Upload
fabio-di-rado
View
220
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
aerodinamica
Citation preview
Generazione eolica
CONVERSIONE AERODINAMICA
Ing. Claudio RossiDip. Ingegneria Elettrica
Via risorgimento, 2
40136 Bologna
Tel. 0512093564
21. Contenuto
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
2. Analisi aerodinamica della pala
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
31. Teoria unidimensionale e legge di Betz
Disco attuatore e tubo di flusso
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
41. Teoria unidimensionale e legge di Betz
Disco attuatore e tubo di flusso
Ipotesi semplificative:
1. /LQVLHPHGHOOHSDOHqDVVLPLODELOHDGXQGLVFRSRURVRGLVSHVVRUHQXOOR
2. Il disco sottrae energia cinetica al vento, UDOOHQWDQGRODPDVVDGDULDFKHORLQYHVWH
3. /DPDVVDGDULDFKHLQYHVWHLOGLVFRULPDQHseparata da quella che la circonda (tubo di flusso)
4. /DPDVVDGDULDIOXLVFHVRODPHQWHLQGLUH]LRQHlongitudinale
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
51. Teoria unidimensionale e legge di Betz
Principio di conversione - lungo il tubo di flusso
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
densit GHOODULD
COSTANTE
SRUWDWDGDULDLQRJQLVH]LRQH
COSTANTE
/DYHORFLWjGHOODPDVVDGDULD
DIMINUISCE
La sezione del tubo
AUMENTA
61. Teoria unidimensionale e legge di Betz
Principio di conversione 9(/2&,7$
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
/DXPHQWRGHOODVH]LRQHGHOWXERGLIOXVVRGHWHUPLQDXQDJUDGXDOH',0,18,=,21(GHOODYHORFLWjGHOODULD
lungo il tubo di flusso
71. Teoria unidimensionale e legge di Betz
Principio di conversione - PRESSIONE
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
in ingresso al tubo
PRESSIONE ATMOSFERICA
sul disco
PRESSIONE CALA BRUSCAMENTE
prima del disco
la diminuzione della velocit (senza la produzione di lavoro)
determina un
AUMENTO DI PRESSIONE
in uscita al tubo
PRESSIONE ATMOSFERICA
81. Teoria unidimensionale e legge di Betz
9(/2&,7$- PRESSIONE
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
91. Teoria unidimensionale e legge di Betz
Equazioni
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
Equazione di continuit
UGHQVLWjGHOODULDU=1.22 [kg/m2]
A,Ad, AW: sezioni del tubo di flusso [m2]
m: portata in massa [kg/s]
F: spinta assiale sul disco [N]
d d w wm A V A V A VU U Uf f
La variazione dellaquantit di moto traingresso e uscita
> @Kg m Ns s
WVVmF f
pari alla spinta assialeF sul disco
10
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
Equazioni
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
La spinta assiale pu essereespressa come variazione dipressione sulle facce del disco
a: fattore di interferenza.Rappresenta la riduzionedi velocit davanti al disco
(a: inflow factor)
dWR AppVVmF 21 f
aVAVVAppF dWdR ff 121 U
ddVAm U
)1( aVVd f
aVVVpp W ff 121 U
f
f V
VVa d
11
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
'DOOHTXD]LRQH di Bernoulli
2 2 11 1
2 2atm d d d d atmV gh p V gh p pU U U Uf f f f 2 22
1 1
2 2d d d d atm w w w w atmV gh p p V gh pU U U U
1222
1pVV d fU
2222
1pVV dW U
22212
1WVVpp fU
Equazioni
12
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
Uguagliando la differenza di pressione (p1-p2) calcolata dallaconservazione della quantit di moto e da Bernoulli:
aVVVVV WW fff 12
1 22 UU
Equazioni
aVVW 21 f
La riduzione della velocit GHOODULD avviene quindi:
per met davanti al disco
e per met dietro al disco aVVW 21 f)1( aVVd f
13
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
Calcolo della potenza estratta PR al vento dal disco
dRR VFP
Equazioni
La potenza estratta dipende:
dal cubo della velocit del vento
dal fattore di interferenza a (rallentamento del vento)
ddWR VaVAVVP ff 1U
23 12 aaVAP dR fU
14
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
Calcolo della potenza Pd disponibile dal vento
322
2
1
2
1
2
1ffffff VAVVAVmPdisp UU
Equazioni
Visto che non si conosce A, per convenzione ci si riferisce ad Ad
> @Ws
mN
s
m
s
kg
2
2
3
2
1f VAP dd U
15
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
Calcolo del coefficiente di potenza CP
Equazioni
3
23
2
1
12
f
f VA
aaVA
P
PC
d
d
d
RP
U
U 214 aaCP
0 da
dCP
Calcolo del massimo di CP
3
1 MAXPC
a
593.027
16 # MAXPC
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
C
P
fattore di interferenza a
Coefficiente di potenza CP
16
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
Coefficiente di potenza CP
Attenzione!
1. a>0.5 non ha senso fisico. Poich significherebbe aria convelocit negativa nella sezione GXVFLWD.
aVVW 21 f
Significato di CPMAX
1. La velocit GHOODULD in uscita dal tubo deve essere nonnulla altrimenti non vi trasporto di materia (effettomuro)
2. Solo per a=1/3 si massimizza OHVWUD]LRQH di potenza. Perquesto valore si ha che la velocit GXVFLWD vale
17
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Limite di Betz
59.0#MAXPC
33
121 ff
VVVV MAX
PMAXP C
WCW
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
C
P
fattore di interferenza a
Coefficiente di potenza CP
Significato di CPMAX
3. Il tubo di flusso si espande davanti al disco e quindi lasezione di vento utilizzato A alla velocit massima V inferiore a quella che raggiunge il disco Ad
18
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Limite di Betz
59.0#MAXPCvelocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
19
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forza di spinta assiale
2
2
2
1
12
f
f
f
VA
aaVA
VP
VP
F
FC
d
d
d
dR
d
RS
U
U
velocit
pressione
Wd
V
pW=p
Vd
p2
p1
VWp
Calcolo del coefficiente di spinta CS
FR: forza esercitata sul disco
Fd: forza disponibile nel vento
aaCS 140,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
C
P
fattore di interferenza a
Coefficiente di spinta CS
20
1. Teoria unidimensionale e legge di Betz
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Legge di Betz
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
C
P
,
C
S
fattore di interferenza a
Coefficienti di potenza CP e di spinta CS
CS
CP
21
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
)OXVVLGDULDDJHQWLVXOODSDODSulla pala agiscono due flussi GDULDche dipendono da:
1. vento
2. rotazione della pala
1. vento
/DULD entra nel tubo di flussosolo con una componenteassiale di velocit
Per effetto della rotazionedella pala si determina ancheuna componente di ventotangenziale
22
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
)OXVVLGDULDDJHQWLVXOODSDOD
axv2
tv2
:r
1. Componente di vento alla turbina
tax vvv 222
2v velocit risultante
axv2 componente assiale
tv2 componente tangenziale
2v
23
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
)OXVVLGDULDDJHQWLVXOODSDOD
rv
:r
2. Componente di rotazione
r: velocit di rotazione [rad/s]
r raggio della sezione [m]
rv rr u:
rv componente di rotazione [m/s]
24
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
)OXVVLGDULDDJHQWLVXOODSDOD
Componente risultante
Rv componente risultante [m/s]
rR vvv 2
axv2
:r
tv2
rv
Rv
2222 rvvv RtaxR :
25
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla palaEffetto risultante di un flusso GDULD su un profilo alare
FA: forza di sollevamento (PORTANZA, perpendicolare al vento relativo)
FW: forza di trascinamento (RESISTENZA, in direzione del vento relativo)
Rv
axial direction
tangential direction
chord
relative wind
TD G
WF
AF
GD
leading edge
26
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla pala
Definizione degli angoli
DD angolo di attacco o incidenza
GG angolo di costruzione
TT angolo di calettamento
Rv
axial direction
tangential direction
chord
relative wind
TD G
WF
AF
GD
leading edge
27
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla palaEffetto risultante di un flusso GDULD su un profilo alare
FW: forza di trascinamento (nella stessa direzione del vento relativo)
Rv
axial direction
tangential direction
chord
relative wind
TD G
WF
AF
GD
Si consideri un segmento di pala di spessore dr
dr)(cvt2
dF W2rBW D
U
tB spessore della pala
cW(DD) coefficiente di trascinamento (drag)
DD angolo tra la corda del profilo ed il ventorelativo al bordo GDWWDFFR
RESISTENZA: in un aereo la forza che si oppone al movimento GHOODOD in direzionecontraria DOOaria..
28
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla palaEffetto risultante di un flusso GDULD su un profilo alare
FA: forza di sollevamento (perpendicolare al vento relativo)
Rv
axial direction
chor
d
relative wind
TD G
WF
AF
GD
Si consideri un segmento di pala di spessore dr
drcvtdF ArBA )(2
2 DU
cW(DD) coefficiente di sollevamento (lift)
PORTANZA: in un aereo FA la forza che solleva Oala
Come in ogni altro profilo alare, maggiore la forza di sollevamento FA rispetto alla forza di trascinamento FW HPLJOLRUHqOHIILFLHQ]D(GHOODODE=cA/cW)
29
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla palaEffetto risultante di un flusso GDULD su un profilo alare
Rv
D
WF
AFD
Mentre la PORTANZA FA pu essere rivolta da una parte o dall'altra in funzione GHOODQJRORGLLQFLGHQ]DDD, la RESISTENZA FW ha sempre il verso di vR .
100xcWE
CA
CW
CA
stallomax. eff.
E
Es. PROFILO NACA 3
STALLO: condizione di funzionamento in cuiOHIILFLHQ]D del profilo alare si riduce di moltoed il comportamento aerodinamico diventainstabile.
MAX. EFF: condizione di funzionamento in cuiOHIILFLHQ]D E del profilo alare massima
30
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla pala
Moto laminare STALLO
31
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla palaSvergolamento (twist)
Rv
D
Al crescere del raggio r aumenta la velocit di trascinamento vr=r.
3HUPDQWHQHUHODQJRORGLLQFLGHQ]DFRVWDQWHOXQJRWXWWDODSDODQHOSXQWRGLefficienza massima) necessario che ODQJRORGG diminuisca al crescere di r.
axv2
rv
tv2
Rv
D
axv2
rv
tv2
1G 2G
sezione di pala al raggio r1 sezione di pala al raggio r2
r2>r1 GG1>GG2
32
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla palaEffetto utile Forza tangenziale
Ft La componente di forza utile ai fini della generazione dicoppia DOODOEHUR del rotore quella in direzionetangenziale alla velocit di rotazione della pala.
Rv
axial direction
tangential direction
chord
relative wind
G
WF
AF
tF
GGU cossin2
2
warBt ccvtdF
GG cossin WAt dFdFdF
G
33
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Forze agenti sulla palaForza assiale
Fax componente di forza in direzione assiale
Rv
axial direction
tangential direction
chord
relative wind
G
WF
AF
tF GGU sincos2
2
warBax ccvtdF
GG sincos WAax dFdFdF G ax
F
La forza assiale quella che sollecita il sostegno del rotore
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Coppia sul rotore
Integrando dFt su tutta la lunghezza della pala emoltiplicando per il numero delle pale si ha la coppiatrasmessa DOODOEHUR del rotore.
Il problema principale QHOOXWLOL]]R pratico di questeespressioni che occorre conoscere la velocit del vento v2in ogni sezione di turbina ed i coefficienti ca e cw.
34
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Tip Speed Ratio TSR, OO
OO: rapporto tra la velocit periferica delle pale evelocit del vento libero.
1v
vu O
uv velocit lineare della pala nella sua sezione pi estrema
1v velocit lineare del vento indisturbato a monte del generatore
outru rv :
Le caratteristiche aerodinamiche di una pala sono assegnate come legame TSR-CP
Per una data pala, il legame TSR-CP dipende GDOODQJRORGLcalettamento TT
35
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Tip Speed Ratio TSR, OO
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
OO
legame OO-CP (TT=1)
i4.1814.2
ip e2.13002.058.0
15173.0),(c
OTTO
TO
Esempio di legame OO - CP
1
003.0
02.0
1
1
3
i
TTO
O
36
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Tip Speed Ratio
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
O
legame O-CP (T=1)
Rv axv2
rvtv2
WF
AF axF
tF
Rvaxv2
rvtv2WF
AFaxF
tF
Rv
rvtv2 WF
AF axF
tF
axv2
7 O
3 O
5,10 O
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Tip Speed Ratio TSR, OO
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
OO
legame OO-CP (TT=1)
Considerazioni a TT costante
1. Esiste un unico valore di tip speed ratio OO per il quale OHIILFLHQ]DGLFRQYHUVLRQHqPDVVLPD&PMAX) che dipende dalla forma della pala.
2. Al variare della velocit del vento v1 occorre variare la velocit di rotazione delle pale per mantenere OO costante e pari al valore in cui si ha CPMAX
1v
vu O
outru rv : n:n rv1
38
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Tip Speed Ratio TSR, OO
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
OO
legame OO-CP (TT=1)
Considerazioni a TT costante
3. Per valori di OO bassi si ha una riduzione di portanza ed unaumento della resistenza fino al raggiungimento dellacondizione di STALLO (distacco dei filetti fluidi)
4. Per valori di OO alti si ha una riduzione di portanza e di resistenza,la componente tangenziale tende ad annullarsi, detta condizione di FUGA.
In altre parole, per OO elevati le pale ruotano tantovelocemente che costituiscono una parete solida rispetto alflusso del vento, che lo scavalca, per cui l'energia raccolta nulla.
39
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Tip Speed Ratio TSR, OO
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
OO
legame OO-CP (TT=1)
Il valore massimo di Cp, e la formacaratteristica della curva Cp(OO)dipendono dal tipo di turbina
40
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
TSR e coppia
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
OO
legame OO-CP (TT=1)
Coefficiente di coppia CT
41
r
P
r
Pd
r
RR
Cvm
CPPC
:
:
: f
2
2
1
mmdMAX rvmrFC f VH tutta la forza disponibile dal vento fosse trasformata in coppia sul raggio medio della turbina rm=rout/2
OP
P
routr
P
outMAX
RT
CC
r
vC
rvm
vm
C
CC
:
: f
f
f
2
2
1 2
I valori massimi di CT e il OO a cui si ottengono consentono diclassificare la turbina
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
TSR e coppia
Coefficiente di coppia CT
42
OP
T
CC
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
C
T
OO
legame OO-CP e OO-CT CP
Ct
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
TSR e coppia
43
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
C
T
OO
legame OO-CP e OO-CT CP
Ct
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
C
T
OO
legame OO-CP e OO-CT CP
Ct
turbina veloce OOPMAX=7 turbina lenta OOPMAX=3,5
Turbine veloci e lente possono estrarre la stessa potenza dalvento (stesso CP), ma sono soggette a coppie diverse(diverso CT)
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Numero di pale
44
Lo sfruttamento GHOOHQHUJLD sul disco attuatore dipendeanche dal numero di pale
2. Aerodinamica della pala
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
Numero di pale
45
In generale:
Maggiore il numero di palemaggiore il rendimento KK
OSSERVAZIONI
Le turbine OHQWH (basso OO), hanno efficienza KK elevata serealizzate con un elevato numero di pale
Nelle turbine YHORFL (alto OO), il numero di pale non incidefortemente sul rendimento
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.1 Regolazione della velocit di rotazione
46
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
rotor speed [pu]
o
u
t
p
u
t
p
o
w
e
r
[
p
u
]
5m/s6m/s7m/s8m/s9m/s10m/s11m/s12m/s
Velocit di rotazione [pu]
P
o
t
e
n
z
a
i
n
u
s
c
i
t
a
[
p
u
]
Punti di funzionamento a potenza massima
Velocit vento
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.1 Regolazione della velocit di rotazione
47
La regolazione di velocit indispensabile per massimizzareOHVWUD]LRQH di potenza per velocit di vento inferiori allanominale
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
rotor speed [pu]
o
u
t
p
u
t
p
o
w
e
r
[
p
u
]
5m/s6m/s7m/s8m/s9m/s10m/s11m/s12m/s
Velocit di rotazione [pu]
P
o
t
e
n
z
a
i
n
u
s
c
i
t
a
[
p
u
]
potenza massima
Velocit vento
velocit costante
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.1 Regolazione della velocit di rotazione
48
A velocit costante, si haestrazione di potenza ottimaleper una sola velocit di vento.Per velocit di vento inferiorisi pu avere anche unanotevole riduzione di potenza
ESEMPIO
In genere, la regolazione di velocit di rotazione nel range40%100% sufficiente a massimizzare OHVWUD]LRQH dipotenza per velocit di vento comprese tra 4m/s e 12m/s
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
rotor speed [pu]
o
u
t
p
u
t
p
o
w
e
r
[
p
u
]
5m/s6m/s7m/s8m/s9m/s10m/s11m/s12m/s
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
9DULD]LRQHGHOODQJRORGLFDOHWWDPHQWRTT pitch
49
Al variare GHOODQJROR di calettamento TT:
1. variano le curve OO-CP2. varia il CPMAX e OOPMAX
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
OO
legame OO-CP (TT=015)
0
1
2
5
10
15
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.2 Angolo di calettamento TT pitchVARIABILE
50
velocit di rotazione costante ::r=cost
+
DXPHQWRGHOODQJRORGLcalettamento TT
6LULGXFHODQJRORGDWWDFFRDD
Si riduce la PORTANZA FA.
corda
Rv axv2
rvtv2 WF
AF axF
tF
q q
10
10
DT
Rv axv2
rvtv2WF
AF axF
tFTT
tangenziale
D D
q q
5
20
DT
La forza tangenziale Ft e quindi la coppia restano costanti
Per velocit di vento maggiori della nominale
5HJROD]LRQHPITCH TO FEATHER
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.2 Angolo di calettamento T pitchVARIABILE
51
Per velocit di vento maggiori della nominale
5HJROD]LRQHPITCH TO FEATHER
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
P
R
[
p
u
]
vf [m/s]
: e T costanti
0
2
3
5
7
8
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.2 Angolo di calettamento TT pitchVARIABILE
52
OSSERVAZIONI
Consente un buon controllo del flusso aerodinamico (ifiletti fluidi non si staccano, si sempre lontani dallostallo)
Per ogni velocit di vento esiste un valore di pitch per ilquale la pala in grado di produrre la potenza nominalealla velocit nominale
Sono richieste ampie variazioni di pitch. Es TT=[025]
una tecnica molto utilizzata
Per velocit di vento maggiori della nominale:
5HJROD]LRQHPITCH TO FEATHER
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.2 Angolo di calettamento TT pitchVARIABILE
53
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C
P
OO
legame OO-CP (TT=015)
0
1
2
5
10
15
velocit di rotazione costante
+
controllo del pitch
Per velocit di vento maggiori della nominale:
5HJROD]LRQHPITCH TO FEATHERLimitazione della potenza estratta
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.20.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
rotor speed [pu]
o
u
t
p
u
t
p
o
w
e
r
[
p
u
]
pu power-speed diagram. Wind speed as parameter. Pitch angle variable
12m/s13m/s14m/s15m/s16m/s17m/s18m/s19m/s20m/s
TT=0
TT=18
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.3 Angolo di calettamento TT pitchVARIABILE
54
Per velocit di vento maggiori della nominale:
5HJROD]LRQHPITCH TO STALL
velocit di rotazione costante ::r=cost
+
Diminuizione GHOODQJRORdi calettamento TT
$XPHQWDODQJRORGDWWDFFRDD
Si riduce la PORTANZA FA, aumenta la resistenza FW
corda
Rv axv2
rvtv2 WF
AF axF
tF
q q
10
10
DT
Rv axv2
rvtv2 W
F
AF axF
tFT T tangenziale
DD
q q
30
5
DT
La forza tangenziale Ft e quindi la coppia restano costanti
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.3 Angolo di calettamento TT pitchVARIABILE
55
Per velocit di vento maggiori della nominale
5HJROD]LRQHPITCH TO STALL
OSSERVAZIONI
1. Minime variazioninegative del pitch,portano la pala installo, riducendo lapotenza estratta dalvento
2. Difficile controllo dellapotenza con la pala installo
3. Richiede minimevariazioni di pitch. EsTT=[0-4]
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
P
R
[
p
u
]
vff [m/s]
:: e TT costanti
theta=0TT=0
TT=-2TT=-4
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.4 Regolazione combinata ::r-TT
56
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200
5
10
15
20
b
l
a
d
e
p
i
t
c
h
a
n
g
l
e
[
d
e
g
]
Pitch angle variation
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
r
o
t
o
r
p
o
w
e
r
[
p
u
]
rotor power
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
upstream wind speed [m/s]
r
o
t
o
r
s
p
e
e
d
[
p
u
]
rotor power
CONTROLLO OTTIMALE
Velocit inferiore alla nominale:
Variazione di velocit di rotazione
Velocit superiore alla nominale
Variazione di angolo di pitch
Velocit prossima alla nominale
Variazione sia di velocit che di pitch
Pitch angle TT
Extracted power PR
Rotating speed ::r
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.4 Regolazione combinata ::r-TT
57
Legame coppia-velocit
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
turbine rotating speed [pu]
t
u
r
b
i
n
e
t
u
r
q
u
e
[
p
u
]
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.4 Regolazione combinata ::r-TT
58
Consente
1. Migliore sfruttamento del vento a velocit inferiori allanominale
2. Mantenimento della potenza al valore nominale per velocitdi vento maggiori della nominale
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
r
o
t
o
r
p
o
w
e
r
[
p
u
]
rotor power
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.5 Angolo di calettamento TT pitch),662
59
velocit di rotazione costante ::r=cost
+
pitch costante TT=cost
Per velocit di vento maggiori della nominale:
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
P
R
[
p
u
]
vff [m/s]
:: e TT costanti
theta=0
potenza generata non costante
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.5 Angolo di calettamento TT pitch),662
60
Per velocit di vento maggiori della nominale:
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
P
R
[
p
u
]
vff [m/s]
:: e TT costanti
theta=0
OSSERVAZIONI
1. Non si utilizza il meccanismo diregolazione del pitch. Semplicitcostruttiva.
2. La potenza generata non costante
3. Utilizzabile per piccole turbine,piccoli impianti, senza problemiparticolari di allaccio alla rete.
1. La potenza generata tagliata, per effettoGHOOHQWUDWD in stallo dellapala
2. Non si ha supero dellapotenza rispetto allanominale
3. Lo stallo si manifestaGDOOHVWUHPLWj della palaDOOLQWHUQR in modograduale (per effettodello svergolamento dellapala)
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.5 Angolo di calettamento TT pitch),662
61
Fixed pitch, passive stall regulation
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
P
R
[
p
u
]
vff [m/s]
passive stall regulation
active pitch
3. Controllo
GENERAZIONE EOLICA conversione aerodinamica
3.5 Angolo di calettamento TT pitch),662
62
Fixed pitch, passive stall regulation
INCONVENIENTI:
Difficilmente si riesce ad ottenere la potenza costante. Alcrescere del vento la potenza diminuisce
Pitch fisso: espone XQHOHYDWD superficie al vento. Strutturamolto sollecitata durante le raffiche di vento forte.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
P
R
[
p
u
]
vff [m/s]
passive stall regulation
active pitch
*UD]LHSHUODWWHQ]LRQH
Generazione eolica