PROSPETTIVE PER LA DIFFUSIONE DEL MINI-EOLICO: LESEMPIO DEL GENERATORE DA 5 kW PROGETTATO AL DPA Domenico P. Coiro, U. Maisto, F. Scherillo - - Masse aggiuntive per il controllo passivo (Passive Stall Control) Spaccato del mozzo Simulazione della risposta dinamica del sistema per unassegnata legge temporale della raffica (tempo in secondi sulle ascisse) Dipartimento di Progettazione Aeronautica Università di Napoli Federico II DESIGN AERODINAMICO Lobiettivo del design aerodinamico è quello di progettare pale per aerogeneratori caratterizzate da unelevata 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 laerogeneratore fosse in grado non solo di produrre 5 kW con una velocità (V 0 ) 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 sullasse del rotore. IL MINI-EOLICO ED IL GENERATORE DA 5 kW PROGETTATO AL DPA Tra le fonti rinnovabili, limpiego dellenergia 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 lutente 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 allutente 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 lanno 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 unaltezza 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, laffidabilità e lefficienza dellimpianto e la sua semplicità costruttiva. Disegno CAD 3D della pala SISTEMA DI CONTROLLO DEL NUMERO DI GIRI ED ANALISI DINAMICA Laerogeneratore 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 leffetto 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. Leffetto 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 nellintervallo stabilito del numero di giri. Particolare attenzione è stata posta alla posizione dellasse di cerniera rispetto al quale ruota la pala. La posizione finale di tale asse è stata determinata sia attraverso lanalisi della risposta dinamica del sistema sia attraverso lanalisi del flutter. Per effettuare lanalisi della risposta dinamica è stato necessario calcolare sia landamento del momento aerodinamico della singola pala rispetto allasse di beccheggio sia la coppia motrice aerodinamica agente sul rotore al variare dellangolo di pitch, della velocità del vento e della velocità angolare Ω del rotore. Per lanalisi 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 lausilio dei codici descritti si è determinato, in maniera iterativa, la migliore posizione dellasse di pitch nonché la disposizione dei vari profili lungo lapertura 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 lutilizzo 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 nellipotesi di non linearità geometrica. Il dimensionamento strutturale della parte rotorica è stata effettuata per un carico assiale di N ed un carico flessionale di 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 ( Hz) Andamento dellefficienza in funzione del TSR ( W R/V 0 ) Potenza in funzione del numero di giri del rotore al variare della velocità del vento 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