Il controllo nei sistemi eolici

 

Le fonti non rinnovabili sono le prime fonti di energia utilizzate nel mondo, ma come sappiamo esistono diverse alternative, che a volte o per scelte politiche o per interessi economici non vengono sviluppate. Nel corso degli anni, l’andamento incerto del mercato del barile, ha portato le grandi potenze economiche mondiali ad adottare politiche indirizzate verso il rinnovabile.

Lo sviluppo di sistemi in grado di catturare energia dal vento, dal sole, dalle maree, dal calore geotermico e così via, ha portato un cambiamento radicale anche al pensiero di ogni singolo cittadino.

L’energia eolica copre una grossa fetta del rinnovabile nel mondo. Sofisticate tecniche di costruzione, materiali all’avanguardia e studi sulla aerodinamicità, sono fattori che hanno portato uno sviluppo non solo commerciale ma anche efficiente. Prima di decidere se un determinato luogo è adatto a poter accogliere un parco eolico, per anni vengono effettuate milioni e milioni di prelievi di dati da sensori. Se l’esito dell’elaborazione di tutti questi prelievi risulta positivo vengono avviate tutte le pratiche per la messa in opera dell’impianto. Un parco eolico è composto da un numero determinato di pale eoliche, ossia strutture dotate di un generatore, a cui sono collegati da 2 a più pale, posto ad una determinata altezza di una torre.

Come funzionano

Ma come funzionano tali sistemi? Come siamo in grado di recuperare energia elettrica dalla forza prodotta dal vento?

Il funzionamento di base è semplice:

Tutti i motori sono delle macchine in grado di trasformare energia elettrica in energia meccanica rotazionale. Ma nel caso in cui forniamo energia meccanica si è in grado di recepire energia elettrica?

Certo che si, è il funzionamento di un classico generatore di corrente elettrica.

L’energia meccanica è impressa dalle pale collegate all’albero, le quali sono azionate dal vento che le “spinge”.

Il funzionamento fisico di come funziona varia in base al tipo di generatore utilizzato. L’energia elettrica ricavata dal generatore viene dato in ingresso ad un adattatore di rete e in seguito tale segnale viene trattato per essere prima immagazzinato in accumulatori e poi inserito nella rete di distribuzione d’utenza.

La necessità del controllo

Perché vengono studiati sistemi di controllo per i sistemi eolici?

Come abbiamo visto prima, il funzionamento di base, apparentemente molto semplice, nasconde dei tabù da svelare. In effetti per la produzione ottima di energia elettrica non basta mettere in movimento l’albero motore per mezzo delle pale. Molte volte per raggiungere il valore ottimo di produzione di energia è preferibile bloccare la rotazione dell’albero.

Per spiegare questo fenomeno vorrei proporre un esempio :

Immaginate una giornata molto ventosa, il buon senso comune fa una osservazione del tipo:

“Più vento tira più energia produce”;

in realtà tale osservazione è valida in un limite ben definito .

A rotazioni molto elevate dell’albero motore si potrebbero verificare dei guasti non solo alla struttura meccanica ma anche a quella elettrica di tutto il sistema.

Il controllo è necessario anche per un altro motivo.

Bisogna tenere in considerazione due elementi C_p e  \lambda .

Partiamo considerando che  \lambda ,  è una costante direttamente proporzionale

  • alla velocità rotazionale(\omega)
  • al raggio della turbina(R),

e inversamente proporzionale

  • alla velocità del vento(V)
\lambda = \frac{\omega * R}{V} (1)

Il coefficiente C_p dipende da lambda dalla seguente relazione:

C_p= c_1 + \left ( \frac{c_2}{\lambda_1} - c_3 \right ) e^{\frac{c_4}{\lambda_1}} (2)

dove

 \frac{1}{\lambda_1} = 1.333\left ( \frac{1}{\lambda} - 0.035 \right )

Il termine C_p tiene conto di tutte le sfumature aerodinamiche della pala.

L’obbiettivo di controllo è mantenere C_p massimo, di conseguenza si ritrova il\lambda ottimo dalla relazione (2), e da qui la velocità di rotazione ottima attraverso la (1).

Il grafico \frac{C_p}{\lambda}:

 

Abbiamo bisogno del C_p massimo, poichè il C_p rappresenta in sostanza “la quantità di energia meccanica in relazione alla struttura aerodinamica della pala”, ossia massimizzando tale valore sfruttiamo al meglio la spinta del vento sulle pale della turbina eolica.

 

Situazione in Italia

In Italia i primi sistemi eolici sono stati installati nel 1990, e il primo prototipo di aerogeneratore fu installato nel 1989 ad Alta Nurra in Sardegna. Oggi hanno avuto uno sviluppo esponenziale che ha portato ad accrescere questo mercato. Secondo le analisi svolte dall’ENEA i migliori punti in Italia per sfruttare al massimo questa tecnologia si trova al ridosso del crinale appenninico sopra i 600 metri di altitudine, quindi nelle regioni di Basilicata, Puglia, Molise e Campania.

In seguito una tabella riepilogativa:

Riferimenti:

  • V. Cicogna “Controllo ad orientamento di campo per generatori sincroni a magneti permanenti di turbine eoliche” – 2011 Università politecnica delle marche
  • OPUSCOLO ENEA

 

Vincenzo Cicogna on FacebookVincenzo Cicogna on GithubVincenzo Cicogna on LinkedinVincenzo Cicogna on TwitterVincenzo Cicogna on Youtube
Vincenzo Cicogna
Editore e autore di questo blog di notte, sviluppatore software per sistemi embedded di giorno, passa il suo tempo a dilettarsi ed approfondire le dinamiche del mondo.
Appassionato di droni e tuttala, si diletta di tanto in tanto a scattare qualche foto in giro per il mondo o a leggere qualche libro.
Ama viaggiare, fotografare e condividere le sue produzioni.
Tags:
By Vincenzo Cicogna | gennaio 16th, 2012 | SHOW COMMENTS (7)

7 Responses

  1. Valerio says

    Dispongo di diversi magneti permanenti ricavati dallo smontaggio di hard disk vogliamo utilizzarli in un progetto di micro generatore eolico da utilizzare in stand alone per caricare batterie utiizzo sportivo siamo un’associazione onlus di san gillio Facebook: garperigiovani…… assoeeffe

    • Automazione Open Source
      Automazione Open Source says

      Purtroppo non sono sufficienti i magneti permanenti, hai bisogno anche di una board dotata di Microcontrollore in grado di gestire il controllo per la carica delle batterie.
      La board potrebbe essere anche un Arduino.

  2. Il controllo nei sistemi eolici | Automazione Open Source ~ Attacco Solare ENERGIA! says

    […] L'energia eolica copre una grossa fetta del rinnovabile nel mondo. Sofisticate tecniche di costruzione, materiali all'avanguardia e studi sulla aerodinamicità, sono fattori che hanno portato uno sviluppo non solo commerciale … Leggi fonte notizia: […]

  3. Kobrabyte says

    Ciao ragazzi vi ringrazio per il commento,

    1)allora rispondo prima a Cristian dicendo che l’obbiettivo del post era dare una prospetto generale su perchè controllare un sistema eolico e in pratica come funziona, prenderò il tuo commento e ne trarrò qualche altro articolo che metta in discussione i costi di realizzazione e il rendimento… Te lo segnalo appena va online 😉 GRAZIE per il suggerimento

    2)Passiamo ora a PIERPANDA:
    Il lambda, da come spiegato nell’articolo, è un coefficiente che indica la tip-speed-ratio dell’albero e dipende dalla velocità di rotazione dell’albero, dal raggio della pala e dalla velocità del vento. Quindi aumentando tale valore(lambda) significa sollecitare queste tre grandezze, a lambda elevate corrispondo velocità rotazionali dell’asse elevate. Viene ricavato questo termine per indicare la velocità della pala in relazione ad un agente esterno(il vento) e ad una caratteristica fisica della pala (il raggio).
    Il Cp invece indica il coefficiente di Potenza che è in funzione di lambda Cp(lambda) e dipende dalla struttura aerodinamica della pala.

    Spero di aver chiarito un pochettino e di non aver scritto scemenze 😀

  4. PIERPANDA says

    Ho letto l’articolo. Molto interessante. L’unica cosa, cosa intendi con Cp? e con lambda?

  5. Cristian says

    Secondo me manca soltanto un esempio lampante di quanto costa un impianto eolico comparato con gli altri, almeno da far comprendere “alla massa” il topic, la tabella non spiega abbastanza…
    Stessa cosa per il rendimento di tale sistema in termini numerici (a quanto ricordo il rendimento max è circa il 35% del vento totale che prende “in input”) 😉

  6. Automazione Open Source via Facebook says

    Se non vi è chiaro qualcosa commentate pure saremo ben disposti ad approfondire con voi … 🙂