MINI- E MICRO-EOLICO Scambio sul posto e incentivazione in conto energia con tariffa onnicomprensiva: le novità normative Tecnologie, prestazioni, prodotti.

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1 MINI- E MICRO-EOLICO Scambio sul posto e incentivazione in conto energia con tariffa onnicomprensiva: le novità normative Tecnologie, prestazioni, prodotti sul mercato Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano Mauro Andriollo,Università di Padova, DIE - Dipartimento di Energia Elettrica e-mail: mauro.andriollo@unipd.it Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano Mauro Andriollo,Università di Padova, DIE - Dipartimento di Energia Elettrica e-mail: mauro.andriollo@unipd.it

2 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità, riduzione perdite trasmissione,…)Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità, riduzione perdite trasmissione,…) Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola, integrazione con sistemi di accumulo)Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola, integrazione con sistemi di accumulo) Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili)Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili) Rumorosità in molti casi più limitataRumorosità in molti casi più limitata Collegamento alla rete (dove presente) più immediatoCollegamento alla rete (dove presente) più immediato Manutenzione più facileManutenzione più facile Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità, riduzione perdite trasmissione,…)Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità, riduzione perdite trasmissione,…) Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola, integrazione con sistemi di accumulo)Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola, integrazione con sistemi di accumulo) Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili)Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili) Rumorosità in molti casi più limitataRumorosità in molti casi più limitata Collegamento alla rete (dove presente) più immediatoCollegamento alla rete (dove presente) più immediato Manutenzione più facileManutenzione più facile Perché il mini- micro eolico?

3 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali ed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppo Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali ed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppo Crescita dellinteresse per sistemi con P n 40 kW in molti Paesi (Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati Uniti). Crescita dellinteresse per sistemi con P n 40 kW in molti Paesi (Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati Uniti). nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW (+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA) nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW (+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA) Esigenze di quality e safety labeling Esigenze di quality e safety labeling Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA) Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA) Integrazione in sistemi per produzione di energia elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira) Integrazione in sistemi per produzione di energia elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira) Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali ed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppo Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali ed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppo Crescita dellinteresse per sistemi con P n 40 kW in molti Paesi (Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati Uniti). Crescita dellinteresse per sistemi con P n 40 kW in molti Paesi (Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati Uniti). nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW (+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA) nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW (+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA) Esigenze di quality e safety labeling Esigenze di quality e safety labeling Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA) Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA) Integrazione in sistemi per produzione di energia elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira) Integrazione in sistemi per produzione di energia elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira) Le prospettive del mini- micro eolico?

4 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Crescita del minieolico negli USA e nel mondo USA n° unità al 2008 0-0.9kW1-10kW11-20kW21-100kWTotali In isola 6,706696007,402 In rete 02,82572872,984 Totali6,7063,521728710,386 kW al 2008 0-0.9kW1-10kW11-20kW21-100kWTotali In isola 2,784980003,764 In rete 06.6191,3315,66013,610 Totali2,7847,5991,3315,66017,374 Nel mondo al 2008 unitàkW In isola 13,9027,536 In rete 499226,065 Totali18,89433,601 (FONTE: AWEA 2008)

5 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Il minieolico negli USA (FONTE: AWEA 2008) 0 5000 10000 15000 20000 20082007200620052004200320022001 Vendite (x 10000 $)kWunità 14% crescita 78% crescita 73% crescita In rete In isola 0 2000 4000 6000 8000 10000 kW venduti negli USA Taglia delle turbine 0-0.9kW 2784 980 6,619 1331 5,660 1-10kW11-20kW21-100kW 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 21-100kW11-20kW1-11kW0-0.9kW 2006 2007 2008 Nuove installazioni (kW) Taglia delle turbine

6 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Il minieolico nel Regno Unito (fonte BWEA)

7 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Impianti nei Paesi Bassi da www.urbanwind.org Applicazioni in ambito urbano Installazione sul tetto di edifici o in spazi aperti (centri commerciali, parchi, scuole, …) Installazione sul tetto di edifici o in spazi aperti (centri commerciali, parchi, scuole, …) Tozzi Nord Ropatec

8 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche EolPower Gaia-Wind A/S Occupazione di spazio limitata Occupazione di spazio limitata Vicinanza alle utenze Vicinanza alle utenze Occupazione di spazio limitata Occupazione di spazio limitata Vicinanza alle utenze Vicinanza alle utenze Applicazioni per aree rurali o isolate Fortis Montana Jonica Impianti

9 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Fonte: Zephyr Corporation Piccole utenze pubbliche Utenze in aree remote Alimentazione autonoma dalla rete Integrazione con pannelli fotovoltaici, sistemi di accumulo (batterie) o di produzione acqua calda Altre applicazioni per …

10 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Integrazione con altre fonti (rinnovabili) per utenze isolate regolazione & conversione utenza turbina eolica panneli fotovoltaici gruppo elettrogeno collegamento CA o CC Small Wind Electric Systems U.S. Department of Energy - Energy Efficiency and Renewable Energy

11 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Mini-grids per aree commerciali o industriali Fonte: Cruz (CIEMAT) - EWEC 2007 3 ~3 ~ Utenza 1 Utenza 2 Rete Utenza n Studio di sistemi di distribuzione che utilizzano ununica linea DC (DC bus) ed un unico inverter Studio di sistemi di distribuzione che utilizzano ununica linea DC (DC bus) ed un unico inverter

12 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Integrazione con altre fonti e sistemi di accumulo (S.Papathanassiou E. Karamanou S. Papaefthymiou M. Papadopoulos Operating policies for hybrid wind-hydro power stations in island grids EWEC 2008) DDD Bacino a monte Bacino a valle Chiuse TurbinePompe parco eolico HPS Parco eolico Gruppi elettrogeni diesel Rete isolata Hybrid Power Station (HPS)

13 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Integrazione con altre fonti e sistemi di accumulo SOLUZIONE IMPIANTISTICA PER PICCOLE COMUNITÀ ~ ~ ~ H 2 H 2 G V,I, arm. sistema di supervisione ~ ~ ~ FUEL CELL ELETTROLIZZATORE GS 3~ M DC-link ±500 V cavobipolare X X X X X X X X LINEA MT GS 3~ STOCCAGGIO IDROGENO POMPAGGIOIDROELETTRICO(REVERSIBILE) MICROTURBINE FOTOVOLTAICO EOLICO ~ ~ ~ ~ ~ ~

14 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Vantaggio economico dellenergy storage: minore impatto delle condizioni meteo Andamento del prezzo spot dellenergia elettrica in Danimarca nel gennaio 2005 (Renewable Electricity and the Grid, ed. da G. Boyle –EARTHSCAN) v25 m/s v>25 m/s

15 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Ad impulso (drag) Aerodinamiche (lift) Savonius Asse verticaleAsse verticale Pale distribuite su tutta larea spazzataPale distribuite su tutta larea spazzata Massima resistenza al vento incidenteMassima resistenza al vento incidente Bassa efficienza ( 19%)Bassa efficienza ( 19%) DarrieusGiromillTripala Asse orizzontale o verticale (tipo Darrieus o sue varianti)Asse orizzontale o verticale (tipo Darrieus o sue varianti) Pale che coprono solo una piccola parte dellarea spazzataPale che coprono solo una piccola parte dellarea spazzata Forza verticale prodotta dal flusso del vento attorno le paleForza verticale prodotta dal flusso del vento attorno le pale Alta efficienza di conversione (max teorica 59%)Alta efficienza di conversione (max teorica 59%) Asse verticale applicato in genere per piccole potenzeAsse verticale applicato in genere per piccole potenze Turbine eoliche - classificazione fatta in base al meccanismo di trasformazione dellenergia cinetica del vento (definisce le prestazioni ed il campo di applicazione)

16 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche A t v1v1 v2v2 Frazione della potenza incidente che viene catturata (rimanente persa a valle)Frazione della potenza incidente che viene catturata (rimanente persa a valle) Valore massimo teorico (limite di Betz) C pM0 = 0.59Valore massimo teorico (limite di Betz) C pM0 = 0.59 A causa di molteplici fattori (es.v 1 cost) C pM < C pM0A causa di molteplici fattori (es.v 1 cost) C pM < C pM0 Dipendenza anche da: velocità di rotore, angolo di passo delle pale (asse orizzontale)Dipendenza anche da: velocità di rotore, angolo di passo delle pale (asse orizzontale) Coefficiente di potenza C p Area spazzata dalla turbinaArea spazzata dalla turbina Asse orizzontale A = R 2 (R: raggio della pala) Asse orizzontale A = R 2 (R: raggio della pala) Asse verticale (Darrieus) A 2/3 R H (R: max raggio, H: altezza del rotore) Asse verticale (Darrieus) A 2/3 R H (R: max raggio, H: altezza del rotore) Densità dellaria (-20% di resa ad unaltezza di 2000 m rispetto al livello del mare)Densità dellaria (-20% di resa ad unaltezza di 2000 m rispetto al livello del mare) Altezza del rotore (effetto suolo sulla distribuzione verticale della velocità)Altezza del rotore (effetto suolo sulla distribuzione verticale della velocità) Presenza di ostacoli (condizioni di turbolenza)Presenza di ostacoli (condizioni di turbolenza) Altri fattori Potenza estraibile da una turbina 1 pt CvAP 3 1 2

17 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Coefficiente C p per diversi tipi di turbina Curva limite di Betz Solo le turbine ad asse orizzontale si avvicinano ai limiti massimi teorici dellefficienzaSolo le turbine ad asse orizzontale si avvicinano ai limiti massimi teorici dellefficienza Rotori Savonius o multipala americana forniscono alte coppie a bassa velocità (rinforzo materiali, peso)Rotori Savonius o multipala americana forniscono alte coppie a bassa velocità (rinforzo materiali, peso) Correlazione ott (corrispondente al max C p ) e rumorosità della turbinaCorrelazione ott (corrispondente al max C p ) e rumorosità della turbina = v p / v = ·R / v Velocità di rotazione [rad/s] 024681012141618 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Tip speed ratio Coefficiente di potenza 0.0 Savonius Darrieus Tri-pala Bi-pala Mono-pala Multi-pala (americana)

18 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Funzionamento indipendente dalla direzione del vento possono operare anche in condizioni di vento turbolento Possibilità di avere altezze di rotore più basse (rispetto ad asse orizzontale) manutenzione più facile sulle apparecchiature elettriche Bassa velocità di inizio funzionamento (cut-in) possibilità di sfruttare venti deboli Basso impatto acustico e visivo adatte alluso in ambito residenziale TipoSavoniusDarrieus Rendimento rotore [%] 19-2330-40 Densità di potenza [W/m 2 ] 175 (Windside)470 (Turby) Emissione sonoraTrascurabile Apprezzabile per quella tradizionale Velocità massima Non dipendente dalla turbina Limiti stringenti sulla forza centrifuga Tipo avviamentoAuto-avviante Avviamento da rete o con turbina ausiliaria Zona favorevole [m/s] Edificio Fonte: Delft Outlook Turbine ad asse verticale

19 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Rotore tripala Generatore elettrico Torre (eventualmente reclinabile) Coda con meccanismo di imbardata Sono i più diffusi con potenza che varia da centinaia di W fino a 50 kW Installazione su torre (maggiore velocità del vento, minore turbolenza), mentre sul tetto è limitata a piccole potenze (problemi di vibrazioni) Uso di rotori sopravento o sottovento Regolazione attiva del passo delle pale e dellimbardata in genere per potenze più elevate (>10 kW) Possibilità di controllare la potenza alle alte velocità sfruttando la deformazione delle pale (aerodynamic stall effect) o sistemi tilt-up Sopravento Assenza effetto ombra della torre (minor rumore, sollecitazioni sulle pale, erogazione potenza più stabile) Sotto- vento Assenza di meccanismo dimbardata (maggiore semplicità costruttiva, maggiore flessibilità delle pale, minor peso) Turbine ad asse orizzontale

20 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche % potenza nominale velocità del vento v 100 80 60 40 20 0 v cut-in v nom v cut-out v cut-in = velocità di inizio funzionamento (cogging, bassa efficienza con bassi carichi, meccanismo lancio turbina…)v cut-in = velocità di inizio funzionamento (cogging, bassa efficienza con bassi carichi, meccanismo lancio turbina…) v cut-out = velocità di esclusione dellaero- generatore per proteggere rotore ed componenti elettrici (frenatura elettrica su resistenza o cortocircuito, frenatura meccanica, furling)v cut-out = velocità di esclusione dellaero- generatore per proteggere rotore ed componenti elettrici (frenatura elettrica su resistenza o cortocircuito, frenatura meccanica, furling) 1)Funzionamento a C p =C p,max =cost. (variazione proporzionale a v, regolazione corrente e coppia e.m., P v 3 ) 2)Funzionamento con =cost. (C p < C p,max potenza cresce con tasso inferiore, corrente e coppia e.m. crescenti) 3)Funzionamento sopra la velocità nominale a potenza P=cost. o decrescente per proteggere generatore ed elettronica di potenza uso di sistemi attivi (regolazione passo, regolazione imbardata, frenatura) o passivi (stallo aerodinamico con pale flessibili o tilt-up) 3 C p = cost 1 2 = cost = cost Caratteristica potenza-velocità del vento

21 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Frequenza velocità del vento [h/anno/(m/s)] Frequenza densità di energia [kWh/anno/(m/s)] Velocità nominale 9.45 m/s Velocità media 6.35 m/s Velocità vento [m/s] [h/anno] Velocità nominale corrispondente alla punto di max densità di energiaVelocità nominale corrispondente alla punto di max densità di energia Basso contributo energetico alla velocità mediaBasso contributo energetico alla velocità media Anche se meno probabili, le alte velocità danno un significativo contributo energeticoAnche se meno probabili, le alte velocità danno un significativo contributo energetico Misure della velocità del vento su un arco temporale ampio (>1 anno per variazioni climatiche stagionali)Misure della velocità del vento su un arco temporale ampio (>1 anno per variazioni climatiche stagionali) Distribuzione statistica di Weibull: h(v) = (n.ore annue in cui v* v v* + v) / vDistribuzione statistica di Weibull: h(v) = (n.ore annue in cui v* v v* + v) / v Valutazione della resa energetica

22 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Generatore sincrono sincrono carico controlloACDCDCAC Convertitorebi-stadio Generatore sincrono a magnete permanente (MP) accoppiato direttamente alla turbina e interfacciato al carico-rete attraverso un convertitore bi-stadio (eventualmente back- to-back) che gestisce lintera potenza Sistemi a velocità variabileSistemi a velocità variabile massimizzazione della potenza di uscita massimizzazione della potenza di uscita controllabilità delle grandezze di uscita (generazione più uniforme, minori sollecitazioni meccaniche) controllabilità delle grandezze di uscita (generazione più uniforme, minori sollecitazioni meccaniche) Assenza del moltiplicatore (migliore rendimento, minor numero di componenti nella catena cinematica, maggiore affidabilità, minore manutenzione)Assenza del moltiplicatore (migliore rendimento, minor numero di componenti nella catena cinematica, maggiore affidabilità, minore manutenzione) Impiego di magneti permanenti a terre rare (migliore efficienza, maggiore densità di potenza e robustezza)Impiego di magneti permanenti a terre rare (migliore efficienza, maggiore densità di potenza e robustezza) Sistemi di generazione direct-drive

23 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Turby Aeromax Linee di flusso uscenti radialmente dai MP sul rotore che si richiudono nello statore in piani paralleli alla direzione di rotazione Rotore interno o esternoRotore interno o esterno Magneti superficiali o interniMagneti superficiali o interni Avvolgimento tradizionale a passo raccorciato o a passo frazionario (bobine concentrate)Avvolgimento tradizionale a passo raccorciato o a passo frazionario (bobine concentrate) Statore laminato con cave aperte o semichiuseStatore laminato con cave aperte o semichiuse Rotore massiccio o laminato (attenuazione perdite causate dalla reazione dindotto)Rotore massiccio o laminato (attenuazione perdite causate dalla reazione dindotto) ©Sachs Generatore a MP a flusso radiale

24 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Linee di flusso uscenti dai MP sul rotore che si sviluppano parallelamente allasse di rotazione rotor End-windings MP rotor Tipo N-STipo N-N A singolo rotore e statore, a doppio rotore esterno o a doppio statore esternoA singolo rotore e statore, a doppio rotore esterno o a doppio statore esterno Statore toroidale (tipo N-N) o a disco (tipo N-S)Statore toroidale (tipo N-N) o a disco (tipo N-S) Nucleo di statore con cave, senza cave (slotless) o non magnetico (ironless)Nucleo di statore con cave, senza cave (slotless) o non magnetico (ironless) Costruzione ed assemblaggio in genere più complicati rispetto al flusso radiale e problema forze di attrazione assiale (con cave)Costruzione ed assemblaggio in genere più complicati rispetto al flusso radiale e problema forze di attrazione assiale (con cave) Possibilità di configurazioni a più moduliPossibilità di configurazioni a più moduli Tipo N-N (40 kW) 415 mm Generatore a MP a flusso assiale

25 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Dimensionamento elettromagnetico ottimizzato di generatori sincroni a magneti permanenti con configurazioni innovative Dimensionamento elettromagnetico ottimizzato di generatori sincroni a magneti permanenti con configurazioni innovative Simulazione sistema turbina – generatore – convertitore Simulazione sistema turbina – generatore – convertitore Caratteristica della potenza in funzione della velocità del vento Caratteristica della potenza in funzione della velocità del vento Definizione della strategia di controllo (con e senza anemometro) Definizione della strategia di controllo (con e senza anemometro) Analisi con turbolenza Analisi con turbolenza Misure e test su prototipi di piccola potenza Misure e test su prototipi di piccola potenza Partecipazione progetti di ricerca nazionali (PRIN 2005 con Politecnico di Milano, Università di Napoli e Cassino) Partecipazione progetti di ricerca nazionali (PRIN 2005 con Politecnico di Milano, Università di Napoli e Cassino) Contratti di ricerca con aziende (progettazione, consulenza sviluppo prodotto, redazione cataloghi, corsi formazione, ricerche bibliografiche) Contratti di ricerca con aziende (progettazione, consulenza sviluppo prodotto, redazione cataloghi, corsi formazione, ricerche bibliografiche) Attività del Laboratorio Macchine Elettriche Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE)

26 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Generatore a MP DC link Controllo lato generatore Controllo lato rete Turbina ad asse verticale Convertitore bi-stadio back-to-back Rete Progettazione e sviluppo affidato al Laboratorio Macchine Elettriche del DIE (UniPD) in collaborazione con Magnetic SpA (costruttore) Collaborazione con Tozzi Nord Wind Turbines

27 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Generatore a rotore interno Elevata automazione a livello costruttivo Basso cogging Raffreddamento aria naturale Peso ridotto Generatore per turbina Tozzi Nord

28 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Test su banco delle prestazioni del generatore Prove con: carico nominale simulato collegamento ad inverter frenatura reostatica collegamento in cortocirc.

29 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Flusso radiale a rotore esterno Rotore (anello) MP Bobine Analisi di configurazioni magnetiche innovative Flusso assiale double-side Rotori (disco) MP Bobine

30 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Analisi turbina ad asse orizzontale di potenza 20 kW Analisi turbina ad asse orizzontale di potenza 20 kW Valutazione influenza delle dimensioni dei MP sullenergia erogata W L e sullenergia W em che deve smaltire il sistema di raffreddamento Valutazione influenza delle dimensioni dei MP sullenergia erogata W L e sullenergia W em che deve smaltire il sistema di raffreddamento 4.0 5.0 6.0 7.0 Spessore magnete [mm] 33 34 35 36 37 38 39 Larghezza magnete [mm] A B C 58 56 54 52 10.0 9.4 8.8 8.2 7.6 W L [MWh/anno] W em /W L [%] fino a +13.5% di energia netta erogata fino a +3% di efficienza energetica Convenienza incremento spessore dei MP Valutazione produzione energetica

31 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Utilizzo di uno schema circuitale integrato (modello turbina + modello del generatore + modello convertitore/carico) Utilizzo di uno schema circuitale integrato (modello turbina + modello del generatore + modello convertitore/carico) Tecnica MPPT (maximum power point tracking) per il controllo della corrente erogata (bilancio delle coppie nel punto di massimo coefficiente di potenza) Tecnica MPPT (maximum power point tracking) per il controllo della corrente erogata (bilancio delle coppie nel punto di massimo coefficiente di potenza) Controllo dellangolo di passo (turbina ad asse orizzontale) per avere minime sollecitazioni sullattuatore (maggiore affidabilità) Controllo dellangolo di passo (turbina ad asse orizzontale) per avere minime sollecitazioni sullattuatore (maggiore affidabilità) Algoritmo sensorless che non richiede luso di anemometro Algoritmo sensorless che non richiede luso di anemometro Stima delle grandezze meccaniche e della velocità del vento misurando solo grandezze elettriche (riduzione costo e incertezza segnali di misura) Stima delle grandezze meccaniche e della velocità del vento misurando solo grandezze elettriche (riduzione costo e incertezza segnali di misura) Curve a regime Risposta al gradino Strategia di controllo

32 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Attività nel megaeolico Dimensionamento preliminare di generatori a flusso radiale ed assiale Dimensionamento preliminare di generatori a flusso radiale ed assiale Avvolgimenti a stella multipla e n° cave/polo-fase frazionario Avvolgimenti a stella multipla e n° cave/polo-fase frazionario Valutazione degli sforzi assiali e della coppia torcente in macchine a flusso assiale in presenza di asimmetrie Valutazione degli sforzi assiali e della coppia torcente in macchine a flusso assiale in presenza di asimmetrie Induzione a vuoto, a carico ed in corto circuito in un generatore a flusso radiale

33 Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nellambiente costruito urbano M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche Potenzialità di sfruttamento della fonte eolica su impianti di potenza medio- piccola (miglioramento della tecnologia, evoluzione della normativa e certificazione, nuove forme di incentivazione) Potenzialità di sfruttamento della fonte eolica su impianti di potenza medio- piccola (miglioramento della tecnologia, evoluzione della normativa e certificazione, nuove forme di incentivazione) Diffusione applicazioni anche in ambito urbano (produzione/consumo on-site, riduzione bolletta, nuova taglia certificati verdi 1 MWh) Diffusione applicazioni anche in ambito urbano (produzione/consumo on-site, riduzione bolletta, nuova taglia certificati verdi 1 MWh) Miglioramento affidabilità (qualità ed innovazione dei componenti, integrazione ottimizzata turbina-generatore-convertitore non semplice assemblaggio) Miglioramento affidabilità (qualità ed innovazione dei componenti, integrazione ottimizzata turbina-generatore-convertitore non semplice assemblaggio) Ricerca in ambito accademico a livello avanzato Ricerca in ambito accademico a livello avanzato Configurazioni innovative del generatore Configurazioni innovative del generatore Simulazione preventiva del funzionamento dellimpianto e della produzione energetica Simulazione preventiva del funzionamento dellimpianto e della produzione energetica Definizione della strategia di controllo Definizione della strategia di controllo Conclusioni