Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica
Introduzione
2
Tale galleria prevede una sezione di prova in cui la velocità della corrente fluida può
variare in un intervallo sostanzialmente analogo a quello che si prevede di riscontrare
nella realtà.
La galleria del vento consente inoltre di effettuare una serie di prove preliminari,
mediante le quali è possibile verificare la funzionalità del sistema di misura, al fine di
migliorare il grado di confidenza dell‟operatore nell‟utilizzo dell‟apparecchiatura.
Questa galleria, è corredata di un ventilatore a velocità variabile in modo da poter
regolare la velocità nella sezione di prova. La variazione della velocità è realizzata
alimentando il motore asincrono del ventilatore mediante un convertitore di
frequenza digitale (inverter).
La turbina è collegata ad un motore elettrico (brushless) che funge da generatore e
freno. La velocità del vento in galleria è valutata mediante un sistema di misura
anemometrico a filo caldo. In particolare è stato utilizzata una sonda CTA (Constant
Temperature Anemometry) collegata al sistema integrato di misura Streamline
prodotto dalla Dantec.
I sistemi anemometrici a filo caldo possono essere estremamente utili per lo studio
sperimentale delle macchine a fluido, in quanto consentono di rilevare i valori di
velocità del flusso ed i parametri di turbolenza, introducendo solo un piccolo disturbo
alla corrente. L‟anemometria a filo caldo, HWA (Hot Wire Anemometry) è una
tecnica di misura alternativa e per certi versi complementare all‟anemometria laser
basata sull‟effetto doppler, LDA (Laser Doppler Anemometry). I vantaggi dei
sistemi a filo caldo sono soprattutto la maggiore accuratezza, la maggiore sensibilità
(grazie ad un più alto rapporto segnale rumore, la disponibilità di un segnale di uscita
analogico (caratteristica che semplifica la elaborazione del segnale), una maggiore
banda passante dello stesso, un costo inferiore, l‟assenza di inseminazione della
corrente. Lo svantaggio dei sistemi a filo caldo è costituito dal fatto che si tratta di
strumenti intrusivi che modificano, anche se in piccola parte, il campo di moto.
L‟accuratezza delle misure effettuate con filo caldo dipende in modo determinante
dalle modalità di esecuzione delle operazioni di taratura, che devono essere effettuate
ogniqualvolta la sonda viene utilizzata. La taratura della sonda coinvolge non solo
l‟elemento sensibile (in genere costituito da un filo sottilissimo di tungsteno) ma
l‟intero circuito elettronico di alimentazione e misura. Nasce, quindi, la necessità di
predisporre un sistema di taratura che possa essere agevolmente trasportabile, in
Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica
Introduzione
3
modo da poter essere installato in prossimità dell‟apparato sperimentale presso cui si
vuole effettuare la misura.
Per la taratura di una sonda a filo caldo è necessario sottoporre l‟elemento sensibile
ad un flusso d‟aria la cui velocità sia uniforme, costante nel tempo e nota in modulo.
A questo scopo esistono sistemi commerciali che utilizzano il flusso in uscita da un
ugello calibrato collegato ad una camera in pressione. Per la taratura e la calibratura
delle sonde utilizzate in questo lavoro di tesi è stata utilizzata la Calibration Unit
fornita dalla Dantec.
La sonda è in grado di esplorare la sezione di prova della galleria in quanto montata
su un sistema di movimentazione automatica a tre assi.
L‟automazione delle operazioni di acquisizione di velocità e la movimentazione
degli assi sono ottenuti grazie ad una scheda di acquisizione dati inserita in un
personal computer. Tali dati sono gestiti sulla stessa postazione PC mediante
opportuni software sviluppati in ambiente Labview.
Il capitolo 1 è stato dedicato al contesto nel quale si inserisce questo lavoro di tesi: le
fonti di energia rinnovabili con una particolare attenzione all‟energia eolica.
Il capitolo 2 è incentrato sulle turbine eoliche, sulla teoria alla base delle stesse
focalizzando l‟attenzione sulla turbina ad asse verticale tipo Darrieus.
Il capitolo 3 è stato dedicato alla teoria che sta alla base dell‟anemometria a filo
caldo.
Il capitolo 4 è rivolto alla descrizione della galleria del vento e dei suoi principali
componenti.
La strumentazione adoperata per il sistema di misura e di movimentazione, così
come la descrizione della turbina oggetto di studio, viene descritta nel capitolo 5.
Nel capitolo 6 si descrive la procedura di calibrazione della sonda CTA. Gli ultimi 3
capitoli sono dedicati alla descrizione delle prove effettuate e ai commenti dei
risultati ottenuti. In particolare il capitolo 7 descrive la caratterizzazione della
galleria del vento (uniformità del profilo di velocità e intensità turbolenta in sezione
di prova), il capitolo 8 descrive lo studio di un “test case” utile al fine di affinare le
metodologie di misura (flusso di aria attorno al cilindro di sostegno della turbina ), il
capitolo 9 descrive i risultati sperimentali ottenuti dalla caratterizzazione della
turbina eolica ad asse verticale tipo Darrieus e l‟analisi delle prestazioni.
Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica
1 Scenario mondiale delle fonti rinnovabili
4
1 Scenario mondiale delle fonti rinnovabili
1.1 L’energia eolica come alternativa energetica
L‟energia eolica è attualmente una delle fonti energetiche più rapidamente in crescita
al mondo; ad esempio dal 1992 al 2002 la potenza eolica installata nel mondo è
cresciuta di 27 volte con un tasso di crescita annuo medio del 35% e nel corso
del 2008 ha superato i 100 GW installati (figura 1.1) e l‟Europa rappresenta il leader
mondiale di questo settore con oltre il 90% dell‟energia eolica globalmente installata
[1].
Figura 1.1 Crescita della potenza installata dell'energia eolica nel mondo [27]
Le motivazioni di tale crescita sono da ricondurre alla sempre più ampia attenzione
verso l‟energia prodotta da fonte rinnovabile. Le problematiche energetiche, infatti,
non interessano più il solo aspetto ambientale ma coinvolgono questioni politiche,
sociali ed economiche.
Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica
1 Scenario mondiale delle fonti rinnovabili
5
Da anni i problemi ambientali hanno ormai raggiunto dimensioni tali da destare la
preoccupazione della comunità mondiale. Di fatto, però, non è stata intrapresa
nessuna azione drastica per risolvere il problema, che peraltro non presenta facile
soluzione. Tra l‟altro la società è ancora caratterizzata dalla possibilità di ottenere
energia a basso costo con le fonti tradizionali di energia (tabella 1.1).
Tabella 1.1 Forniture energetiche nel mondo (fonte IEA 2005)
Fonte energetica Percentuale
Petrolio 38%
Carbone 24%
Gas 20%
Nucleare 6%
Idraulica 2%
Biomassa (legno) 8%
Energie rinnovabili (eolico, solare) 2%
La consapevolezza che questa situazione è destinata a cambiare si sta però
concretizzando ed i primi tentativi di migliorare lo stato delle cose sono in corso. Nel
1997 si è tenuta a Kyoto la Conferenza delle parti, atto esecutivo della Conferenza
Mondiale sull‟Ambiente e lo Sviluppo sui Cambiamenti Climatici tenutasi a Rio de
Janeiro nel 1992, durante la quale per la prima volta è stata sancita la centralità dei
problemi climatici nello sviluppo socio-economico mondiale e la centralità dello
sviluppo sostenibile per il futuro del nostro pianeta. Il Protocollo di Kyoto è un atto
esecutivo che di fatto fissa dei limiti per le quote di emissioni gassose al 2012 dei
paesi industrializzati e ad economia in transizione (tabella 1.2).
Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica
1 Scenario mondiale delle fonti rinnovabili
6
Tabella 1.2 Percentuale di riduzione dei gas serra entro il 2012 rispetto ai livelli
del 1990
Mondo 5.2%
Unione Europea 8%
Russia 0%
Stati Uniti 7%
Giappone 6%
Italia 6.5%
Paesi in via di sviluppo Nessuna limitazione
Il protocollo pone dei limiti affinché lo sviluppo economico e tecnologico dei paesi
interessati avvenga parallelamente ad una crescente attenzione ai problemi
ambientali.
Nel tentativo di realizzare gli obbiettivi prefissati, le strategie adottate consistono nel
ridurre gli sprechi e le inefficienze energetiche, operare una opportuna
diversificazione di fonti energetiche e cercare di sfruttare il più possibile le risorse
naturali.
L‟utilizzo di Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) deve essere considerato un aiuto al
problema ma non la soluzione definitiva. Allo stato attuale, la nostra società è
caratterizzata da una tale voracità di energia che non è ipotizzabile una semplice
sostituzione delle fonti tradizionali di energia con sistemi non inquinanti. Tuttavia gli
obbiettivi posti rappresentano già una sfida: l‟Europa punta a coprire il 12% della
domanda elettrica da fonte rinnovabile entro il 2010 e il 20% entro il 2020 [1].
La fonte eolica rappresenta, insieme con quella solare, la più importante fonte di
energia rinnovabile con un ampio margine di crescita. I grandi investimenti e la
continua ricerca scientifica di cui può beneficiare il settore dell‟energia eolica sono le
motivazioni del successo che questa ha conseguito negli ultimi anni. Attualmente
l‟industria eolica fornisce oltre 80.000 posti di lavoro in Europa; nel solo 2003 sono
stati installati 5411 MW per un investimento totale di oltre 7 miliardi di euro [2].
La stretta connessione tra energia ed economia è confermata anche dalle nuove
possibilità che offre il mercato di effettuare investimenti nel settore energetico
attraverso la commercializzazione delle quote di inquinamento, i certificati RECS
(Renewable Certificate System – titoli che attestano la produzione di energia elettrica
Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica
1 Scenario mondiale delle fonti rinnovabili
7
da fonte rinnovabile) e i certificati verdi. Inoltre, la consapevolezza che le fonti di
energia tradizionale tendono ad esaurirsi in tempi brevi rende le fonti rinnovabili di
energia un metodo per ridurre la profonda dipendenza energetica che lega molti paesi
sviluppati, tra cui l‟Italia, ai paesi produttori di petrolio spesso geopoliticamente
instabili. La Danimarca con i suoi 3110 MW installati (risultato straordinario per un
paese con una popolazione inferiore ai 6 milioni di cittadini), riesce a sopperire al
18% della domanda di energia attraverso la sola fonte eolica [2].
I 28440 MW installati in EU-15 alla fine del 2003 consentono di produrre, in un
anno che abbia una ventosità media, 60 TWh di elettricità pari al 2,4% dell‟elettricità
globalmente consumata in Europa, provvedendo al fabbisogno energetico di 35
milioni di cittadini.
Nuovi aerogeneratori sempre più grandi ed efficienti continuano ad essere installati;
le realizzazioni più moderne hanno potenze unitarie (per singola macchina) di 2500
kW e si punta verso modelli da oltre 4000 kW. Inoltre il mercato volge l‟attenzione
verso le installazioni Off-shore (fig. 1.3) e l‟obbiettivo è di installare nei mari del
Nord Europa Wind Farms per oltre 20000 MW [2].
Questi segnali indicano che la grande crescita dell‟industria eolica non accenna a
diminuire e che nuovi sviluppi tecnologici e importanti investimenti economici
continuano ad interessare questo settore.
Sulla scia del grande successo che interessa le grandi turbine eoliche da migliaia di
kW, stanno acquistando sempre più importanza le piccole turbine con potenza fino a
100 kW.
Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica
1 Scenario mondiale delle fonti rinnovabili
8
Figura 1.2 Installazione off-shore di turbine eoliche
Il motivo per cui il mercato è favorevole all‟introduzione di macchine dalle
dimensioni contenute ha diverse origini che verranno di seguito approfondite, ma la
motivazione principale è la possibilità di installare piccole turbine eoliche in quei siti
la cui ventosità è elevata, ma che non sono energeticamente sfruttabili con grandi
centrali eoliche per molteplici motivi; questo permette uno sfruttamento più
efficiente della risorsa eolica su tutto il territorio. È importante fin da subito
sottolineare, quindi, che le turbine eoliche di piccole dimensioni non nascono come
alternativa a quelle di grandi dimensioni ma hanno lo scopo di affiancarsi a queste
ultime.
In Europa il mercato delle piccole turbine eoliche fornisce prospettive interessanti ma
non è ancora una realtà rilevante. Applicazioni di questi sistemi si possono osservare
sul territorio europeo ma non sono presenti zone in cui lo sfruttamento di questa
risorsa sia sistematico.
Al contrario, negli Stati Uniti d‟America questa tecnologia è molto diffusa e vanta un
mercato interessante. A favore di questo successo, gioca sicuramente la geografia del
paese che presenta una moltitudine di zone rurali disseminate in aree pianeggianti e
ventose, ma ci sono anche altri motivi. Prima di tutto, le pubbliche amministrazioni
offrono un vasto supporto divulgativo tramite numerosi opuscoli informativi che
Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica
1 Scenario mondiale delle fonti rinnovabili
9
spiegano in dettaglio i vantaggi e gli svantaggi conseguenti all‟installazione di un
impianto eolico. Sono previsti contributi economici per i cittadini che effettuano
l‟installazione e sono di facile reperibilità cartine che mostrano la ventosità media
delle diverse zone geografiche. Numerose guide informative sono pubblicate a cura
dello U.S. Department of Energy e del National Renewable Energy Laboratory
(NREL), i quali affermano che un impianto fotovoltaico da 10 kW costa almeno il
doppio di un equivalente impianto eolico. Il risultato di questi sforzi è che negli
USA, nel 2001, le quattro principali compagnie (Southwest Windpower, Bergey
Windpower, Wind Turbine Industries Corp e Atlantic Orient) hanno venduto oltre
13400 unità e le installazioni di piccole turbine eoliche (tabella 1.3) hanno cumulato
una potenza di oltre 25 MW [3]. Al di là di questo risultato attuale, tuttavia, è
interessante osservare come grandi investimenti per il futuro vengono rivolti verso
questo settore.
L‟industria americana punta realisticamente ad installare una potenza di 50000 MW
entro il 2020, valore sufficiente a soddisfare il 3% del fabbisogno energetico
americano [4].
Tabella 1.3 Mercato americano per le turbine di piccola taglia (2003)
Units Avg size in kW Total in MW
Commercial buildings 675000 25 16875
Public facilities 160000 50 8000
Off-grid homes 15000 3 450
Off-grid communities 200 250 50
Water pumping 35000 1 350
Telecommunications 2000 2 4
Total 25729
Tale percentuale rappresenta un risultato di assoluto rilievo, in quanto si parla del
paese con i più alti consumi energetici al mondo e lascia intuire le notevoli
potenzialità di questi sistemi nei paesi con scarsa penetrazione elettrica, in cui un
loro utilizzo può diventare cruciale per lo sviluppo. Grazie al successo ottenuto,
l‟industria americana del piccolo eolico è molto attiva e le più importanti case
costruttrici di piccole turbine eoliche sono americane; ora questa realtà industriale
Ricevi informazioni sui nostri servizi, sulle offerte e non perdere news e consigli su università e lavoro.
