Energia eolica - parte quinta

CONTROLLO DELLA TURBINA

La velocità angolare di una turbina priva di sistemi di controllo crescerebbe

proporzionalmente con la velocità del vento così come la potenza ma la

resistenza meccanica degli organi della macchina richiede che la potenza

trasmessa e il numero di giri non superino dei valori massimi chiamati Ω e P .

N N

L’obiettivo del sistema di controllo è quello di mantenere il più possibile la

curva simile a quella sotto riportata:

il controllo della turbina consiste in 3 fasi a seconda della velocità del vento:

1. V <V Qui voglio ottimizzare l’efficienza aerodinamica quindi

vento nominale

avere C = C in tutta la fase di salita della curva

P P max

2. V <V <V Qui l’obiettivo è quello di rendere costante la

nominale vento cut-out

potenza riducendo perciò l’efficienza (funzionamento in sicurezza, ovvero

stare attenti alle pulsazioni di risonanza della struttura e al

dimensionamento della rete)

3. V =V l’obiettivo è fermare la macchina per la sicurezza

vento cut-out

I metodi di controllo maggiormente usati sono:

1. Giri fissi, pitch fisso

2. Giri variabili, pitch fisso

3. Giri fissi, pitch variabile

4. Giri variabili, pitch variabile

Al di sotto della V è opportuno avere Cp a ogni condizione di vento.

nominale MAX

Questo si fa controllando il passo delle pale (pitch) o la velocità di rotazione Ω

in modo tale che l’angolo di attacco α sia quello di massima efficienza.

Massimizzare Cp in poche parole significa avere il primo tratto più ripido

possibile. condizione ideale per 3 sezioni della pala trascurando

a’ come si vede se cambia velocità del vento, varia

l’angolo del flusso relativo alle sezioni della pala peggiorando le prestazioni del

rotore.

CONTROLLO MEDIANTE VARIAZIONE DEL PITCH ∆β

Le rotazioni rigide riescono in parte a ripristinare le direzioni di flusso sui

profili; tuttavia, mediante una semplice rotazione è impossibile avere α = α E max

su tutta la sezione della pala. Cerco di far lavorare la sezione della pala che mi

interessa con efficienza massima per cui ho C max (tra il 40 e il 70%)

P

come si vede solo una parte lavora bene

CONTROLLO MEDIANTE VARIAZIONE VEL. DI ROTAZIONE Ω

Regolandola ( in modo proporzionale alla velocità del vento riesco ad allineare il

flusso in modo accurato controllando il generatore elettrico. Ciò è possibile solo

quando Ω<Ω nominale

ANDAMENTO CURVE DI POTENZA E COPPIA

C e C dipendono entrambi da β (pitch) e da λ (velocità periferica delle pale).

P Q T

Gli andamenti sono rappresentati in figura di sopra. Come si vede λ ha un

T

intervallo più ampio rispetto a β dove il C rimane massimo.

P

Graficando coppia e potenza al variare della velocità di rotazione delle pale e

usando la velocità come parametro, è possibile notare che il luogo dei massimi

di potenza estraibile segue un andamento parabolico e si può inoltre notare

che le velocità di rotazione a cui si raggiunge il massimo della coppia è

inferiore rispetto a quella per cui si raggiunge il massimo della potenza.

Notiamo come all’aumentare del pitch

Ricordiamo come coppia e potenza sono collegate P = M Ω



TECNICHE DI CONTROLLO

Le condizioni stazionarie (Ω, P, M = cost) si raggiungono quando la coppia

resistente del generatore eguaglia quella del motore del rotore della turbina.

Se in un grafico si riportano le curve aerodinamiche del generatore eolico e le

curve caratteristiche del generatore elettrico, è possibile individuare I punti di

funzionamento del sistema, per ogni velocità del vento, cercando i punti di

intersezione. Per modificare la condizione

operativa posso:

1. cambiare la curva aerodinamica di funzionamento cambiando β (il

calettamento)

2. cambiare la curva del generatore agendo sulla coppia resistente

3. cambiare entrambi

Nonostante si parli di giri fissi e la curva del generatore dovrebbe essere

verticale, bisogna tener conto di un lieve scorrimento del 1-3% dovuta alla non

idealità della macchina reale

Vediamo le 4 tipologie fondamentali del controllo della macchina:

GIRI FISSI – PITCH FISSO fino a 800kW

La caratteristica dei giri fissi impone al rotore una serie di punti di

funzionamento solamente lungo il segmento di retta FD. Una volta fissato il

numero di giri, il punto di funzionamento dipende dalla velocità del vento.

Aumentando infatti la velocità del vento i triangoli di velocità cambiano

portando la macchina a stallo passivo nel punto D che abbassa di fatto il C e

L

aumenta il C rallentando la macchina.

D F: minima velocità di avvio (v cut

in)

E: Unico punto di funzionamento a C ovvero a λ

P MAX opt

D: punto di stallo. In questo punto si raggiunge la Pnominale che non si

supera mai per via dello stallo (si torna in G). Per via di questa tecnica di

funzionamento il controllo è chiamato stallo passivo le pale sono progettate



tratteggiato quello che idealmente vorrei, in rosso l’andamento reale.

E’ importante garantire un post stallo accettabile della macchina in modo tale

da non avere che la potenza diminuisca drasticamente subito appena superato

il punto D:

Dopo il punto D la potenza diminiusce perché dopo lo stallo si ha sempre una

diminuzione del C e un aumento del C (diminuisce la forza tangenziale e

L D

aumenta la forza normale) che si riflette in un carico significativo sulla torre del

generatore eolico. Quando la velocità del vento è molto elevata (punto G), la

macchina è sottoposta ad un carico pulsante dovuta allo stallo che è molto

forte e deleterio per la macchina per questo motivo molte macchine sono



dotate di YAW control che consiste in una rotazione del piano rotorico che

permette di essere investiti dal vento con una componente minore.

Per ottenere i giri fissi bisogna conoscere per ogni velocità del vento la coppia

che si ha sul rotore così da comandare al generatore elettrico una controcoppia

uguale a quella del rotore. Tipici generatori usati sono i generatori asincroni

(asincrono perché perché velocità motore e statore diverse con i campi

magnetici che non sono sincronizzati ho corrente e voltaggio sfasati. La



turbina lavora in AC a 690Volts

Un generatore eolico con moltiplicatore di giri e generatore ASINCRONO è in

genere la configurazione di base di un sistema a GIRI FISSI con limitazione della

potenza per CONTROLLO A STALLO e/o IMBARDATA (sfilo dal vento). Il sistema

elettronico prevede un Soft-Starter (serve per non sbilanciare la frequenza di

rete; evito i picchi del generatore* dovuta alla variazione di Ω della turbina) per

l’avvio ed un controllo di frenatura di emergenza.

Generator switchgear alimenta il generatore asincrono fornendo potenza



reattiva

Gearbox moltiplicatore di giri viene inserito perché la Ω<<Ωrete (1500rpm)



Soft-starter evita i picchi di corrente dell’asincrono a gabbia di scoiattolo a



seguito della variazione di Ω dovuto a una variazione della v del vento.

Statore = generatore collegato alla rete; Rotore = Turbina

Lo statore ha avvolgimenti disposti in modo tale che le correnti sfasate

 producano una rotazione del campo magnetico al suo interno. Il campo

ruota alla velocità di Sincronismo della Rete ovvero a 1500 rpm in una

rete a 50 [Hz].

Il rotore gira ad una velocità leggermente diversa dalla velocità sincrona

 (in modo che ci sia un movimento relativo tra il rotore e il campo sullo

statore: SLIP (asincrono velocità campi magnetici rotore e statore



diverse (il campo magnetico del rotore gira più veloce di quello dello

statore))

Il campo magnetico rotante induce correnti e quindi un campo magnetico

 nel rotore (autoindotto)

L'interazione tra il campo indotto dal rotore e il campo dello statore

 provoca un'elevata tensione ai terminali dello statore (in modalità

generatore) e corrente che fluisce dalla macchina

un alternativa è quello di usare un VRCC power unit si hanno

quando

variazioni improvvise della velocità del vento, dovrei variare Ω dello statore. Ma

essendo Ωstatore=Ωrete devo far variare lo SLIP (1%-10%) così da garantire la

costanza al variare della rotazione del rotore questo si ottiene facendo



variare la coppia resistente del generatore attraverso il VRCC (è un anello a

scorrimento con dei resistori, che variano la propria resistenza, facendo variare

la coppia resistente del generatore e dissipando l’energia in calore; in altre

parole peggioro il funzionamento del generatore

Dopo lo stallo la potenza diminuisce perché nel triangolo delle velocità la forza

tangenziale diminuisce e contemporaneamente aumenta la forza di spinta.

Diagrammando le curve potenza-velocità e coefficiente di potenza-velocità, si

osserva che un controllo così semplice non permette di ottenere il

comportamento ideale ipotizzabile per la turbina. Al di sotto della velocità VE si

lavora sempre lontani dal lamba ottimale e dopo il punto di stallo D la potenza

invece di rimanere costante diminuisce.

Arrivati al punto G come detto per sicurezza bisogna bloccare la turbina.

Avendo giri fissi e angolo pitch fisso uso 2 metodi:

(NON più usato). Attraverso freni aerodinamici che mi innalzano il C in

 D

modo da aumentare la resistenza. Questo metodo spesso generava

carichi troppo elevati che danneggiavano la pala.

Staccando la macchina dal generatore (separo rotore dallo statore

 connesso alla rete elettrica), la macchina inizia a ruotare più

velocemente avendo perso coppia resistente. Per effetto della forza

centrifuga la parte finale ruota e si mette parallela alla direzione del

vento (a bandiera) frenando la pala (tutto in modo passivo)

Effettuo l’imbardata andando a ruotare la navicella così che la proiezione

 dell’area investita dal vento sarà minore diminuendo la potenza estratta

(sfilo la turbina dal vento) è un metodo poco usato perché porta a



importanti vibrazioni sulla macchina che riducono i cicli a fatica, inoltre

non permette una regolazione fine.

2 CASO DI REGOLAZIONE – GIRI FISSI, PITCH VARIABILE

Una regolazione più accurata si può eseguire cambiando l’angolo di pitch delle

pale dopo la velocità nominale. Le possibili scelte sono due: un aumento

dell’angolo di pitch o una sua diminuzione. Una volta definito l’angolo di flusso

φ, un aumento dell’angolo di pitch (3) diminuisce l’angolo di lavoro del profilo

alare. Ciò