Il kite wind generator

I.T.I.S. “A. ARTOM” – Asti - Esame di maturità 2007/2008 – Il Kite Wind Generator

L’ENERGIA EOLICA

L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento.

L’uomo ha impiegato la sua forza sin dall’antichità, per navigare e per muovere le pale dei

mulini utilizzati per

macinare cereali,

per spremere olive

o per pompare

acqua.

Solo da pochi

decenni l’energia

eolica viene

impiegata per

produrre elettricità.

I moderni mulini a

vento sono chiamati

aerogeneratori, il

loro principio di

funzionamento è lo

stesso dei mulini a

vento, ma nel caso

degli aerogeneratori il movimento di rotazione delle pale viene trasmesso ad un

generatore che produce elettricità.

Durante la crisi energetica degli anni ’70, in California, si realizzo la prima “wind farm” con

oltre 200 aerogeneratori.

In Italia le prime macchine eoliche sono state installate nel 1990, ma solo dal 1996 si

è avuto un significativo numero di impianti collegati alla rete di distribuzione elettrica.

Il primo prototipo di aerogeneratore fu installato nel 1989 ad Alta Nurra in Sardegna;

a distanza di oltre 10 anni esistono delle vere centrali eoliche, alcune delle quali sono

costituite da più di 50 aerogeneratori di media taglia (600 kW l’uno). 7

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AEROGENERATORI

L’aerogeneratore è un sistema utilizzato per trasformare l’energia del vento in energia

meccanica di rotazione la quale viene ulteriormente trasformata in energia elettrica

mediante l’impiego di macchine elettriche. In base alla posizione del rotore vengono

classificati in due categorie:

Macchine ad asse verticale in cui l’asse

• del rotore è posto perpendicolare alla

direzione del vento.

Macchine ad asse orizzontale in cui

• l’asse del rotore è posto parallelo alla

direzione del vento.

Gli aerogeneratori ad asse verticale hanno il

vantaggio di non doversi orientale secondo la

direzione del vento, ma sono meno utilizzati

anche perché la loro efficienza è fino al 30%

inferiore rispetto a quelli ad asse orizzontale

Quelli ad asse orizzontale rappresentano la quasi

totalità degli aerogeneratori installati nel mondo e

sono composti dai seguenti elementi: 1 rotore, 2 sistema frenante, 3

Rotore: il rotore più utilizzato è il tripala; sono moltiplicatore di giri, 4 generatore, 5

utilizzati anche rotori a monopala e bipala i quali sistema di controllo, 6 navicella, 7

permettono di sfruttare venti più veloci, essi sono torre fondamenta

meno costosi ma vibrano di più; in presenza di

venti molto deboli si utilizzano rotori multi pala o circopala.

Sistema frenante: interviene per regolare il numero di giri del mozzo e per arrestare il

rotore,

Moltiplicatore di giri: serve per aumentare il numero di giri del rotore.

Generatore: viene utilizzato per trasformare l’energia meccanica in energia elettrica, i tipi

di generatore utilizzati sono: la dinamo, il generatore sincrono o asincrono.

Sistema di controllo: è formato da un insieme di sensori che gestisco il funzionamento

dell’aerogeneratore interagendo con il sistema frenante in caso di mal funzionamento.

Navicella: contiene i componenti sopra citati ad eccezione del mozzo, essa è posizionata

sopra la torre o traliccio; tramite un meccanismo meccanico è possibile farla ruotare

permettendo cosi un allineamento il più continuo possibile tra l’asse del rotore e la

direzione del vento.

Le wind-farm

Più aerogeneratori collegati insieme formano una wind-farm (fattoria del vento), che è una

vera e propria centrale elettrica.

Nelle wind-farm la distanza tra gli aerogeneratori non è casuale, ma viene calcolata per

evitare interferenze reciproche che potrebbero causare cadute di potenza. 9

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Gli impianti offshore

Sono le wind-farm costruite in mare. Rappresentano un’utile soluzione per quei paesi

densamente popolati e con forte impegno del territorio che si trovano vicino al mare. 10

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IL KITE WIND GENERATOR

Il kite wind generator è un nuovo sistema di produzione d’energia il quale sfrutta il vento

ad alta quota, questo nuovo sistema permette di catturare maggiore quantità di vento,

l’area che va ad intercettare non e limitata dalle dimensioni delle pale come avviene con i

tradizionali aerogeneratori ma è notevolmente più ampia.

Il vento viene catturandolo tramite batterie di profili alari (kites) pilotati automaticamente

che azionano un dispositivo di conversione energetica posto al suolo.

Il progetto è ancora in fase di sviluppo ma i risultati ottenuti dal primo prototipo (mobilgen)

evidenziano la fattibilità del progetto.

MOBILGEN Il mobilgen è il prototipo di kite wind

generator, costruito nel 2006, attualmente

funzionante con una potenza di 40 kW di

picco, esso è composto da un profilo alare di

potenza connesso a una piattaforma base

mediante due funi.

In corrispondenza di tale

piattaforma, ciascuna fune è avvolta

su un verricello che aziona,

attraverso un riduttore, un

generatore che funge anche da

motore. In corrispondenza di ciascun

verricello vi è un modulo di guida

che obbliga la fune ad un

avvolgimento ordinato sul verricello

e una serie di bozzelli che guidano

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la fune verso il profilo alare.

Il kite è manovrato srotolando e

riavvolgendo le funi sui verricelli.

La base del dispositivo è composta

dunque dalla piattaforma su cui sono montati i verricelli, i generatori/motori e un sistema di

controllo intelligente che provvede a manovrare il kite.

Bozzello: nome generico delle carrucole in Uso nella marina.

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Principio di funzionamento

Il processo di conversione energetica messo in atto dal MobileGen è una procedura

intermittente che può essere scomposta in tre fasi.

Durante la prima fase il vento solleva il kite

mettendo in tensione le funi di connessione

alla piattaforma base. Questa trazione è

convertita in rotazione a livello dei verricelli e

trasmessa per mezzo del riduttore al

generatore ove, vincendo la coppia di forze

da esso opposta, avviene la produzione di

energia elettrica. Il percorso di volo del profilo

alare durante questa fase è tale per cui sia

massima l’energia meccanica che è possibile

sottrarre al vento. In particolare, il sistema di

controllo intelligente manovra il kite in modo

da sfruttare la lift force, ossia la componente

della forza perpendicolare alla velocità del

vento. In tal modo il profilo ascende

continuando a spazzolare la superficie del

fronte vento.

La seconda fase del processo consiste nella

manovra automatica del kite in modo da

raggiungere una posizione di quasi stallo in

corrispondenza della quale la spinta eolica è

scarsa.

Durante la terza fase del processo avviene il

riavvolgimento delle funi sui verricelli per mezzo dei generatori che fungono anche da

motori. Le funi sono riavvolte con un minimo consumo energetico circa il 10% di quella

prodotta, terminato il recupero delle funi, il kite è posizionato in modo da tornare in una

condizione di massima trazione. A questo punto, il ciclo si ripete.

Sensori

Il SeTAC (TRIAXIAL ACCELERATION COMPUTER) è un

sensore che permette di monitorare l’accelerazione triassiale,

esso elabora i dati al suo interno grazie a un microprocesso e

fornisce in uscita una serie di segnali, i quali in modalità

wireless, vengono inviati al sistema di controllo a terra.

Il sistema integra queste informazioni con i dati provenienti

dalla sensoristica di terra (ad esempio il valore del carico delle

funi determinato dalla lettura della coppia del motore) ed

effettua elaborazioni per manovrare automaticamente il kite

durante l’intero ciclo di funzionamento.

Manovra del kite

La manovra del profilo alare avviene regolando lo srotolamento e il riavvolgimento delle

funi sugli stessi verricelli tramite i quali si ha produzione di energia.

Le funi che connettono il kite alla piattaforma base sono dunque sia funi di potenza che

funi di manovra. 12

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La generazione di energia dipende esclusivamente dal senso di rotazione dei tamburi dei

verricelli:

si ha produzione di elettricità quando la rotazione dei tamburi è determinata dalle

• funi e aziona i generatori.

si ha consumo di energia quando la rotazione dei tamburi è determinata dai motori

• e consente il riavvolgimento delle funi.

La manovra del profilo alare dipende sia dal senso che dalla velocità di rotazione dei

tamburi dei verricelli.

Il kite è infatti manovrato modificando in modo opportuno l’angolo di attacco del vento.

Tale angolo dipende dalla posizione relativa del kite rispetto alla velocità del vento e

dunque dalla lunghezza di ciascuno dei due tratti di fune srotolata.

Se, ad esempio, per far assumere al profilo alare una determinata inclinazione bisogna

accorciare un tratto di fune srotolato rispetto all’altro, per ottenere tale risultato bisognerà

accelerare o rallentare la rotazione di un tamburo rispetto all’altro.

Senza dunque compromettere la generazione di energia o il recupero del kite, la manovra

del profilo alare avviene differenziando la velocità di rotazione dei due verricelli.

Sistema di controllo

Il sistema di controllo è il sistema mediante il quale il kite è manovrato esso acquisisce le

informazioni dai sensori per comandare il funzionamento dei generatori/motori e di

conseguenza le funi collegate al kite.

Eventi improvvisi

Il sistema di controllo deve riconoscere e far fronte con la massima tempestività a eventi

improvvisi quali colpi di vento e cadute di carico. In caso di colpi di vento, il sistema di

controllo interviene riducendo la tensione delle funi per evitare che il carico eccessivo

danneggi il dispositivo.

Ciò avviene azionando i verricelli in modo da consentire un rapido srotolamento delle funi.

Le diminuzioni improvvise di carico vanno evitate in quanto una scarsa tensione sulle funi

fa precipitare il kite senza possibilità di manovra.

In caso si verifichi una diminuzione di carico, il sistema di controllo intelligente interviene

accelerando la rotazione dei verricelli (nel caso in cui l’evento si verifichi durante il

riavvolgimento) oppure invertendone il senso di rotazione (se la caduta di carico ha luogo

durante lo srotolamento). In tal modo, il controllo del profilo alare è recuperato.

Le funi

Le funi sono costituite da una fibra capace di reggere trazioni di 30 ton/cm2 aventi un peso

specifico inferiore a quello dell’acqua e un diametro da 6 a 30 millimetri.

Sono rivestite da una calza in Teflon che garantisce la resistenza agli UV e li protegge da

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possibili abrasioni.

Nell'accezione più comune si intende come Teflon il polimero del tetrafluoroetilene, (PTFE) al quale vengono aggiunti

5

altri componenti per modificarne le proprietà e quindi aumentarne le possibilità applicative.

Il teflon è resistente alle alte temperature (fino a 200 °C e oltre) ed è usato per manufatti o per ricoprire superfici

sottoposte ad alte temperature alle quali si richiede una "antiaderenza" e una buona inerzia chimica. 13

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LA CENTRALE KITE WIND GENERATOR

La centrale è composta da più unità di manovra trainate dai profili alari lungo un percorso

circolare ad anello posto a livello del suolo.

Il moto dell'anello mobile ovvero del convoglio subisce la trazione verso l'alto da parte dei

kite quindi avrà le ruote sotto la rotaia fissa.

L'anello mobile trasmette il moto a dei generatori elettrici ancorati al suolo.

Per una equa distribuzione delle forze si possono usare più generatori elettrici a distanze

regolari che sfruttano il moto dell'anello dotato di cremagliera .

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La giostra viene messa in rotazione grazie al vento, che trascina in quota i profili alari

uscenti dai bracci stessi.