PROSPETTIVE PER LA DIFFUSIONE DEL MINI-EOLICO:L’ESEMPIO DEL GENERATORE DA 5 kW PROGETTATO AL DPA

Domenico P. Coiro, U. Maisto, F. Scherillocoiro@unina.it - maistou@virgilio.it - fesche@libero.it

Masse aggiuntive per il controllo passivo

(Passive Stall Control)

Spaccato del mozzo

Simulazione della risposta dinamica del sistema per un’assegnata legge

temporale della raffica (tempo in secondi sulle ascisse)

Dipartimento di Progettazione Aeronautica

Università di Napoli “Federico II”

www.unina.dpa.it/adag/

DESIGN AERODINAMICOL’obiettivo del design aerodinamico è quello di progettare pale per aerogeneratori caratterizzate da un’elevata efficienza aerodinamica al fine di convertire quanta più energia del vento in energia meccanica e quindi in energia elettrica. Il design dei profili aerodinamici della pala del generatore da 5 kW è stato ottenuto per mezzo di codici di calcolo a disposizione del DPA e, per ottenere la desiderata efficienza aerodinamica, sono stati progettati cinque diversi profili utilizzati in diverse stazioni della pala. La specifica infatti richiedeva che l’aerogeneratore fosse in grado non solo di produrre 5 kW con una velocità (V0) del vento di 9 m/s (condizione di funzionamento nominale) ma anche di produrre 1.5 kW con una velocità del vento di 6 m/s (punto di progetto). Presso il DPA è stato possibile effettuare prove sperimentali in galleria del vento su di un modello in scala di aerogeneratore strumentato con un torsiometro per la misura della coppia aerodinamica e di una cella di carico per la misura del carico sull’asse del rotore.

IL MINI-EOLICO ED IL GENERATORE DA 5 kW PROGETTATO AL DPATra le fonti rinnovabili, l’impiego dell’energia eolica per la produzione di energia elettrica è ormai una realtà consolidata e rappresenta un caso di successo tra le nuove fonti rinnovabili. Gli aerogeneratori attualmente presenti sul mercato possono essere suddivisi in tre gruppi in base alla potenza elettrica che sono in grado di produrre: aerogeneratori di grande taglia (maggiore di 1 MW), aerogeneratori di media taglia (maggiore di 50 kW e minore di 1 MW) ed aerogeneratori di piccola taglia (minore di 50 kW). Questi ultimi vengono utilizzati prevalentemente per connessioni dirette alla rete di bassa tensione e per fornire energia ad unità abitative non raggiunte dalla rete elettrica nazionale. I due aspetti economicamente vantaggiosi per l’utente che utilizza un aerogeneratore di piccola taglia connesso alla rete di bassa tensione sono il risparmio sulla bolletta energetica e la possibilità di immettere in rete il surplus di energia prodotta vendendola alla società elettrica distributrice. Affinché tali turbine possano soddisfare la richiesta di mercato è necessario che esse presentino delle caratteristiche che le rendano appetibili soprattutto all’utente comune e meno esperto. Si ritiene infatti che esse debbano essere facili da installare, semplici da mantenere ed estremamente efficienti affinché possano raccogliere sufficiente energia durante l’anno anche nei siti in cui la velocità media del vento è relativamente bassa. Presso il DPA da anni è attivo un gruppo di ricerca nel settore del mini-eolico impegnato nel progetto aerodinamico, strutturale e dinamico del rotore sia per mezzo di prove sperimentali che di analisi numeriche. Le linee guida appena espresse sono state messe in pratica nel progetto esecutivo e nella realizzazione (attualmente in corso) di un mini-generatore eolico ad asse orizzontale da 5kW, del diametro di 6 m, 3 pale con un’altezza dal suolo di 18 m e dotato di alcune caratteristiche innovative. Esso, inoltre, sarà dotato di un generatore elettrico a magneti permanenti ed a flusso assiale che non richiede la presenza di un riduttore di giri, aumentando, così, l’affidabilità e l’efficienza dell’impianto e la sua semplicità costruttiva.

Disegno CAD 3D della pala

SISTEMA DI CONTROLLO DEL NUMERO DI GIRI ED ANALISI DINAMICA L’aerogeneratore è stato progettato per funzionare in un determinato intervallo di numero di giri. Onde evitare situazioni pericolose esso è stato dotato di un sistema di controllo passivo che, qualora tali condizioni dovessero essere oltrepassate, tende a riportare il rotore nelle condizioni di funzionamento ottimali. Tale sistema (Passive Stall Control) si basa sulla disposizione di masse aggiuntive che, sotto l’effetto delle forze centrifughe, tendono a portare le pale in situazione di stallo con una conseguente diminuzione delle forze che agiscono sulle pale stesse facendo rallentare il rotore. L’effetto delle forze centrifughe è contrastato da una molla torsionale di opportuna rigidezza che tende a riportare le pale in posizione di “progetto”. Tarando opportunamente la rigidezza della molla stessa si ottiene che il rotore funzioni sempre nell’intervallo stabilito del numero di giri. Particolare attenzione è stata posta alla posizione dell’asse di cerniera rispetto al quale ruota la pala. La posizione finale di tale asse è stata determinata sia attraverso l’analisi della risposta dinamica del sistema sia attraverso l’analisi del flutter. Per effettuare l’analisi della risposta dinamica è stato necessario calcolare sia l’andamento del momento aerodinamico della singola pala rispetto all’asse di beccheggio sia la coppia motrice aerodinamica agente sul rotore al variare dell’angolo di pitch, della velocità del vento e della velocità angolare Ω del rotore. Per l’analisi del flutter sono stati utilizzati software specifici, a disposizione presso il DPA, allo scopo di determinare le frequenze naturali della pala. Queste ultime sono state utilizzate come dati di input per un codice appositamente sviluppato per verificare eventuali condizioni di flutter. Con l’ausilio dei codici descritti si è determinato, in maniera iterativa, la migliore posizione dell’asse di pitch nonché la disposizione dei vari profili lungo l’apertura della pala.

ANALISI STRUTTURALE Le specifiche di progetto prevedevano un peso massimo della pala di 5 kg e per ottenere questo requisito è stato scelto di realizzare le pale in vetroresina. Attraverso l’utilizzo di opportuni codici è stato effettuato il dimensionamento strutturale della singola pala nonché il dimensionamento strutturale della parte rotorica e statorica del mozzo. Le condizioni di carico scelte per il dimensionamento della pala sono:1) Velocità del vento di 10 m/s, 250 RPM (condizioni nominali).2) Velocità del vento di 30 m/s e rotore bloccato (condizione di parcheggio con pale non a bandiera)3) Velocità del vento di 30 m/s con numero di giri pari a 350 RPM.Le analisi effettuate nel caso in cui la pala è sottoposta anche a carichi dovuti alla forza centrifuga sono state effettuate nell’ipotesi di non linearità geometrica. Il dimensionamento strutturale della parte rotorica è stata effettuata per un carico assiale di 10000 N ed un carico flessionale di 6668.5 Nm. Il primo carico è stato determinato dalla somma del carico massimo presente su ogni pala moltiplicato per il numero di pale, utilizzando un fattore di sicurezza di 1.5; il secondo considerando lo stesso carico su solo due pale (condizione sbilanciata) utilizzando lo stesso fattore di sicurezza. Uno studio analogo è stato effettuato sullo statore e sulla struttura assemblata.MATERIALI E TECNOLOGIE PER LA COSTRUZIONE DELLE PALE Il tipo di struttura della pala è un guscio con degli ispessimenti longitudinali dello stesso materiale. Per ottimizzare i costi delle pale è stata scelta la combinazione di fibre di vetro con resina epossidica. La stratificazione del materiale è stata ottimizzata per minimizzare la quantità di materiale impiegato cercando di soddisfare le esigenze strutturali sia in termini di tensioni ammissibili sia in termini di deformate massime. Tali materiali compositi permettono di ottenere ottime caratteristiche meccaniche, con un risparmio in peso che può arrivare anche al 70% rispetto ai materiali tradizionali metallici. Per la realizzazione delle pale in composito è stato realizzato prima uno stampo maschio con macchina a controllo numerico per ottenere le tolleranze richieste e poi è stato realizzato uno stampo femmina in resina sul quale sono state stratificate le pale. Sono in corso le prove statiche delle pale realizzate.

Analisi modale: 1° modo torsionale (56.799 Hz)

Andamento dell’efficienza in funzione

del TSR (WR/V0)

Coefficiente di Potenza al variare del Tip Speed Ratio (WR/V0)

0.05

0.15

0.25

0.35

0.45

0.55

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12WR/V0

Co

effi

cien

te d

i po

ten

za

Potenza in funzione del numero di giri del rotore al variare della

velocità del vento

Potenza al variare della velocità del vento (Vo)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 50 100 150 200 250 300

RPM

P [

kW

]

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Vo [m/s]

Distribuzione dei profili

lungo la pala

5% - 15% apertura

45% - 100% apertura

35% - 45% apertura

25% - 35% apertura

15% - 25% apertura

Deformata massima e

distribuzione delle tensioni

sulla pala

Stampo maschio

Aerogeneratore in scala testato nella galleria del

vento presso il DPA

Torsiometro

Cella di carico

Assieme dell’aerogeneratore da 5 kW

Assieme dell’aerogeneratore da 5 kW