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IMPIANTI
EOLICI ED OPINIONI AL RIGUARDO
L'articolo
che segue fornisce una sintetica ed efficace descrizione di un impianto
eolico, specie da un punto di vista tecnologico. In merito ad alcuni
contenuti espressi dall'autore si ricorda ai lettori che:
1) una delle maggiori critiche mosse agli impianti eolici è il forte
impatto visivo (oltre che uditivo) prodotto da campi di aereogeneratori
di media e grande taglia (si osservi ad esempio la foto riportata nell'articolo);
2) la CO² è quella che dà il maggior contributo all'effetto
serra, ma SO² e NOx sono responsabili delle piogge
acide e negli alti strati dell'atmosfera gli NOx sotto certe
condizioni di radiazione agiscono anche sullo strato di ozono;
3) gli aereogeneratori da 1 MW, che hanno velocità di spunto da 4 a
5 m/sec, non trovano ad oggi largo impiego per limitatezza di adatti
siti eolici, che andrebbero ricercati, monitorati e mappati con lunghe
e costose campagne anemometriche che incidono sui costi d'impianto.
Infine è da ricordare che la produzione di energia elettrica nel nostro
Paese è ormai, da qualche anno, un'attività libera e se la produzione
per via eolica - a parte i sussidi - fosse ritenuta dal mercato adatta
alla soluzione dei problemi energetici non ci sarebbero vincoli o pregiudizievoli
posizioni che potrebbero inibire il potenziale intrinseco che a questa
fonte viene attribuito (Rocco Morelli)
Di
tanto in tanto, in particolare quando si parla di questioni ambientali,
si passano in rassegna le possibili alternative alle centrali termiche.
Si parla di centrali idroelettriche e si dice che sì, sarebbero una
buona soluzione ma ormai non è più possibile realizzare nuove centrali
in Italia per mancanza di salti d'acqua sfruttabili, affermazione non
del tutto vera, poiché se è vero che i salti d'acqua più produttivi
sono già stati sfruttati, rimane un gran numero di siti in cui installare
macchine meno potenti ma comunque redditizie.
Va inoltre rilevato come siano numerose le centrali idroelettriche già
realizzate che funzionano a passo ridotto o non funzionano affatto per
mancanza di manutenzione.
Viene allora ripescato, assieme ai pannelli solari ed altri ancora futuristici
dispositivi, il generatore eolico che consentirebbe di produrre energia
elettrica con impatto ambientale veramente modesto.
Per quanto riguarda i generatori eolici è opinione di chi scrive che
il considerarli belli ma improduttivi sia figlio di scelte opportunistiche
e totale disinteresse per le problematiche ormai note legate all'inquinamento
ed al riscaldamento dell'atmosfera.
E' senz'altro vero che una centrale termica può produrre energia elettrica
a costi nettamente inferiori rispetto a qualsiasi altro sistema attualmente
disponibile ma dovrebbe essere perfino troppo ovvio che una questione
di enorme importanza come può essere quella del fabbisogno energetico
meriterebbe di essere trattata con criteri ben più articolati e ponderati
che non quelli del puro bilancio economico.
I punti a sfavore del termico sono molteplici e tutti di peso tale da
riverberare i loro effetti su ogni aspetto della nostra esistenza. Riassumiamo
brevemente gli aspetti fondamentali della questione:
 Produzione
di calore ed emissione di gas nocivi che vengono scaricati nell'atmosfera
e nei fiumi con gli effetti devastanti ben descritti nella purtroppo
inutile Conferenza di Kyoto.
Forte incidenza
sul bilancio del nostro paese (il petrolio si paga in dollari) unita
ad un'inevitabile precarietà dal momento che nessuno al mondo può avere
certezze riguardo a prezzo e disponibilità del greggio in un futuro
anche prossimo. Sarebbe quindi scelta responsabile per ogni governo
di cercare di incentivare con ogni possibile mezzo la produzione di
energia con fonti pulite e rinnovabili.
Le scelte dei nostri governi passati sono state per lungo tempo di segno
totalmente opposto. Per fortuna si è avuta ultimamente una consolante
inversione di tendenza.
In particolare la risoluzione del Comitato Interministeriale per la
Programmazione Economica (CIPE) n. 137/98 del 19 novembre 1998 ha dato
impulso ad un'azione volta a ridurre le emissioni di CO².
Le risoluzioni prese prevedono un progressivo incremento della quota
di potenza elettrica prodotta per mezzo di energia eolica che dovrebbe
portare, tra il 2008 ed il 2012, ad una produzione di 2500 MW.
La situazione, aggiornata al 2000, è quella mostrata nel grafico 1.
E' interessante anche analizzare il bilancio in termini di impatto ambientale
come da statistica compilata a cura dell'istituto ISES che citiamo integralmente:
Emissioni evitate
La produzione di energia elettrica mediante combustibili
fossili comporta l'emissione di sostanze inquinanti e di gas serra.
Il livello delle emissioni dipende dal combustibile e dalla tecnologia
di combustione e controllo dei fumi. Ecco i valori delle principali
emissioni associate alla generazione elettrica:
CO² (anidride carbonica): 1.000 g/kwh
SO² (anidride solforosa): 1,4 g/kwh
NO² (ossidi di azoto): 1,9 g/kwh
Tra questi gas, il più rilevante è l'anidride carbonica o biossido di
carbonio, il cui progressivo incremento potrebbe contribuire all'effetto
serra e quindi causare drammatici cambiamenti climatici. Se pensiamo
ai circa 700 MW di impianti eolici ammessi a beneficiare delle tariffe
previste dal provvedimento CIP 6/92, possiamo ipotizzare un'energia
prodotta pari a 1,4 miliardi di chilowattora (0,5% del fabbisogno elettrico
nazionale). Questa produzione potrà sostituire la combustione con combustibili
fossili; in tal caso le emissioni annue evitate sarebbero:
CO²: 1,4 milioni di tonnellate
SO²: 1.960 tonnellate
NO²: 2.660 tonnellate.
Altri benefici dell'eolico sono: la riduzione della dipendenza dall'estero,
la diversificazione delle fonti energetiche, la regionalizzazione della
produzione.
Aspetti generali
Lo
sfruttamento dell'energia eolica presuppone innanzitutto una conoscenza
approfondita dei meccanismi fisici che provocano e regolano il vento
terrestre.
L'individuazione di siti aventi caratteristiche ottimali per quanto
riguarda lo sfruttamento dell'energia eolica è il primo fondamentale
passo e grande cura è spesa in questa attività.
Vengono eseguite campagne di misurazione del vento per un periodo di
tempo sufficientemente lungo (almeno un anno) da garantire poi una buona
resa dell'impianto.
Parametri
importanti sono:
Percentuale
di tempo in cui il vento ha velocità idonea ad un corretto funzionamento
del generatore eolico.
Qualità
del vento che deve essere il più possibile uniforme.
Direzione
prevalente del vento che risulta fondamentale relativamente alla locazione
dell'aerogeneratore, in particolare nel caso di installazione multiple
(wind-farm).
Origine del vento
Spieghiamo innanzitutto in due parole i
meccanismi fisici che stanno all'origine del vento.
L'aria della troposfera, che si estende per un'altezza di circa 11 km, è più calda nelle zone equatoriali di quanto non lo sia nelle zone
polari.
Il riscaldamento dell'aria provoca la diminuzione della sua densità e genera delle correnti ascensionali che la portano quasi al
limite della troposfera e quindi a diffondersi verso i poli terrestri
dove, per effetto del raffreddamento, ridiscende a livello del
terreno.
Se la terra non ruotasse avremmo una semplice circolazione d'aria
dall'equatore ai poli e ritorno. La rotazione terrestre fa sì che la direzione dell'aria di
ritorno, al suo avvicinarsi alle zone più calde, sia deviata (forza di Coriolis) assumendo direzioni prevalenti in relazione alla latitudine considerata.
Vi sono poi condizioni geologiche locali che influenzano considerevolmente la direzione
prevalente del vento; un buon esempio è rappresentato dalla catena appenninica del centro Italia dove, per effetto delle differenti temperature
atmosferiche legate ai due bacini marini del Tirreno e dell'Adriatico, si ha una ventosità
particolarmente accentuata rispetto alla media del nostro territorio.
Descrizione generale di un aerogeneratore
L'idea di sfruttare l'energia del vento per
generare un moto rotatorio è vecchia di secoli, prima cugina della tecnologia della ruota
idraulica.
Il principale vantaggio dello sfruttamento dell'energia eolica è la disponibilità infinita e
totalmente gratuita della fonte energetica ed un impatto ambientale limitato al fattore estetico visto che non sono richieste dighe e canalizzazioni come viene fatto per le centrali idroelettriche.
Il limite di un aerogeneratore sta nella ridotta densità dell'aria che genera potenze limitate
relativamente alle dimensioni della turbina eolica. Per avere un'idea dei rapporti in gioco basti considerare che la densità dell'aria, pari a circa 1.225 kg/m, è in rapporto
1/816 rispetto a quella media dell'acqua.
Accade così che una potenza da 1 MW rappresenti più o meno il limite inferiore per quanto
riguarda l'applicabilità di una turbina idraulica ma sia una potenza di tutto rispetto per un
aerogeneratore.
Il principio funzionale di un generatore eolico è più o meno noto a tutti. Un sistema di pale, messo in
rotazione dall'energia del vento, genera un moto rotatorio che, per mezzo di opportuni meccanismi, viene
trasmesso ad un generatore elettrico.
Se si osserva un generatore eolico, specialmente in fotografia, dove si perde l'effetto imponente della torre di sostegno e delle gigantesche pale in rotazione, si ha la sensazione di trovarsi di fronte ad una macchina abbastanza banale, una variante dei mulini a vento che
sopravvivono nel mondo con finalità puramente turistiche. In realtà la tecnologia utilizzata per progettare e costruire un generatore eolico è molto sofisticata e direttamente mutuata dall'ingegneria
aeronautica. Chi scrive lavora da più di trent'anni nel campo della progettazione meccanica nei più svariati campi, compresa l'ingegneria delle turbine idrauliche, e può affermare che la progettazione di un aerogeneratore è attività di grande
soddisfazione ed impegno.
Sono numerose le tipologie costruttive adottate nella realizzazione di queste macchine. Una prima suddivisione può essere fatta tra macchine ad asse verticale (progetto Darrieus) (fig. 1) e macchine ad asse orizzontale (fig. 2).
Le macchine ad asse verticale hanno avuto uno sviluppo molto limitato e languono a livello di prototipi sperimentali. Limiteremo quindi la
descrizione alle versioni più comunemente utilizzate, appartenenti alla famiglia degli
aerogeneratori ad asse orizzontale.
Caratteristiche costruttive
La
macchina e costituita da tre elementi base che sono:
Navicella;
Torre di
sostegno;
Sistema
di controllo (fig. 3).
Navicella
E' il "sistema nervoso" di un aerogeneratore. Al suo interno sono
installati tutti i meccanismi e le apparecchiature necessarie al funzionamento,
in particolare il generatore, l'eventuale moltiplicatore e le apparecchiature
elettriche ed elettroniche di controllo e potenza. La navicella e provvista
di un dispositivo di rotazione attorno al suo asse verticale per potersi
orientare in funzione della direzione del vento che può essere in coda
(sottovento, vento proveniente dal lato opposto a quello del rotore)
o sopravento, di direzione opposta.
La navicella e a sua volta composta da quattro elementi principali:
Rotore,
Moltiplicatore,
Generatore,
Meccanismo
di rotazione (Yaw).
Rotore
E' il cuore (motore) di un aerogeneratore. Il rotore è composto da un
mozzo sul quale sono montate le pale, in maniera fissa o con cuscinetti
per la rotazione di ognuna di esse attorno al proprio asse longitudinale,
per consentire la regolazione come spiegato successivamente. All'interno
del mozzo sono spesso installati i meccanismi elettrici od oleodinamici
e le altre apparecchiature necessarie al funzionamento per questa regolazione.
Il mozzo è collegato, con opportuna flangia, all'albero principale della
trasmissione (moltiplicatore) o direttamente al generatore; l'asse di
rotazione può essere orizzontale o leggermente inclinato (rispetto all'orizzontale).
Come descritto precedentemente l'installazione del rotore può essere
sopravento e sottovento rispetto alla torre.
Il funzionamento sottovento rende la navicella autoallineante rispetto
alla direzione del vento ed in teoria consentirebbe di eliminare il
meccanismo di rotazione, possibilità più teorica che pratica, come vedremo
in seguito.
Un significativo vantaggio è invece rappresentato dal fatto che la flessibilità
delle pale non genera problemi di interferenza con la struttura della
torre di sostegno, consentendo di realizzare macchine più leggere ed
efficienti.
L'unico svantaggio di questa soluzione è l'effetto di schermatura costituito
dalla torre che si frappone tra il vento e le pale, causando carichi
pulsanti che generano fenomeni di fatica strutturale sulla torre stessa
e disuniformità della velocità di rotazione.
Il funzionamento sopravento ha vantaggi e svantaggi quasi speculari
a quelli sopra descritti e richiede quindi maggior rigidità delle pale
unita ad una maggiore distanza delle stesse dalla torre.
L'effetto di schermatura della torre è comunque presente con un disturbo
sul moto del vento in uscita dalle pale ma di entità inferiore e saranno
quindi meno cospicui i carichi pulsanti ed i disturbi che ne derivano
(fig. 4).
Attualmente sono previste tre configurazioni di rotore, relativamente
alle pale:
Tripala
Il più diffuso, ha velocità di rotazione relativamente bassa, circa
30 rpm, grazie alla elevata coppia specifica generata. Normalmente risulta
essere più costoso dei tipi bipala e monopala di seguito descritti sia
per quanto riguarda la realizzazione che per il trasporto ma garantisce
il miglior rapporto dimensione/potenza.
Bipala
Ha caratteristiche intermedie tra il tripala ed il monopala. Ha velocità
di rotazione più elevate, circa 40 rpm, rispetto al tripala ed è generalmente
più economico, in particolare per quanto concerne il trasporto.
Risulta essere più sensibile all'effetto torre ed alla inevitabile variabilità
della velocità del vento il cui valore tende a diminuire in modo significativo
in prossimità del suolo, inconveniente a cui si pone rimedio, nelle
esecuzioni più recenti, con l'adozione di un mozzo oscillante attorno
ad un asse normale a quello di rotazione che consente al rotore di autoequilibrarsi
sotto l'azione combinata dell'effetto giroscopico generato dalla rotazione
e della spinta del vento.
Monopala
E' l'evoluzione più recente, ha velocità ancora più elevate, circa 60
rpm, e risulta essere il più economico in assoluto. La configurazione
ad una sola pala richiede l'applicazione di un contrappeso che bilanci
la massa della pala stessa.
In questa esecuzione è obbligatoria l'oscillzione del rotore prima descritta
per il tipo bipala dato il notevole sbilanciamento derivato dal carico
del vento che agisce sull'unica pala.
La facilità di trasporto di questo tipo di aerogeneratore rende possibile
la sua installazione nelle località più impervie. In Italia sono numerosi
gli aerogeneratori di questo tipo.
L'elemento fondamentale del rotore è la pala che rappresenta, assieme
al sistema di regolazione, il nocciolo duro della progettazione di un
aerogeneratore.
Le teorie che stanno alla base dell'aerodinamica relativa alle pale
è molto complicata e ci limiteremo a riassumerne gli aspetti più significativi.
Il profilo della pala ha discrete analogie con un profilo alare. In
effetti i primi aerogeneratori furono realizzati adottando pale aventi
geometria molto simile a quella di un profilo alare ma poi, nel corso
del tempo, approfonditi studi hanno portato ad ottimizzare il profilo
della pala in funzione della prestazione specifica richiesta.
Nel caso di un aeromobile il profilo dell'ala ha funzione di separare
il flusso d'aria che ha moto relativo rispetto ad essa per effetto del
moto di avanzamento e di far sì che la sua velocità sia superiore sul
bordo superiore rispetto a quello inferiore; questa condizione genera
una differenza di pressione, inferiore sul bordo superiore della pala
rispetto a quella agente sul bordo inferiore che genera a sua volta
la cosiddetta portanza alare, forza perpendicolare alla direzione del
flusso (fig. 5).
Immaginiamo ora di prendere due ali di aereo e di montarle su di un
rotore avendo cura di invertire l'orientamento dei profili di una pala
rispetto all'altra. In questo caso il flusso d'aria è rappresentato
dal vettore risultante dato dalla composizione tra la velocità del vento
propriamente detto, perpendicolare al piano di rotazione, e la velocità
di rotazione appartenente al piano di rotazione.
Questo vettore è la velocità relativa rispetto al profilo alare; in
analogia con gli aeromobili, l'angolo tra questo vettore e la corda
del profilo è chiamato "angolo di incidenza".
Se l'inclinazione della velocità relativa rispetto al piano di rotazione
è sufficiente otterremo che la componente di portanza proiettata sul
piano di rotazione andrà ad agire sulle due pale generando spinte motrici
di verso opposto che provocheranno la rotazione del rotore.
Se si osserva una pala di recente progettazione si nota subito come
il profilo sia "avvitato" (twisted) lungo lo sviluppo della
pala stessa (fig. 6).
La ragione di questa caratteristica può essere compresa se si analizza
il moto relativo del vento rispetto alla pala in rotazione.
La velocità periferica della punta della pala è notevolmente diversa
e superiore di quella in prossimità della zona di attacco al rotore;
ne consegue che il vettore di velocità relativa del vento, risultante
dalla composizione del moto traslazionale del vento e di quello rotatorio
della pala come già descritto, varia lungo la lunghezza della pala e
così pure l'angolo di incidenza. Un profilo twisted cerca di compensare
questo effetto ed è finalizzato ad ottenere il miglior rendimento complessivo
della pala.
Le pale dell'aerogeneratore sono attualmente realizzate, nella maggior
parte dei casi, in materiali compositi rinforzati con fibre di vetro
che rappresentano il miglior compromesso tra costi e prestazioni. Nei
modelli più innovativi, particolarmente per il tipo monopala, si è fatto
ricorso alle fibre di carbonio che, a fronte di costi superiori, possono
fornire migliori prestazioni come insegna la tecnologia applicata nella
realizzazione delle vettura da competizione.
Regolazione del pitch
Una importante caratteristica delle pale è la possibilità di variare
l'angolo di "calettamento" (pitch) della pala attorno al proprio asse
longitudinale, ottenendo di conseguenza una variazione dell'angolo di
incidenza del profilo rispetto alla direzione relativa del vento.
Questa funzione consente di ottenere un moto rotatorio il più possibile
uniforme e permette di controllare in modo efficace le operazioni di
avvio e fermata dell'aerogeneratore.
Il controllo del pitch viene realizzato o per mezzo di servomeccanismi
simili a quelli che sono installati sui rotori degli elicotteri, tipicamente
un sistema di bielle che trasformano la traslazione di un attuatore
lineare contenuto nella navicella in un moto rotatorio attorno all'asse
della pala o, più recentemente, con motoriduttori elettrici o oleodinamici
montati direttamente nel mozzo. Il meccanismo di attuazione del pitch
deve essere progettato con estrema cura.
Considerando che, a seconda dei tipi di aerogeneratore, potremmo avere
regolazioni del pitch aventi frequenza pari al regime di rotazione,
possiamo facilmente dedurre che questo dispositivo deve poter sopportare
un numero così elevato di carichi pulsanti da richiedere un dimensionamento
a fatica a cicli infiniti.
Il dispositivo di controllo del pitch deve infine essere in grado di
portare la pala in "parcheggio" ogni volta che le condizioni
operative e eventuali malfunzionamenti lo richiedano; tipicamente sono
previsti sistemi con logica passiva e "backup" elettrico o oleodinamico
(in mancanza di input il sistema porta automaticamente la pala in condizione
di "parcheggio").
Moltiplicatore
L'accoppiamento del rotore, la cui velocità di rotazione varia,
come abbiamo visto, tra i 30 rpm ed i 60 rpm, con un generatore di corrente
che tipicamente, per una configurazione a 4 poli, ha velocità di regime
di circa 1500 rpm per poter produrre corrente a 50 Hz, richiede solitamente
l'uso di un opportuno moltiplicatore.
Allo scopo vengono utilizzati moltiplicatori che possono essere di tipo
epicicloidale o ad assi paralleli. Grande cura deve essere usata nella
progettazione di questi dispositivi, che dovranno soddisfare al meglio
i seguenti requisiti:
Ingombro
limitato e massa ridotta,
Massima
durata ed affidabilità,
Silenziosità.
Chiunque si sia cimentato nella progettazione di un riduttore comprende
come questi requisiti siano di non facile realizzazione. A corredo del
sistema di accoppiamento tra turbina eolica e generatore sono previsti
dei freni di stazionamento, di solito del tipo a disco, che provvedono
al bloccaggio del rotore in parcheggio per poter eseguire lavori di
manutenzione in sicurezza.
Generatore
Per venire in aiuto di tutti coloro che, come me, non hanno conoscenze
elettrotecniche approfondite, riassumiamo brevemente i principi elementari
che stanno alla base del funzionamento di un generatore elettrico trifase.
Supponiamo di realizzare un sistema costituito da tre nuclei di ferro
disposti a 120°.
Attorno ad ognuno dei nuclei avvolgiamo a spirale un conduttore elettrico
che sarà collegato ad una delle tre fasi di alimentazione, realizzando
un cosiddetto elettromagnete (la corrente elettrica che percorre le
spirali genera un campo magnetico avente direzione legata al verso della
corrente che interessa (magnetizza) il nucleo contenuto ed invertendo
il verso della corrente che percorre la spirale avremo una inversione
dei poli magnetici del nucleo).
Poniamo, al centro geometrico di questo sistema tripolare, un magnete
permanente che abbia la possibilità di ruotare attorno ad un asse normale
al piano in cui abbiamo disposto i tre poli.
Se alimentiamo i conduttori con una corrente trifase otterremo che ciascun
nucleo venga ciclicamente polarizzato nei due versi realizzando, in
pratica, un campo magnetico rotante.
La velocità di rotazione del campo magnetico sarà legata alla frequenza
della corrente alternata di alimentazione ed al numero dei poli dello
statore e del rotore.
Per esempio una corrente alternata avente una frequenza di 50 Hz produrrà
un campo magnetico rotante ad una velocità di 50 giri al secondo nell'esempio
ora descritto.
Osserviamo infine come, aumentando il numero dei nuclei statorici (poli)
e proporzionalmente quello dei poli rotorici, avremo una proporzionale
riduzione della velocità di rotazione del campo magnetico.
Tornando al magnete permanente posto al centro dei poli, osserveremo
come la rotazione del campo magnetico produrrà la rotazione del magnete;
avremo così realizzato un motore elettrico sincrono.
Se a questo punto applichiamo una coppia rotante al magnete centrale
vedremo come, all'aumentare del suo valore, non avremo un corrispondente
aumento della velocità di rotazione come potrebbe accadere per una qualsiasi
massa rotante, per esempio un volano.
Ne consegue che il campo magnetico rotante dello statore cerca di mantenere
il rotore correttamente orientato rispetto al verso delle sue polarità.
Il principio di conservazione dell'energia ci suggerisce che la coppia
in ingresso viene in qualche modo trasformata e dissipata per poter
mantenere costante la velocità di rotazione; il risultato di questo
processo è la produzione di energia elettrica che, per mezzo di opportuni
dispositivi, viene ceduta alla rete.
Le soluzioni costruttive adottate per realizzare un vero generatore
elettrico sono naturalmente molto più complicate.
Lo statore risulta costituito da una serie di avvolgimenti posti in
cave ricavate nel diametro interno della cassa e nel rotore i magneti
permanenti vengono rimpiazzati da elettromagneti alimentati dalla corrente
di rete opportunamente trasformata e trasmessa da collettori rotanti
ma, a grandi linee, questo è il principio funzionale.
Nei generatori eolici vengono poi spesso utilizzati generatori asincroni,
derivazione dei comuni motori elettrici asincroni, essenzialmente diversi
per quanto riguarda il rotore che risulta costituito, nell'esecuzione
detta a gabbia di scoiattolo, da una serie di barre conduttrici collegate
alle loro estremità a due anelli e da un nucleo.
In questo caso il campo magnetico statorico genera nel rotore correnti
indotte che producono a loro volta un campo magnetico indotto.
Il generatore asincrono, a differenza di quello sincrono, deve girare
ad una velocità leggermente superiore (circa 1% a piena potenza) a quella
del campo magnetico rotante per poter produrre energia.
Il rapporto tra la velocità sincrona e quella di funzionamento è detto
scorrimento e ha, in funzione della coppia applicata, piccole variazioni.
Questa caratteristica rende il generatore asincrono particolarmente
adatto a funzionare con una coppia fluttuante quale è quella prodotta
dal rotore eolico.
In alternativa alla soluzione che prevede l'inserimento di un moltiplicatore
tra il rotore ed il generatore è possibile realizzare un accoppiamento
diretto tra questi due elementi.
Quest'ultima soluzione semplifica di molto la parte meccanica della
macchina e consente una notevole riduzione della dimensione e della
massa della navicella ma ha lo svantaggio di richiedere un generatore
provvisto di un numero di poli idoneo a consentire la generazione di
corrente alla frequenza richiesta.
Ricordando che, per produrre corrente a 50 Hz, un generatore a 4 poli
deve girare a 1500 rpm ne consegue che, per una velocità di rotazione
del rotore di 30 rpm, sarà richiesto un generatore provvisto di 200
poli.
Un numero limitato di costruttori ha puntato su questa seconda opzione
innovativa riuscendo in effetti ad ottenere aerogeneratori di costruzione
più semplice ma la maggioranza si è affidata alla prima configurazione.
Rotazione della navicella (Yaw)
Ne sono provvisti tutti gli aerogeneratori di un certo livello.
La rotazione della navicella consente l'opportuno orientamento della
turbina eolica rispetto alla direzione del vento che, per definizione,
è variabile.
Il meccanismo di rotazione della navicella è comunemente realizzato
per mezzo di una ralla dentata su cui si impegnano uno o più pignoni
azionati dai relativi motoriduttori poiché tra navicella e torre deve
esistere un cavo elettrico di collegamento per portare a terra l'energia
elettrica prodotta dal generatore, la rotazione che la navicella può
effettuare attorno all'asse della torre è limitata dalla possibilità
di avvolgimento del cavo su se stesso.
Un apposito sistema di feed-back, tipicamente un encoder impegnato con
la ralla dentata, controlla la rotazione e, se viene raggiunto il punto
di fine corsa a seguito di una successione di correzioni di verso concorde,
p rovvede
alla eventuale fermata della macchina ed al ripristino della condizione
di partenza.
Torre di sostegno
Ha funzione di sostegno della navicella.
Nelle versioni più semplici è costituita da un traliccio simile a quelli
utilizzati per il sostegno dei cavi degli elettrodotti. Questa soluzione
ha lo svantaggio di essere strutturalmente molto rigida e di trasmettere
quindi alle fondazioni tutti i carichi generati dalla navicella, particolarmente
elevati in certe condizioni transitorie.
La tendenza attuale è quella di realizzare torri di sostegno molto elastiche
che riescono a "tagliare", con la loro deformazione, carichi pulsanti
o istantanei, con notevoli vantaggi nella realizzazione delle fondazioni.
Da un punto di vista costruttivo la torre viene realizzata con elementi
componibili di forma tronco-conica, collegati con flange o ad incastro.
All'interno della torre corrono i cavi di collegamento con la navicella
ed è installata una scala che permette la salita alla navicella. Alla
base della torre di sostegno possono essere installate le apparecchiature
di controllo e collegamento alla rete.
Sistema di controllo
Si articola in due sistemi principali:
1 - Sistema di controllo della funzionalità
Viene comunemente realizzato da due PLC (controllori), uno installato
a bordo della navicella e l'altro alla base della torre di sostegno,
che sovrintendono a tutte le funzionalità della macchina.
La logica funzionale della gestione e del controllo dei parametri operativi,
che sono normalmente dell'ordine delle centinaia, è fattore determinante
per quanto riguarda l'efficienza e l'affidabilità della macchina e viene
quindi normalmente prevista di tipo ridondante (funzioni duplicate).
l vari azionamenti vengono di solito realizzati per mezzo di una centralina
idraulica unitamente ad eventuali motoriduttori elettrici, di solito
impiegati per la rotazione della navicella.
Una funzione estremamente importante delegata al sistema di controllo
è l'autodiagnosi che verrà in seguito descritta. Nei modelli più recenti
è prevista la possibilità di monitorare in modo remoto, via modem, il
funzionamento della macchina, funzione utile alla prevenzione di guasti
importanti ed alla raccolta di dati utili alla progettazione di nuove
macchine.
2 - Sistema di controllo della generazione
Viene di solito posizionato alla base della torre o in un locale
attiguo ad essa.
A seconda del tipo di generatore installato sono possibili soluzioni
notevolmente diverse tra di loro. Riassumiamo i due principali sistemi.
Il sistema più semplice prevede la connessione diretta alla rete.
Il vantaggio risiede naturalmente nella semplicità e quindi nel costo
relativamente basso del sistema mentre il principale svantaggio deriva
dalla necessità di un sistema di controllo della velocità di rotazione
della turbina eolica il più possibile uniforme.
Il secondo sistema consiste in una connessione indiretta alla rete.
La corrente generata viene raddrizzata e successivamente ritrasformata
in corrente alternata di frequenza corrispondente a quella della rete
per mezzo di ponti di tiristori combinati con un sistema di filtraggio
costituito da induttanze e condensatori aventi funzione di rendere la
corrente prodotta compatibile con i parametri della rete a cui la macchina
è collegata.
Questo sistema risulta essere più costoso di quello a connessione diretta
ma offre l'importante vantaggio di permettere ampie variazioni della
velocità di rotazione che permettono di semplificare o addirittura di
eliminare il controllo del pitch delle pale.
Funzionamento
Particolarmente interessante è analizzare il modo completamente
autonomo in cui un aerogeneratore funziona.
Va premesso che ogni costruttore prevede particolari criteri operativi
e quindi quanto qui di seguito riportato descrive una modalità operativa
fra le tante possibili.
Per mezzo di anemometri installati sul tetto della navicella viene continuamente
misurata direzione ed intensità del vento. Poiché il vento è per definizione
mutevole ed incostante il primo problema da risolvere è definire i criteri
secondo i quali risulta conveniente avviare la macchina.
Quando si realizzano le condizioni richieste per l'avviamento, rappresentate
da permanenza di un vento di direzione abbastanza stabile e velocità
superiore a 3 ÷ 5 m/s per un tempo sufficiente ad ipotizzare una condizione
relativamente stabile, viene iniziata la procedura di avviamento.
Per prima cosa la macchina esegue una procedura di autodiagnosi, durante
la quale viene verificato il funzionamento di tutti i meccanismi.
La macchina si dispone in direzione ottimale rispetto alla direzione
del vento e, agendo sulla regolazione del pitch delle pale, inizia a
ruotare simulando l'inizio di una rampa di avviamento.
Una volta verificato il corretto funzionamento di tutti i dispositivi
la procedura di avviamento viene abortita e si porta la macchina in
stand-by, completando così la verifica funzionale.
Ultimati i controlli inizia la procedura di avviamento reale che porta,
attraverso una rampa controllata dell'incremento della velocità realizzata
per mezzo della regolazione del pitch della pala, al raggiungimento
della velocità di regime. Viene a questo punto realizzato il parallelo
del generatore con la rete (si realizza la sincronizzazione tra la corrente
prodotta dal generatore e quella della rete) ed infine si effettua il
collegamento con la rete; a questo punto il generatore inizia a produrre
energia elettrica.
Durante il funzionamento a regime il sistema di controllo verifica in
modo continuo i parametri relativi al vento ed automaticamente orienta
la navicella e regola il pitch delle pale per garantire una velocità
di rotazione il più possibile uniforme.
Se la velocità del vento scende al di sotto del valore minimo di avviamento
precedentemente definito o raggiunge un valore troppo elevato, normalmente
oltre i 25 m/s, viene attivata la procedura di shut-down che porta,
attraverso una rampa controllata o in modo repentino, a seconda della
condizione, alla fermata dell'apparecchio.
E' altresì prevista una manovra di shut-down di emergenza che porta
rapidamente la macchina in fermata nel caso si verifichino anomalie
gravi nel funzionamento e perdita del carico di rete.
Nei tipi monopala e bipala provvisti di oscillazione delle pale è normalmente
previsto anche un dispositivo di bloccaggio dello stesso quando la velocità
di rotazione scende al di sotto di un valore per il quale l'effetto
stabilizzante della forza centrifuga sulle pale viene ad essere insufficiente
a contenere le oscillazioni per effetto della disuniformità della spinta
del vento e l'effetto di schermatura della torre.
Per chi fosse interessato ad approfondire l'argomento si elencano qui
di seguito alcuni siti in cui sarà possibile trovare utili informazioni,
immagini e quant'altro.
A) Costruttori
B) Altri siti utili
Bibliografia
Giancarlo Bardella
Il Perito Industriale - Maggio/Giugno 2003
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