STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UN AEROGENERATORE AD ASSE VERTICALE DI CONCEZIONE

INNOVATIVA

ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

Corso di Laurea Ingegneria Meccanica

Tesi di Laurea in Disegno Tecnico Industriale

Candidato: Relatore:

Luca Pontellini Chiar.mo Prof. Luca Piancastelli

Correlatori:

Prof. Ing. Gianni Caligiana

Prof. Ing. Alfredo Liverani

Anno accademico 2010/2011I sessione

OBIETTIVO DELLA TESI

Sviluppare una possibile configurazione per un aerogeneratore ad asse verticale, cercando di rispettare le seguenti specifiche:

Potenza nominale di 100 kW con un vento di 16 m/s

Evitare le fondamenta, che richiedono grossi esborsi iniziali e di smantellamento per ripristinare il sito allo stato iniziale

Evitare trasporti eccezionali

limitazione dimensionale: 10 m

Progettare una soluzione di facile assemblaggio e manutenzione

Proporre un aspetto gradevole

LO SVILUPPO DELL’ EOLICO

Negli ultimi 15 anni si è osservata una crescita

esponenziale di impianti eolici, settore dominato da

macchine ad asse orizzontale dello stesso tipo

che presentano alcuni problemi

necessità di diversificare e ampliare l’offerta di aerogeneratori per il

mercato.

[Dati EWEA The European Wind Energy Association]

PROBLEMI PALE AD ASSE ORIZZONTALE

rumore dovuto alle pale, che passano ciclicamente davanti la torredi sostegno, e al moltiplicatore di giri

altezza da terra della navicella elevata che crea problemi per lamanutenzione e il pericolo di essere colpita da fulmini, causa difrequenti cortocircuiti

molte parti in movimento e alte probabilità di guasto per le elevatesollecitazioni

costi di installazione elevati: per unarealizzazione tradizionale ammontano adun 20÷25% della spesa iniziale ecomprendono anche le fondamenta e iltrasporto

costi di smantellamento elevati perrimuovere le fondamenta

necessità di un dispositivo di orientamentoche incrementa i costi

TECNOLOGIA AD ASSE VERTICALE

presentano il generatore in basso,vicino al terreno facilitando leoperazioni di manutenzione

bassa produzione di rumore infattile pale sono sempre alla stessadistanza dalla torre di sostegno

minori costi iniziali poiché mancaun sistema di orientamento dellamacchina

minor probabilità di essere colpite daun fulmine

minori parti in movimento e minoripossibilità di guasto

DARRIEUS A PALE RETTILINEE

Per garantire una soluzione aiproblemi precedenti si sceglie diadottare la tecnologia ad asseverticale, in particolare si sceglieuna Darrieus, che sfruttando leforze di portanza, è l’unica agarantire prestazioni elevate. Tresono le tipologie di turbineDarrieus

Si adotta la tipologia a palerettilinee per la facilità direalizzazione, che comportacosti minori e per la possibilitàdi dotare in futuro la pala diflap mobili utili nelle fasi diavviamento e frenata

MODELLO MATEMATICO

Per prevedere le prestazioni dell’aerogeneratore e giungere alledimensioni ottimali, si utilizza la teoria “BEM” (Blade ElementMomentun), nella versione proposta da Strickland.

Il modello matematico, piuttosto laborioso, consiste nel suddividereil volume occupato dal rotore in tanti tubi di flusso e applicare inognuno:

la conservazione della quantità di moto

le regole dell’aerodinamica classica per determinare portanza eresistenza del profilo

definire un fattore di interferenza da valutare tramite iterazionisuccessive, che rappresenta il rallentamento della vena fluidadurante l’attraversamento del rotore, parametro necessario per ledue relazioni sopra

È stato necessario ricorrere ad un computer

PROGRAMMA

il codice tiene conto della distribuzione di velocità con la quotaper effetto dello strato limite e della variazione delle prestazionidel profilo palare al variare del numero di Reynolds

trascura lo stallo dinamico e la tridimensionalità della pala, effettiche in parte si compensano tra loro

non considera la resistenza aerodinamica dei bracci di sostegno,quindi i risultati numerici saranno leggermente superiori allarealtà

È stato sviluppato un codice che in base alle dimensioni del rotore ealla velocità del vento restituisce la potenza e la coppia generata.

VALIDITÀ DEL PROGRAMMA

Turbina Marsta Simulazione turbina Marsta

Per valutare la bontà del programma si sono confrontati i risultati delle simulazioni, con valori sperimentali.

Risposta alla variazione della velocità angolare

IL PROGRAMMA RISULTA VALIDO

PARAMETRI DIMENSIONALI

profilo: NACA 0018 (spessore maggiore tra quelli consigliati)

corda media profilo: 0.65 m

quota minima centro rotore: 7 m

altezza rotore: 8 m

diametro rotore: 12 m

numero pale: 3

Dopo diversi tentativi si è giunti alle dimensioni che ottimizzano le prestazioni:

Senza attriti si generano 116 kW con un vento di 16 m/s e 70 rpm

PRIMA VERSIONE: BASE

eliminazione della torre centrale di sostegno, che pregiudica il funzionamento delle pale sottovento, mantenendo un basamento in cemento di ridotte dimensioni, cavo internamente, per contenere il generatore

piastra circolare di appoggio per una guida circolare di diametro di 4 m realizzata in 4 parti componibili

PRIMA VERSIONE: ROTORE

Rotore realizzato con tre bracci in profilato a sezione rettangolare

tre carrelli posizionati sotto il rotore svolgono la funzione di centraggio, di sostegno e di sicurezza grazie ad una contro-ruota

PRIMA VERSIONE COMPLETA

profilati non aerodinamici

struttura dei bracci debole

assenza copertura guida circolare

difficoltà di manutenzione del generatore che necessita il sollevamento di tutto il rotore

difficoltà nel garantire concentricità tra albero generatore e rotore

eliminazione torre centrale

semplicità di assemblaggio

rispettata la limitazione dimensionale dei 10 m (maxdimensione: 9,4 m pale in carbonio )

Pregi

Difetti

SECONDA VERSIONE:BASE

in sostituzione del basamento in cemento, tre lunghi piedi che andranno sotterrati su cui posizionare dei contrappesi

piastra di appoggio su cui assemblare la guida per i carrelli

flangia centrale di piccole dimensioni per sorreggere il generatore e svolgere la funzione di centraggio

SECONDA VERSIONE:ROTORE

utilizzo del carbonio per realizzare una struttura compatta e alleggerita

sede di alloggiamento centrale per una flangia

montaggio rapido per i bracci porta-pale, simili a quelli degli alianti, tramite due perni e innesto conico

carrelli accoppiati tramite un inserto metallico ed estraibili radialmente

SECONDA VERSIONE:CARRELLI

carrelli semplificati che svolgono solo la funzione di sostegno e di sicurezza tramite la contro-ruota

presenza di una piastra rettangolare che chiude l’apertura sul rotore necessaria all’estrazione dei carrelli

disposizione inclinata dei perni ruota per ridurre gli attriti

SECONDA VERSIONE:CENTRAGGIO

il centraggio è garantito da una flangia metallica solidale al rotore che porta tre rotelle che scorrono sulla pista della flangia circolare che sostiene il generatore; un sistema di tre piccole bielle permette di recuperare l’eccentricità tra albero generatore e rotore e trasferisce il moto ad un trascinatore che andrà collegato al generatore

SECONDA VERSIONE:MONTAGGIO si posiziona la base

con già la guida circolare dei carrelli

si posiziona il rotore con già la flangia e i carrelli (privi di contro-ruota da installare in seguito)

si installa il generatore

si accoppia il trascinatore alle biellette e al generatore

si fissa il trascinatore

si installano porta-pale e poi pale

ottenendo

CONCLUSIONI

100 kW con vento di 16 m/s, generatore sincrono e nessun moltiplicatore di giri

si sono evitate fondamenta

eliminazione della torre centrale

facile realizzazione, installazione e manutenzione

dimensioni paragonabili a quelle di macchine ad asse orizzontale di pari potenza: altezza totale 13 m e diametro rotore di 12 m

forma gradevole

SVILUPPI FUTURI

verificare la resistenza delle pale

valutare la convenienza di un sistema attivo di orientamento delle pale

sviluppare un freno attivo e un sistema di avviamento sfruttando dei “flap” sulle pale

migliorare il modello matematico introducendo gli effetti dello stallo dinamico, della tridimensionalità della pala e della scia prodotta