Energia eolica - parte prima

TAGLIA:

micro tutto ciò che è sotto 2kW; l’ingegnere deve solo presentare il progetto



della macchina e non è responsabile del palo di sostegno.

Normativa di riferimento IEC 61400-2. In questa normativa le macchine sono

classificate da 1 a 4: la classe 1 è per venti più tosti (50m/s) e via via per venti

meno forti. Ciò significa che una turbina di classe 1 deve resistere a un vento

permanente di 50m/s senza rompersi (può anche non funzionare, basta che

non si rompa).

Mini Potenza sopra i 2 kW, area del rotore sotto i 200m , ovvero 16m di

2

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diametro. Normativa di riferimento IEC 61400-2. L’ingegnere è responsabile

anche del palo di sostegno

Maxi Potenza sopra i 2kW e area del rotore sopra i 200m . Normativa di

2

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riferimento IEC 61400-1 che le suddivide in 3 classi in cui devono sopportare il

vento e fa una differenziazione su 3 livelli di turbolenza. La turbolenza influenza

i cicli a fatica ed è definita come la deviazione standard della velocità del vento

diviso la velocità media del vento stesso.

La IEC 61400-3 si riferisce invece alle turbine offshore. da 4 a 25 invece

stabiliscono le modalità di certificazione della turbina eolica.

AZIONE AERODINAMICA:

Le turbine possono essere a resistenza o a portanza: L’azione di resistenza è

associata alla resistenza di forma che un oggetto evidenzia una volta investito

da un flusso. L’azione di portanza deriva dalla curvatura che un oggetto

aerodinamico induce alle linee di flusso ed agli effetti di depressione che si

innescano a bilanciamento delle forze centrifughe. Le azioni di portanza sono

più importanti consentendo prestazioni migliori.

Tra le turbine che lavorano a resistenza l’esempio più importante è la turbina

savonius:

Le turbine partono generalmente a 4m/s mai sotto dove il vento non è stabile.

Vorrei avere Re alto per avere E alto. Per avere Re alto devo avere la

dimensione della pala (della corda) grande

IN BASE ALL’ORIENTAMENTO DELL’ ASSE

Questa suddivisione si sofferma sull’orientazione dell’asse di rotazione a

prescindere dal fatto che l’aerogeneratore lavori a portanza o a resistenza.

Tipici ad asse verticale sono i Savonius e i Darrieus mentre ad asse orizzontale i

tipici aerogeneratori tripala per la produzione di energia elettrica.

I generatori verticali permettono di far girare la turbina qualunque sia la

direzione del vento, tuttavia i coefficienti di potenza sono decisamente minori

rispetto alle turbine ad asse orizzontale.

IN BASE ALLA SOLIDITA’

La solidità di un generatore eolico è definita come il rapporto tra la proiezione

frontale dell’area del rotore e l’area spazzata dallo stesso. Esempi di generatori

ad elevata solidità sono i multipala americani: essi impartiscono elevate coppie

meccaniche a basse velocità di rotazione.

Generatori a bassa solidità sono i tripala che ruotano a velocità maggiori e

offrono maggiore attitudine alla produzione di energia elettrica.

IN BASE AL PIANO ROTORICO

UPWIND: piano rotorico a monte della navicella rispetto al vento e quindi viene

investito prima dal vento (soluzione maggiormente utilizzata)

DOWNWIND: piano rotorico a valle della navicella, ciò comporta: disturbo del

flusso incidente sul rotore a causa della scia della navicella e della torre di

sostegno (svantaggio); autoallineamento rispetto alla direzione del vento

(vantaggio)

IN BASE AL TUBO DI FLUSSO

Si basa sul confinamento del tubo di flusso attorno al rotore:

Libero: maggiormente utilizzato, sono in grado di espandersi nella fase di

avvicinamento, attraversamento ed allontanamento dal piano rotorico per la

necessità di conservare la portata massica elaborata.

Intubato: i generatori intubati hanno una carenatura attorno all’asse del rotore

che consente un convogliamento del flusso da elaborare verso le pale. Tuttavia,

presentano una maggior complessità costruttiva ed un impatto visivo rilevante

(usato solo per piccole taglie)

IN BASE AL CONTROLLO

Gli aerogeneratori possono essere controllati variando i giri (che possono

essere a giri fissi o variabili) o l’angolo di attacco delle pale (pitch) che può

essere fisso o variabile. Ovviamente bisogna considerare costi e fattibilità

IN BASE AL SITO

ONSHORE e OFFSHORE ciascuno con le proprie specifiche da rispettare.

In onshore il pezzo viene portato uno alla volta (pala per pala) (problemi di

viabilità). Costruisco le fondamenta creando un grosso disco che permette la

verticalità della macchina); effettuo poi la messa a massa. Poi monto prima il

palo, monto la navicella. Il rotore si monta a terra e poi si solleva con le gru.

L’offshore è più difficile e costoso (generalmente): il costo delle navi da affittare

è circa 200.000 euro al giorno. sono navi jack-up con le braccia per il

sollevamento della nave. Una turbina viene installata in meno di due giorni

grazie ai miglioramenti di efficienza. Le specifiche sono diverse e si deve tener

conto delle frequenze di risonanza che sono più basse in questo caso a causa

del palo che deve essere più alto.

struttura della pala

(La pala si crea a partire da due gusci simmetrici con uno spessore massimo di

0.35m (altrimenti avrei formazione di bolle). I gusci li creo da uno stampo, vado

poi a laminare creando lo spessore; tra le varie lamine inserisco una schiuma

poliuretanica o polistirenica. E’ presente poi una cera distaccante che evita

l’attaccamento del guscio. Il gel coat mi va ad evitare la presenza della trama a

vista creando una superficie liscia. Faccio addensare ed essiccare i gusci a T di

couring. Per far seguire la curvatura ho bisogno di un ambiente sottovuoto che

vado a creare depositando un foglio di Mylar che non si deforma. I due gusci

secchi li vado ad incollare.)

La struttura di una pala eolica è composta da materiali compositi,

principalmente fibra di vetro e resina epossidica, con eventuali rinforzi in

carbonio o kevlar. La costruzione può avvenire con due gusci separati che

vengono laminati su stampi, rifiniti con gel coat e poi incollati insieme, oppure

con stampo chiuso, tecnica che evita giunzioni e migliora la qualità (brevettato

dalla Siemens). Per alleggerire la pala mantenendola rigida, si inseriscono

schiume poliuretaniche o polistireniche (35–50 kg/m³) o, nelle pale offshore,

anche legno di balsa + carbonio dato che la rigidezza delle pale può essere

maggiore.

Elemento strutturale fondamentale è il longherone, una trave centrale che

sopporta taglio e flessione, incollata ai gusci in fase di polimerizzazione. La

zona anteriore del profilo (D-Box) viene ispessita per irrigidire la pala e ridurre

le torsioni. Durante la catalisi della resina, che produce calore e tende a

deformare il materiale, si utilizza la tecnica del sottovuoto: una pellicola

indeformabile (Mylar) e la depressione interna mantengono la forma fino alla

completa solidificazione. Il carbonio, pur essendo più leggero e rigido, è fragile

e si impiega solo localmente (soprattutto nei longheroni o in rivestimenti

offshore), mentre il kevlar viene usato per protezione da urti. Oggi la

produzione avviene soprattutto per infusione in vuoto, che assicura una

distribuzione omogenea della resina e una maggiore affidabilità rispetto alla

vecchia tecnica manuale.

Un tempo, per costruire le pale eoliche, la resina veniva stesa a mano (manual

lay-up) sopra i tessuti di vetro nello stampo. Questo metodo era semplice, ma

aveva difetti: la resina non si distribuiva in modo uniforme, restavano zone con

troppa resina e altre con poca, si formavano bolle d’aria e la qualità meccanica

del pezzo risultava meno affidabile. Oggi invece si usa quasi sempre la tecnica

dell’infusione in vuoto (vacuum infusion):

si dispone il tessuto di vetro nello stampo,

 si copre con una pellicola sigillante e si crea il vuoto,

 la resina viene aspirata e distribuita in modo uniforme all’interno delle

 fibre.

il longherone resiste al taglio e alla flessione, mentre il guscio al momento

torcente

da chatgpt:

La pala eolica viene costruita utilizzando materiali compositi, in particolare

tessuto di vetro e resina epossidica (uniti danno luogo alla fibra di vetro), a cui

si possono aggiungere rinforzi locali in carbonio o kevlar per migliorare le

prestazioni meccaniche. Per alleggerire la struttura senza comprometterne la

rigidità si inseriscono tra le lamine schiuma poliuretanica o polistirenica, con

densità tipicamente tra 35 e 50 kg/m³, mentre nelle pale offshore è frequente

l’impiego di legno di balsa abbinato al carbonio, in modo da aumentare

ulteriormente la rigidezza. (i venti sono più stabili)

La pala è generalmente realizzata partendo da due gusci simmetrici laminati su

stampi. Per ottenere una superficie esterna liscia, priva della trama del tessuto

in vista, si applica un gel coat, mentre una cera distaccante impedisce al

materiale di aderire allo stampo. I gusci vengono addensati ed essiccati a

temperatura di curing (80 per il carbonio) e successivamente incollati tra loro.

Per seguire la corretta curvatura senza formazioni di bolle durante la

polimerizzazione, si ricorre alla tecnica del sottovuoto: un foglio di Mylar, che

non si deforma, viene posto sul pezzo e la depressione interna mantiene la

forma fino alla completa solidificazione della resina che viene distribuita

uniformemente.

Elemento strutturale fondamentale è il longherone, una trave centrale incollata

ai gusci in fase di polimerizzazione, che deve resistere agli sforzi di taglio e

flessione, mentre i gusci contribuiscono principalmente alla resistenza al

momento torcente. La parte anteriore del profilo, detta D-Box, viene ispessita

per aumentare la rigidità torsionale e ridurre le deformazioni indesiderate.

Un tempo la costruzione avveniva con la tecnica del manual lay-up, cioè con la

stesura manuale della resina sui tessuti di vetro. Questo metodo era semplice

ma poco affidabile, perché portava a distribuzioni non uniformi della resina e

alla formazione di bolle d’aria. Oggi, invece, si utilizza quasi sempre l’infusione

in vuoto, un processo che prevede la disposizione dei tessuti nello stampo, la

chiusura con una pellicola sigillante e la creazione del vuoto, dopodiché la

resina viene aspirata e distribuita in modo uniforme all’interno delle fibre,

garantendo un risultato più omogeneo e resistente.

ELEMENTI AERODINAMICI AUSILIARI:

In una pala eolica, il winglet è una piccola estensione curva posta all’estremità

della pala (tipicamente rivolta verso l’alto o verso il basso). Questi servono per

ridurre i vortici di estremità, migliorare l’e