Caratterizzazione sperimentale in galleria del vento di una turbina eolica

Sebbene da un punto di vista teorico molto sia stato fatto per il calcolo delle prestazioni di generatori eolici ad asse orizzontale, per i quali esiste una buona rispondenza fra previsioni teoriche e risultati sperimentali, non altrettanto si può dire per i generatori ad asse verticale essenzialmente per la oggettiva difficoltà legata al regime di incidenza variabile cui sono sottoposte le pale e alla loro mutua interferenza.
Le semplificazioni teoriche, necessarie, portano a discordanze fra risultati teorici e sperimentali. A maggior ragione, pertanto, la teoria di questo tipo di generatori necessita di essere supportata dalla sperimentazione, che ovviamente può essere condotta in maniera più conveniente su modelli in scala provati in galleria del vento.
L’analisi sperimentale consente di determinare in maniera quasi sicura, diretta e relativamente poco costosa, l’influenza dei vari parametri di progetto, analizzandoli singolarmente e suggerisce le migliorie da approntare. Infatti, scopo principale di questo lavoro di tesi è la valutazione sperimentale delle caratteristiche e delle prestazioni (curve di potenza e di coppia in funzione del tip speed ratio, λ) di una turbina ad asse verticale (tipo Darrieus) in una galleria del vento. Il modello di turbina studiato presenta un rotore a 3 pale dritte aventi profilo NACA 0015.
Tale studio si inquadra in un filone molto attuale ed importante, che è quello delle fonti energetiche rinnovabili. Nel mondo vi sono diversi ed importanti programmi di ricerca e sperimentazione volti da un lato al miglioramento delle caratteristiche aerodinamiche, prestazionali e strutturali delle macchine, dall’altro ad accertare le effettive possibilità di impiego, di queste macchine, nelle applicazioni più disparate.
Dall’analisi sperimentale effettuata si sono individuate alcune cause che comportano perdita di prestazioni della macchina e alcune possibili soluzioni.
La tesi è stata sviluppata nel laboratorio di aerodinamica sperimentale del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Gestionale del Politecnico di Bari, dove è possibile condurre ricerche teorico-sperimentali nel settore dell’energia eolica.
La valutazione delle caratteristiche della turbina è stata effettuata nella galleria del vento presente nel predetto laboratorio.
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’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.
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.