta velocità che necessita di minore coppia frenante. Attuazione con pompa idraulica talora con serbatoio. Attuazione a mollatalvolta di tipo fail-safe (se il circuito del freno perde pressione la molla arresta la turbina) Parametri di progetto: Massima coppia frenante: si usa la massima coppia aerodinamica statica (rotore fermo) Tempo di frenata: tempi troppo brevi danno impulsi di coppia eccessivi, mentre tempi lunghi rischiano di surriscaldare il disco freno Pag. 31

Sistema di imbardata Necessità energetica di inseguire la direzione orizzontale del vento, attraverso una rotazione attorno all asse verticale (imbardata) In rari casi si usa l imbardata per regolare la potenza prodotta Il moto di imbardata deve essere abbastanza lento da contenere i momenti giroscopici (sono presenti anche nei tripala, benché costanti) Si deve prevedere un cuscinetto reggispinta per sostenere il rotore e trasmettere le forze aerodinamiche alla torre Tipologie: 1. Imbardata libera: tipicamente per i rotori downwind, o nel microeolico con stabilizzatore posteriore. Le superfici aerodinamiche devono avere la proprietà di auto-allineamento. Spesso è integrato uno smorzatore di imbardata, specie se l inerzia del rotore è bassa. Pag. 32

Sistema di imbardata 2. Imbardata attiva: Si spende energia per orientare il rotore attraverso uno o più servomotori elettrici che tramite un pignone mettono in moto una grande ruota dentata (interna o esterna). Storicamente dei modelli di HAWT avevano un rotore ausiliario per azionare il meccanismo di imbardata al posto del motore elettrico, mediante una vite senza fine. Il gioco tra i denti dell ingranaggio impedisce di bloccare il moto completamente: ciò può causare una rapida usura dei denti. Si è ovviato a ciò aggiungendo un freno di imbardata (stazionamento) Il controllo avviene monitorando la direzione con la banderuola di navicella. L azionamento è comandato quando l errore di imbardata è eccessivo per un certo periodo. Pag. 33

Sistema di imbardata Sistema di imbardata attivo idraulico Pag. 34

Struttura principale La navicella e la torre Il treno di trasmissione insieme ai dispositivi di controllo, gli organi ausiliari etc. sono contenuti nella navicella, che ha funzione strutturale (telaio) e di protezione dagli agenti atmosferici. Il materiale della copertura è solitamente fibra di vetro. La torre ha la funzione di elevare la quota del rotore. L altezza è maggiore del diametro rotorico e in genere >24 m per evitare la turbolenza e la bassa ventosità vicino al terreno. Tipologie: Torre tubolare: senza bulloni da ispezionare, scala interna, estetica Traliccio autoportante (usato fino agli 80) Traliccio strallato (solo per piccolissime taglie) La frequenza naturale di flessione della torre non deve coincidere con la frequenza di passaggio pala f p e la frequenza di rotore f r. Tipi di torre: Torre rigida f n > f p Torre morbida f r < f n < f p Torre morbidissima f n < f r (torre uniforme con massa puntiforme in estremità) Pag. 35

Struttura principale La fondazione e l installazione Carichi alla Pot. nominale Carichi a rotore fermo e vento massimo (50 anni) Peso Verifiche: Flessione Carico di punta Momento ribaltante al plinto di fondazione Installazione Le turbine più grandi vengono installate tramite gru Le taglie medio piccole possono essere erette con un verricello e una leva (gin pole), facendo perno con una cerniera alla base Le torri devono essere verificate ai carichi di installazione Pag. 36