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La pala di una turbina eolica non è una semplice "tavola che cattura il vento". Sfrutta la portanza e la resistenza aerodinamica per generare una coppia rotazionale, trasmettendo una rotazione ampia e a bassa velocità a un riduttore o a un generatore ad azionamento diretto. L'energia generata viene poi convertita in tensione, frequenza e potenza reattiva da un convertitore, per poi passare attraverso un trasformatore e una linea di trasmissione fino alla rete elettrica. Considerare l'energia eolica come un'unica macchina significa valutare non solo l'intensità del vento, ma anche la turbolenza, la fatica delle pale, le previsioni, la manutenzione e il controllo della rete.
Esempio di energia eolica offshoreImage: Middelgrunden wind farm (Kim Hansen / Richard Bartz, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. A field photograph illustrating turbine spacing, not a specification for every current turbine.
0. Riepilogo di 30 secondi
- La potenza ideale estraibile dal vento è P=\frac12\rho A v^3 C_p. Poiché è proporzionale al cubo della velocità del vento v, piccole differenze nella risorsa eolica comportano una grande differenza nella produzione annua.
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- La potenza ideale estraibile dal vento è P=\frac12\rho A v^3 C_p. Poiché è proporzionale al cubo della velocità del vento v, piccole differenze nella risorsa eolica fanno una grande differenza nella produzione annua.
Nessuna turbina può recuperare il 100% dell'energia cinetica del vento; il limite massimo è rappresentato dal limite di Betz, circa il 59,3%. Il C_p di una macchina reale varia in base alla velocità del vento, all'angolo delle pale, al sistema di controllo e alla turbolenza.
Il controllo del passo regola l'angolo delle pale, il controllo dell'imbardata orienta la navicella verso il vento e il controllo della coppia del generatore regola la velocità del rotore. In presenza di vento forte, la potenza erogata viene ridotta e la turbina si arresta per motivi di sicurezza.
A terra, i fattori predominanti sono il trasporto, il rumore e l'impatto sul paesaggio; in mare (a fondale fisso), i fattori predominanti sono le fondazioni, i cavi sottomarini, i tifoni e le navi di manutenzione; in mare aperto, i fattori predominanti sono l'ormeggio e il movimento.
Nell'interconnessione alla rete, gli inverter a velocità variabile gestiscono la potenza attiva, la potenza reattiva, la tensione e la risposta in frequenza. L'errore di previsione viene compensato combinando batterie, energia idroelettrica e gestione della domanda.
1. L'energia cinetica del vento e il limite di Betz
Figura 1 — Al di sotto dell'avvio non c'è potenza utile; tra l'avvio e la velocità nominale, la potenza aumenta rapidamente; al di sopra della velocità nominale, il controllo del passo limita la potenza fino allo spegnimento.
L'aria di densità \rho che passa a velocità v attraverso un'area spazzata A=\pi R^2 trasporta un'energia cinetica per unità di tempo pari a
Se la velocità della scia dietro la turbina fosse ridotta a zero, il flusso d'aria si arresterebbe completamente, quindi è fondamentale ottimizzare la caduta di velocità attraverso la turbina tramite la conservazione dell'energia cinetica. La quantità di moto limita la frazione estraibile a
e non oltre. C_p è il coefficiente di potenza, una funzione C_p(\lambda,\beta) del rapporto di velocità periferica \lambda=\omega R/v e dell'angolo di passo \beta. A bassa velocità del vento, la turbina accelera per seguire la velocità ottimale \lambda; al di sopra della velocità del vento nominale, il passo viene modificato per mantenere costante la potenza erogata.
2. Pala, Navicella, Torre
La pala converte la portanza di un profilo alare in una forza tangenziale. Pale più lunghe e sottili aumentano la superficie, ma aumentano anche la fatica dovuta alla gravità, alla forza centrifuga e al carico del vento. Il mozzo e l'albero principale, il generatore, il riduttore e il quadro di controllo si trovano all'interno della navicella, mentre la torre e le fondamenta trasferiscono i carichi al terreno. Con l'aumento delle dimensioni delle turbine, la frequenza naturale della pala, la risonanza della torre, la latenza di controllo, Fulmini, corrosione salina e formazione di ghiaccio influiscono direttamente sulla progettazione.
3. Controllo di beccheggio, imbardata e coppia
Controllo del beccheggio
La modifica dell'angolo di beccheggio della pala \beta modifica la portanza e la coppia. Al di sotto della velocità del vento nominale, \beta viene mantenuto al suo valore ottimale; al di sopra della velocità del vento nominale, l'angolo di incidenza viene ridotto per limitare la potenza erogata. È necessaria la ridondanza in modo che, in caso di guasto dell'attuatore idraulico o elettrico, la pala possa comunque muoversi in posizione di bandiera (un angolo che disperde il vento).
Controllo dell'imbardata
Il controllo dell'imbardata, che orienta la navicella verso il vento, utilizza la banderuola e l'anemometro, la potenza erogata e la torsione della torre. Un'imbardata troppo frequente sollecita eccessivamente il sistema di azionamento dell'imbardata e i cavi, pertanto la direzione media del vento e la turbolenza vengono filtrate per bilanciare la perdita di potenza con la fatica.
Coppia del generatore
Nelle turbine a velocità variabile, la coppia del generatore T_g è variava con la velocità per seguire il rapporto ottimale tra velocità periferica e velocità di rotazione. L'equazione del moto rotatorio è:
dove J è l'inerzia, T_a è la coppia aerodinamica e T_f è la coppia di perdita. Gli schemi di controllo che forniscono virtualmente inerzia alla rete rilasciano temporaneamente l'energia cinetica rotazionale della turbina per attenuare i cali di frequenza, ma la potenza erogata deve poi essere ridotta durante il periodo in cui il rotore recupera velocità.
4. Velocità fissa, velocità variabile e interconnessione alla rete
I generatori a induzione a velocità fissa sono semplici da costruire, ma le variazioni della velocità del vento si propagano facilmente in coppia meccanica e sulla rete. Un generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG) utilizza un convertitore a capacità parziale sul lato del rotore per controllare la gamma di velocità variabile e la potenza reattiva. Un generatore sincrono a magneti permanenti con un convertitore a piena capacità disaccoppia elettricamente Il generatore è collegato alla rete, consentendo il controllo su un'ampia gamma di velocità, a costo di maggiori spese per semiconduttori di potenza e magneti.
Gli inverter utilizzano comunemente il controllo di inseguimento della rete, seguendo la fase della rete tramite un PLL, ma le reti offshore deboli o le isole isolate richiedono il controllo di formazione della rete. Un controllore di parco eolico che supervisiona un gruppo di turbine coordina la potenza erogata dalle singole turbine, la potenza reattiva, la velocità di variazione della potenza e la limitazione della produzione, trasmettendo i comandi dell'operatore di rete, le previsioni meteorologiche e lo stato di carica della batteria nella stessa gerarchia di controllo.
5. Onshore, Offshore a fondo fisso e Galleggianti
| Tipologia | Punti di forza | Principali sfide | Obiettivi di ricerca |
|---|---|---|---|
| Onshore | Costruzione/manutenzione relativamente semplici; vicinanza alla rete di trasmissione | Rumore, paesaggio, trasporto stradale, turbolenza | Adattamento ad ambienti con terreno elevato, previsioni, ripotenziamento |
| Offshore a fondo fisso | Vento forte, possibilità di installazioni su larga scala, distanti dagli insediamenti abitativi | Fondazioni, impianti sottomarini Cavi, spedizioni, corrosione | Fatica nella classe 15 MW, logistica portuale/edile |
Galleggiante offshore | Può essere impiegata in acque profonde | Ormeggio, movimento, tifoni, cavi sottomarini | Controllo accoppiato, galleggianti leggeri, robot di manutenzione |
In mare, la turbina, il galleggiante, l'ormeggio, le onde e il cavo di alimentazione sono tutti accoppiati. La variazione del passo delle pale modifica il carico aerodinamico, che influenza il movimento della torre e del galleggiante; la variazione della coppia del generatore modifica la velocità del rotore e il carico di ormeggio. La ricerca si sta spostando oltre un singolo PID verso il controllo predittivo basato su modello, il controllo di mitigazione del carico e i gemelli digitali che estendono la durata a fatica.
6. Previsioni, manutenzione e ambiente
Le previsioni dell'energia eolica combinano modelli meteorologici, lidar, dati satellitari, velocità del vento sulla navicella e dati sulla scia delle turbine vicine per produrre distribuzioni di probabilità da minuti a giorni in anticipo. Durante i periodi di elevato errore di previsione, la capacità delle batterie viene tenuta in riserva e vengono predisposte le risposte termiche, idroelettriche e alla domanda.
La manutenzione monitora vibrazioni, temperatura e analisi dell'olio su Il cuscinetto dell'albero principale, il riduttore, il generatore, il cuscinetto di passo e le pale. Le immagini aeree acquisite tramite drone e le ispezioni acustiche verificano la presenza di delaminazione delle pale e danni da fulmine, combinando i segni di anomalia con le condizioni del vento per decidere quando programmare gli arresti. L'impatto su uccelli e pipistrelli, mammiferi marini, pesca ed ecosistemi del fondale marino deve essere valutato insieme alla scelta del sito, al controllo operativo e al monitoraggio, non in modo isolato.
7. Riepilogo
L'energia eolica è un sistema che trasferisce la quantità di moto dell'aria in sequenza a pale, albero, generatore, inverter, trasformatore e rete. La legge del cubo della velocità del vento e il limite di Betz definiscono il limite massimo di potenza erogabile; il controllo di passo, imbardata e coppia determina il carico meccanico e la qualità dell'energia; le previsioni e la manutenzione ne determinano la disponibilità. Quando si leggono ricerche su turbine offshore/galleggianti o inverter per la formazione della rete, è utile confrontarli non solo in base all'efficienza di conversione, ma anche considerando fattori come la fatica del materiale, il cablaggio, i porti, le condizioni meteorologiche, l'ambiente e il funzionamento in rete.
Cosa succede al flusso di energia eolica quando la velocità raddoppia?
Aumenta di otto volte a parità di densità e area. La potenza effettiva di una turbina è limitata dalla sua curva di potenza e dalle condizioni di arresto.
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