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Progettazione di turbine eoliche per l’energia eolica
Al cuore di ogni sistema di generazione di energia eolica rinnovabile c’è la turbina eolica. Le turbine eoliche sono generalmente composte da un rotore, un generatore di corrente continua (DC) o un alternatore di corrente alternata (AC) che è montato su una torre alta dal suolo.
Come sono progettate le turbine eoliche per produrre elettricità? Nei suoi termini più semplici, una turbina eolica è l’opposto di un ventilatore da casa o da tavolo. Il ventilatore usa l’elettricità della rete elettrica per ruotare e far circolare l’aria, facendo vento. Le turbine eoliche invece usano la forza del vento per generare elettricità. Il movimento del vento fa girare le pale della turbina, che cattura l’energia cinetica del vento e converte questa energia in un movimento rotatorio attraverso un albero per azionare un generatore e produrre elettricità come mostrato.
Progettazione tipica di un generatore a turbina eolica
L’immagine sopra mostra i componenti di base che compongono una tipica turbina eolica. Una turbina eolica estrae l’energia cinetica dal vento rallentando il vento, e trasferendo questa energia nell’albero che gira, quindi è importante avere un buon design. La potenza del vento disponibile per la raccolta dipende sia dalla velocità del vento che dall’area che viene spazzata dalle pale rotanti della turbina. Quindi, più veloce è la velocità del vento o più grandi sono le pale del rotore, più energia può essere estratta dal vento. Quindi possiamo dire che la produzione di energia della turbina eolica dipende dall’interazione tra le pale del rotore e il vento ed è questa interazione che è importante per la progettazione di una turbina eolica.
Per aiutare a migliorare questa interazione e quindi aumentare l’efficienza sono disponibili due tipi di progettazione della turbina eolica. L’asse orizzontale comune e il design ad asse verticale. Il design della turbina eolica ad asse orizzontale cattura più vento, quindi la potenza di uscita è più alta di quella di un design della turbina eolica ad asse verticale. Lo svantaggio del disegno dell’asse orizzontale è che la torre richiesta per sostenere la turbina eolica è molto più alta e il disegno delle pale del rotore deve essere molto migliore.
La turbina ad asse verticale o VAWT, è più facile da progettare e mantenere ma offre prestazioni inferiori ai tipi ad asse orizzontale a causa dell’alta resistenza del suo semplice disegno delle pale del rotore. La maggior parte delle turbine eoliche che generano energia elettrica oggi sia commercialmente che domesticamente sono macchine ad asse orizzontale quindi è questi tipi di progettazione di turbine eoliche che guarderemo in questo tutorial turbina eolica.
– Il rotore – Questa è la parte principale di un design moderno turbina eolica che raccoglie l’energia del vento e lo trasforma in potenza meccanica sotto forma di rotazione. Il rotore è costituito da due o più “pale del rotore” in legno laminato, fibra di vetro o metallo e da un mozzo protettivo che ruota (da cui il nome) intorno a un asse centrale.
Proprio come l’ala di un aeroplano, le pale delle turbine eoliche funzionano generando portanza grazie alla loro forma curva. Le pale del rotore estraggono parte dell’energia cinetica dalle masse d’aria in movimento secondo il principio della portanza ad un tasso determinato dalla velocità del vento e dalla forma delle pale. Il risultato netto è una forza di sollevamento perpendicolare alla direzione del flusso dell’aria. Quindi il trucco è progettare la pala del rotore per creare la giusta quantità di portanza e spinta della pala del rotore producendo una decelerazione ottimale dell’aria e non di più.
Purtroppo le pale del rotore delle turbine non catturano al 100% tutta la potenza del vento, perché farlo significherebbe che l’aria dietro le pale della turbina sarebbe completamente immobile e quindi non permetterebbe più al vento di passare attraverso le pale. L’efficienza massima teorica che le pale del rotore delle turbine possono estrarre dall’energia del vento è compresa tra il 30 e il 45% e dipende dalle seguenti variabili delle pale del rotore: Design delle pale, numero di pale, lunghezza delle pale, passo/angolo delle pale, forma delle pale, materiali e peso delle pale, per citarne alcuni.
– Design delle pale – I design delle pale del rotore operano sul principio della portanza o del metodo di resistenza per estrarre energia dalle masse d’aria che scorrono. Il design delle pale di portanza impiega lo stesso principio che permette agli aerei, agli aquiloni e agli uccelli di volare producendo una forza di sollevamento che è perpendicolare alla direzione del movimento. La pala del rotore è essenzialmente un profilo aerodinamico, o un’ala di forma simile a quella di un aereo. Mentre la pala taglia l’aria, si crea una velocità del vento e una differenza di pressione tra la superficie superiore e quella inferiore della pala.
La pressione sulla superficie inferiore è maggiore e quindi agisce per “sollevare” la pala verso l’alto, quindi vogliamo rendere questa forza il più grande possibile. Quando le pale sono attaccate ad un asse centrale di rotazione, come il rotore di una turbina eolica, questa portanza si traduce in un movimento di rotazione.
A questa forza di sollevamento si oppone una forza di resistenza che è parallela alla direzione del movimento e causa una turbolenza intorno al bordo d’uscita della pala mentre taglia l’aria. Questa turbolenza ha un effetto frenante sulla pala, quindi vogliamo rendere questa forza di resistenza il più piccolo possibile. La combinazione di portanza e resistenza fa girare il rotore come un’elica.
I progetti di resistenza sono usati di più per i progetti di turbine eoliche verticali che hanno grandi pale a coppa o a forma curva. Il vento spinge letteralmente fuori le pale che sono attaccate a un albero centrale. I vantaggi delle pale del rotore progettato trascinamento è più lento velocità di rotazione e capacità di coppia elevata che li rende utili per il pompaggio dell’acqua e potenza macchine agricole. Ascensore turbine eoliche alimentato avendo una velocità di rotazione molto più alta di tipi di resistenza e quindi sono adatti per la generazione di energia elettrica.
– Numero di pale – Il numero di pale del rotore di un design turbina eolica ha è generalmente determinato dalla efficienza aerodinamica e il costo. La turbina eolica ideale avrebbe molte pale del rotore sottili, ma la maggior parte dei generatori eolici ad asse orizzontale hanno solo una, due o tre pale del rotore. Aumentando il numero di pale del rotore al di sopra di tre dà solo un piccolo aumento dell’efficienza del rotore, ma aumenta il suo costo, quindi più di tre pale di solito non sono necessarie, ma piccoli generatori di turbine a più pale ad alta rotazione sono disponibili per uso domestico. In generale, minore è il numero di pale, minore è il materiale necessario durante la fabbricazione, riducendo il loro costo complessivo e la complessità.
I rotori a una sola pala hanno un peso di contrappeso sul lato opposto del rotore, ma soffrono di un alto stress del materiale e delle vibrazioni a causa del loro movimento di rotazione non regolare della singola pala che deve muoversi più rapidamente per catturare la stessa quantità di energia eolica. Inoltre, con i rotori a una o due pale, la maggior parte del movimento dell’aria disponibile, e quindi l’energia eolica, passa attraverso l’area della sezione trasversale della turbina senza interagire con il rotore, diminuendone l’efficienza.
I rotori a più pale, d’altra parte, hanno un funzionamento di rotazione più regolare e livelli di rumore inferiori. Le velocità di rotazione e la coppia più basse sono possibili con i progetti a più pale, il che riduce le sollecitazioni nella trasmissione, con conseguente riduzione dei costi del cambio e del generatore. Tuttavia, i progetti di turbine eoliche con molte pale o pale molto larghe saranno soggetti a forze molto grandi in venti molto forti, motivo per cui la maggior parte dei progetti di turbine eoliche utilizzano tre pale del rotore.
– Un numero pari o dispari di pale del rotore? – Un progetto di turbina eolica che ha un numero “Pari” di pale del rotore, 2, 4 o 6, ecc, può soffrire di problemi di stabilità durante la rotazione. Questo perché ogni pala del rotore ha una pala esatta e opposta che si trova a 180o nella direzione opposta. Mentre il rotore ruota, nel momento in cui la pala più alta punta verticalmente verso l’alto (posizione a ore 12), la pala più bassa punta direttamente verso il basso di fronte alla torre di supporto della turbina. Il risultato è che la pala più alta si piega all’indietro, perché riceve la massima forza dal vento, chiamata “carico di spinta”, mentre la pala più bassa passa nella zona libera dal vento direttamente di fronte alla torre di supporto.
Questa flessione irregolare delle pale del rotore delle turbine (la più alta piegata nel vento e la più bassa dritta) ad ogni allineamento verticale produce forze indesiderate sulle pale del rotore e sull’albero del rotore poiché le due pale si flettono avanti e indietro durante la rotazione. Per una piccola turbina a pale rigide in alluminio o in acciaio questo potrebbe non essere un problema, a differenza delle pale più lunghe in plastica rinforzata con fibra di vetro.
Un progetto di turbina eolica che ha un numero “ODD” di pale del rotore (almeno tre pale) ruota più dolcemente perché le forze giroscopiche e di flessione sono più uniformemente bilanciate tra le pale aumentando la stabilità della turbina. Il design più comune delle turbine eoliche a pale dispari è quello della turbina a tre pale. L’efficienza di potenza di un rotore a tre pale è leggermente superiore a quella di un rotore a due pale di dimensioni simili e grazie alla pala aggiuntiva possono ruotare più lentamente riducendo l’usura e il rumore.
Inoltre, per evitare la turbolenza e l’interazione tra le pale adiacenti, la distanza tra ogni pala di un design a più pale e la sua velocità di rotazione dovrebbe essere abbastanza grande in modo che una pala non incontri il flusso d’aria disturbato e più debole causato dalla pala precedente che passa lo stesso punto appena prima. A causa di questa limitazione, la maggior parte delle turbine eoliche di tipo dispari hanno un massimo di tre pale sui loro rotori e generalmente ruotano a velocità più basse.
Generalmente, i rotori delle turbine a tre pale si integrano meglio nel paesaggio, sono esteticamente più attraenti e sono più efficienti dal punto di vista aerodinamico rispetto ai design a due pale, il che contribuisce al fatto che le turbine eoliche a tre pale sono più dominanti nel mercato della generazione di energia eolica. Anche se alcuni produttori producono turbine a due e sei pale (per le barche a vela). Altri vantaggi dei rotori a due (tre) pale sono un funzionamento più fluido, meno rumore e meno colpi d’uccello che compensano lo svantaggio dei costi più alti dei materiali. Il livello di rumore non è influenzato significativamente dal numero di pale.
– Lunghezza delle pale del rotore – Tre fattori determinano quanta energia cinetica può essere estratta dal vento da una turbina eolica: “la densità dell’aria”, “la velocità del vento” e “l’area del rotore”. La densità dell’aria dipende da quanto lontano si è sul livello del mare, mentre la velocità del vento è controllata dal tempo. Tuttavia, possiamo controllare l’area di rotazione delle pale del rotore aumentando la loro lunghezza, poiché la dimensione del rotore determina la quantità di energia cinetica che una turbina eolica è in grado di catturare dal vento.
Le pale del rotore ruotano intorno a un cuscinetto centrale formando un cerchio perfetto di 360o mentre ruota e come sappiamo dalla scuola, l’area di un cerchio è data come: π.r2. Così, come l’area spazzata del rotore aumenta, l’area che copre aumenta anche con il quadrato del raggio. Così, raddoppiando la lunghezza delle pale di una turbina si ottiene un aumento di quattro volte la sua area che permette di ricevere quattro volte più energia eolica. Tuttavia, questo aumenta notevolmente le dimensioni, il peso e infine il costo del progetto della turbina eolica.
Un aspetto importante della lunghezza delle pale è la velocità di rotazione della punta del rotore che risulta dalla velocità angolare. Più lunga è la lunghezza della pala della turbina, più veloce è la rotazione della punta per una data velocità del vento. Allo stesso modo, per una data lunghezza della pala del rotore, più alta è la velocità del vento, più veloce è la rotazione. Allora perché non possiamo avere un progetto di turbina eolica con pale del rotore molto più lunghe che operano in un ambiente ventoso producendo molta elettricità gratuita dal vento. La risposta è che c’è un punto in cui la lunghezza delle pale del rotore e la velocità del vento riducono effettivamente l’efficienza della turbina. Questo è il motivo per cui molti progetti di turbine eoliche più grandi ruotano a velocità molto più basse.
L’efficienza è una funzione della velocità di rotazione della punta del rotore per una data velocità del vento che produce un rapporto costante tra velocità del vento e punta chiamato “tip-speed ratio” ( λ ) che è un’unità adimensionale utilizzata per massimizzare l’efficienza del rotore. In altre parole, il “tip-speed ratio” (TSR) è il rapporto tra la velocità della punta della lama rotante in rpm e la velocità del vento in mph, e una buona progettazione della turbina eolica determinerà la potenza del rotore per qualsiasi combinazione di vento e velocità del rotore. Più grande è questo rapporto, più veloce è la rotazione del rotore della turbina eolica a una data velocità del vento. La velocità dell’albero che il rotore è fissato è data in giri al minuto (rpm) e dipende dalla velocità di punta e dal diametro delle pale della turbina.
La velocità di rotazione di una turbina è definita come: rpm = velocità del vento x rapporto di velocità di punta x 60 / (diametro x π).
Se il rotore di una turbina ruota troppo lentamente, permette a troppo vento di passare indisturbato, e quindi non estrae tanta energia quanta potrebbe. D’altra parte, se la pala del rotore ruota troppo velocemente, appare al vento come un grande disco circolare rotante piatto, che crea grandi quantità di resistenza e perdite di punta che rallentano il rotore. Perciò è importante far corrispondere la velocità di rotazione del rotore della turbina a una particolare velocità del vento in modo da ottenere l’efficienza ottimale.
I rotori delle turbine con meno pale raggiungono la loro massima efficienza a rapporti di velocità di punta più alti e generalmente, i progetti di turbine eoliche a tre pale per la generazione elettrica hanno un rapporto di velocità di punta tra 6 e 8, ma funzioneranno più dolcemente perché hanno tre pale. D’altra parte, le turbine utilizzate per applicazioni di pompaggio dell’acqua hanno un rapporto di velocità di punta inferiore tra 1,5 e 2 in quanto sono appositamente progettati per la generazione di coppia elevata a bassa velocità.
– Rotor Blade Pitch/Angle – design fisso pale del rotore delle turbine eoliche non sono generalmente dritto o piatto come ali aeroplano aerofoil, ma invece hanno una piccola torsione e conicità lungo la loro lunghezza dalla punta alla radice per consentire le diverse velocità di rotazione lungo la lama. Questa torsione permette alla pala di assorbire l’energia del vento quando il vento arriva da diversi angoli tangenziali e non solo in linea retta. Una pala del rotore dritta o piatta smetterà di dare portanza e può anche fermarsi (stallo), se la pala del rotore è colpita dal vento ad angoli diversi, chiamato “angolo di attacco” soprattutto se questo angolo di attacco è troppo ripido.
Pertanto, per mantenere la pala del rotore vedere un angolo di attacco ottimale aumentando la portanza e l’efficienza, le pale del design della turbina eolica sono generalmente contorte per tutta la lunghezza della pala. Inoltre, questa torsione nel design della turbina eolica mantiene le pale del rotore dalla rotazione troppo veloce in alta velocità del vento.
Tuttavia, per i progetti di turbine eoliche molto grandi utilizzati per la generazione di energia elettrica, questa torsione delle pale può rendere la loro costruzione molto complicata e costosa, quindi qualche altra forma di controllo aerodinamico viene utilizzata per mantenere l’angolo di attacco delle pale perfettamente allineato con la direzione del vento.
La potenza aerodinamica prodotta dalla turbina eolica può essere controllata regolando l’angolo di passo della turbina eolica in relazione all’angolo di attacco del vento mentre ogni pala viene fatta ruotare intorno al suo asse longitudinale. Quindi le pale del rotore con controllo del passo possono essere più piatte e più dritte, ma generalmente queste grandi pale hanno una torsione simile nella loro geometria, ma molto più piccola per ottimizzare il carico tangenziale sulla pala del rotore.
Ogni pala del rotore ha un meccanismo di torsione rotazionale, passivo o dinamico costruito nella radice della pala, che produce un controllo incrementale uniforme del passo lungo la sua lunghezza (torsione costante). La quantità di passo richiesta è solo pochi gradi, poiché piccoli cambiamenti nell’angolo di passo possono avere un effetto drammatico sulla potenza prodotta, poiché sappiamo dal precedente tutorial che l’energia contenuta nel vento è proporzionale al cubo della velocità del vento.
Uno dei maggiori vantaggi del controllo del passo delle pale del rotore è l’aumento della finestra della velocità del vento. Un angolo di passo positivo produce una grande coppia iniziale quando il rotore inizia a girare diminuendo la sua velocità del vento di taglio. Allo stesso modo, in alta velocità del vento, quando il limite di velocità massima dei rotori viene raggiunto, il passo può essere controllato per mantenere i giri dei rotori di superare il suo limite, riducendo la loro efficienza e l’angolo di attacco.
La regolazione della potenza di una turbina eolica può essere raggiunto utilizzando il controllo del passo sulle pale del rotore per ridurre o aumentare la forza di sollevamento sulle pale controllando l’angolo di attacco. Le pale del rotore più piccole ottengono questo risultato incorporando una piccola torsione nel loro design. Le turbine eoliche commerciali più grandi usano il controllo del passo sia passivo, con l’aiuto di molle centrifughe e leve (simili ai rotori degli elicotteri) o attivo usando piccoli motori elettrici incorporati nel mozzo delle pale per ruotarlo dei pochi gradi richiesti. I principali svantaggi del controllo del passo sono l’affidabilità e il costo.
– Costruzione delle pale – l’energia cinetica estratta dal vento è influenzata dalla geometria delle pale del rotore e determinare la forma e il design aerodinamicamente ottimale delle pale è importante. Ma oltre alla progettazione aerodinamica della pala del rotore, la progettazione strutturale è altrettanto importante. La progettazione strutturale consiste nella selezione del materiale della pala e nella sua resistenza, dato che le pale si flettono e si piegano a causa dell’energia del vento mentre ruotano.
Ovviamente, il materiale di costruzione ideale per una pala del rotore dovrebbe combinare le proprietà strutturali necessarie di un alto rapporto forza-peso, un’alta durata alla fatica, la rigidità, la sua frequenza naturale di vibrazione e la resistenza alla fatica insieme al basso costo e la capacità di essere facilmente formato nella forma desiderata del profilo aerodinamico.
Le pale del rotore delle turbine più piccole utilizzate nelle applicazioni residenziali che vanno dai 100 watt in su sono generalmente fatte di legno massiccio intagliato, di laminati di legno o di compositi di legno impiallacciato, nonché di alluminio o acciaio. Le pale del rotore in legno sono forti, leggere, economiche, flessibili e popolari nella maggior parte dei progetti di turbine eoliche fai-da-te perché possono essere facilmente realizzate. Tuttavia, la bassa resistenza dei laminati di legno rispetto ad altri materiali di legno lo rende inadatto per le pale con disegni sottili che operano ad alte velocità di punta.
Le pale di alluminio sono anche leggere, forti e facili da lavorare, ma sono più costose, facilmente piegabili e soffrono di fatica del metallo. Allo stesso modo, le pale in acciaio utilizzano il materiale più economico e possono essere formate e modellate in pannelli curvi seguendo il profilo richiesto del profilo del profilo aerodinamico. Tuttavia, è molto più difficile introdurre una torsione nei pannelli d’acciaio, e insieme alle scarse proprietà di fatica, il che significa che arrugginisce, significa che l’acciaio è usato raramente.
Le pale del rotore usate per la progettazione di turbine eoliche ad asse orizzontale molto grandi sono fatte di compositi plastici rinforzati con i compositi più comuni che consistono in compositi di fibra di vetro/poliestere, fibra di vetro/epoxy, fibra di vetro/poliestere e fibra di carbonio. I compositi in fibra di vetro e in fibra di carbonio hanno un rapporto resistenza alla compressione/peso sostanzialmente più alto rispetto agli altri materiali. Inoltre, la fibra di vetro è leggera, forte, poco costosa, ha buone caratteristiche di fatica e può essere utilizzata in una varietà di processi produttivi.
La dimensione, il tipo e la costruzione della turbina eolica di cui potresti aver bisogno dipende dalla tua particolare applicazione e dai requisiti di potenza. I progetti di turbine eoliche di piccole dimensioni variano da 20 watt a 50 kilowatt (kW) con turbine più piccole o “micro” (da 20 a 500 watt) da utilizzare in luoghi residenziali per una varietà di applicazioni come la generazione di energia elettrica per caricare le batterie e alimentare le luci.
L’energia eolica è tra le fonti di energia rinnovabile in più rapida crescita al mondo, in quanto è una risorsa energetica pulita e ampiamente distribuita che è abbondante, ha un costo zero del carburante, tecnologia di generazione di energia senza emissioni. La maggior parte dei moderni generatori eolici oggi disponibili sono progettati per essere installati e utilizzati in installazioni di tipo residenziale.
Come risultato, sono prodotti più piccoli e più leggeri permettendo loro di essere rapidamente e facilmente montati direttamente su un tetto o su un corto palo o torre. L’installazione di un generatore a turbina più recente come parte del vostro sistema di energia eolica domestico vi permetterà di ridurre la maggior parte dei costi più elevati di mantenimento e installazione di una torre di turbina più alta e costosa come avreste fatto in passato.
Nel prossimo tutorial sull’energia eolica, esamineremo il funzionamento e il design dei generatori a turbina eolica utilizzati per la generazione di elettricità come parte di un sistema di generazione a turbina eolica domestico.