Appunti di Energia eolica e marina

Il rapporto L/D del profilo in funzione dell'angolo di attacco

Le curve che rappresentano il rapporto L/D del profilo in funzione dell'angolo di attacco sono di solito chiamate "polari" del profilo in aerodinamica. Nelle applicazioni turbo-macchinistiche, queste curve vengono disegnate per una piccola porzione di angoli di attacco (da 0 a 20-25°) in cui l'airfoil ha efficienza massima e riesce a lavorare. Il rapporto tra i coefficienti di lift e di drag, detto "glide ratio", rappresenta una stima diretta di quanto è in grado di spingere l'airfoil ed assume valori fino a 200 perché in generale in profili aerodinamici C >> C. Nella regione di interesse, i profili cambered hanno coefficienti di lift superiori ai profili simmetrici.

Osservando la polare del coefficiente di Lift, si nota come nel primo tratto si ha una crescita lineare fino ad un massimo, che si trova intorno a 14-20° e vale circa 1.4-1.6, in cui il profilo stalla e il lift scende. L'obiettivo è dunque quello di lavorare vicino

perfettamente simmetrico e minore rispetto al profilo con camber.15

Le prestazioni sono anche funzione del numero di Reynolds. In particolare, all'aumentare del numero di Reynolds il profilo è più energizzato e dunque supera con più facilità il gradiente avverso di pressione. Questo comporta che a Re più elevati, il coefficiente di lift massimo aumenta e si trova ad angoli di attacco più elevati. Nelle turbine eoliche si lavora solitamente con numeri di Reynolds superiori a 300000-500000, anche sopra il milione per turbine grandi. Il tratto di crescita lineare resta lo stesso, ma a Reynolds inferiori lo stallo è anticipato. Per lo stesso motivo, anche il Drag cresce meno perché si riesce a stare più attaccati.

In caso di gradiente avverso di pressione troppo elevato, si ha lo stallo del profilo. Lo stallo porta ad una perdita di portanza e alla generazione di macrostrutture vorticose, ed è molto comune nelle turbine eoliche.

Per questo motivo, vanno disegnate le polari complete.

Da circa 35° in poi, tutti i profili si comportano più o meno allo stesso modo, la grossa differenza si ha nella parte iniziale. Intorno ai 90°, il lift va a 0 e si fa solamente drag, sopra i 90° il lift diventa negativo fino ad un minimo, minore in valore assoluto rispetto al massimo, per poi tornare positivo intorno ai 180°. Il drag ha un massimo a 90° per poi tornare vicino a 0 a 180°. Il profilo con camber ha in generale coefficiente di drag più elevato per la forma concava. Solitamente, i codici di simulazione hanno dei metodi di estrapolazione per il comportamento post-stallo, che sono diversi e si comportano in maniera diversa.

Un altro problema è quello legato allo stallo dinamico. Nel movimento si ha una variazione continua dell’angolo di attacco che porta a rendere il flusso un po’ più attaccato, perché non gli si dà il tempo di staccare, per poi stallare.

in maniera secca. Il fenomeno hamemoria, si ha un ciclo di isteresi e non si riattacca16seguendo la stessa curva. Il coefficiente di Lift fa quello che è chiamato "fiocco". Un altro effetto è quello legato allo spessore 3D della pala, che comporta una necessità di correggere i coefficienti di Lift e Drag per la presenza del tip vortex, ossia del flusso al tip che viene richiamato dalla PS verso la SS. L'effetto è sentito maggiormente in pale con basso aspect ratio (rapporto altezza / corda) e potrebbe essere mitigato attraverso l'utilizzo di winglet.

In generale, ci sono due tipologie di forze di drag: una legata alle forze di attrito che agiscono sul corpo, detta skin friction drag, l'altra legata alla differenza di pressione che si genera intorno al corpo detto pressure drag e legato alla forma del corpo. In caso di profili aerodinamici, lo skin friction drag è prevalente perché il contributo di forma è molto

basso.Ci sono diversi metodi per caratterizzare un airfoil. Quello più affidabile sono gli esperimenti, che però sono costosi, time consuming e case-dependent. Al di sotto come affidabilità si hanno le simulazioni CFD, che sono molto accurate ma molto costose dal punto di vista computazionale.Infine, ci sono i metodi a pannelli che sono basati su un'analisi non viscosa del flusso. Sono meno accurati ma anche molto meno onerosi come tempo di calcolo.

2.3 SITING

Per siting si intende la scelta del luogo e della posizione in cui installare la turbina eolica. E' facilmente immaginabile come questa scelta abbia un'influenza molto elevata sulle prestazioni della turbina e anche sulla tipologia di turbina. Ci sono infatti turbine più adatte alle alte velocità del vento e turbine più adatte alle basse velocità, inoltre il design della turbina varia anche da off-shore a on-shore. Infine, il siting determina anche la configurazione dei

Parchi eolici, il numero di turbine e la loro disposizione. Le principali variabili in gioco sono le differenti scale di vento che vanno da quella globale a quelle locali, le differenti scale temporali del vento le cui fluttuazioni hanno periodi che variano dagli anni ai minuti, per le raffiche per esempio, e i cicli termici atmosferici, ossia l'interazione termica tra lo strato limite atmosferico e quello terreno. Il problema del siting è inoltre un problema multidisciplinare che non si può limitare all'ottimizzazione delle prestazioni della turbina, ma deve sottostare a tutta una serie di vincoli ambientali, sociali ed estetici che non possono essere trascurati.

2.3.1 WIND RESOURCE ASSESSMENT

La prima fase riguarda lo studio della risorsa eolica. Per prima cosa si va a fare una campagna anemometrica per capire la ventosità del sito. Le misurazioni anemometriche possono essere fatte solo in alcuni punti del sito, per tutti gli altri si deve cercare di estendere

velocità del vento, con una rigida calibrazione perché come si è già visto la potenza dipende dal cubo dellavelocità stessa, da una banderuola per ricavare la direzione e da un termometro per la temperatura, per esempio per analizzare l'icing, che è un problema molto serio per le turbine eoliche. L'anemometro si posiziona a più altezze per migliorare i modelli di estrapolazione. Ultimamente si stanno sviluppando tecnologie LIDAR, che funzionano come una specie di scannere hanno il vantaggio che non essendo delle torri costano molto meno, ma lo svantaggio che il post-processo dei dati non è per niente banale. Il sistema di correzione dei dati è detto MCP (measure - correlation - prevision). Sui dati di vento che si ottengono nell'anno di misure, ci si appoggia a dei database che considerano un intervallo temporale superiore per lo stesso sito, da stazioni metereologiche vicine o da database online.

La metodologia MCP usa una funzione di trasferimento per trovare una correlazione tra i dati misurati e i dati del database, che sono quelli di riferimento. In questo modo si ottiene una correzione per i dati misurati. Un aspetto da controllare è se la forma dei dati misurati sia in linea con la media delle forme degli anni precedenti.

Il database di riferimento è l'ente Copernicus ERA5 in cui si va a usare i dati di osservazione satellitare insieme a dei modelli che mappano ciò che il satellite non riesce a fare.

Infine, la metodologia WASP è quella che va, una volta ottenuti i dati di vento in certi punti del sito, a filtrare tutti i disturbi per arrivare ad un dato generale per il sito in esame. Dopodiché si estende il vento locale a tutta l'area aggiungendo nuovamente ostacoli, rugosità, orografia. Per quanto riguarda l'orografia, si devono inserire l'effetto collina che considera l'accelerazione locale del flusso, con un