Design delle turbine eoliche
Design delle paleModifica
Il rapporto tra la velocità delle punte delle pale e la velocità del vento è chiamato tip speed ratio. Le turbine a 3 pale ad alta efficienza hanno rapporti di velocità di punta/velocità del vento da 6 a 7. Le turbine eoliche moderne sono progettate per girare a velocità variabili (una conseguenza del design del loro generatore, vedi sopra). L’uso di alluminio e materiali compositi nelle loro pale ha contribuito a bassa inerzia rotazionale, il che significa che le turbine eoliche più recenti possono accelerare rapidamente se il vento aumenta, mantenendo il rapporto di velocità di punta più quasi costante. Il funzionamento più vicino al loro rapporto ottimale di velocità di punta durante le raffiche di vento energetiche permette alle turbine eoliche di migliorare la cattura dell’energia dalle raffiche improvvise che sono tipiche degli ambienti urbani.
Al contrario, le turbine eoliche di vecchio stile sono state progettate con pale d’acciaio più pesanti, che hanno un’inerzia più elevata, e ruotavano a velocità regolate dalla frequenza AC delle linee elettriche. L’alta inerzia tamponava i cambiamenti di velocità di rotazione e quindi rendeva l’output di potenza più stabile.
Si sa che il rumore aumenta con l’aumento della velocità di punta delle pale. Aumentare la velocità di punta senza aumentare il rumore permetterebbe di ridurre la coppia nel cambio e nel generatore e di ridurre i carichi strutturali complessivi, riducendo così i costi.La riduzione del rumore è legata all’aerodinamica dettagliata delle pale, in particolare ai fattori che riducono lo stallo improvviso. L’incapacità di prevedere lo stallo limita lo sviluppo di concetti aerodinamici aggressivi. Alcune pale (per lo più su Enercon) hanno un’aletta per aumentare le prestazioni e ridurre il rumore.
Una pala può avere un rapporto tra portanza e resistenza di 120, rispetto a 70 per un aliante e 15 per un aereo di linea.
Il mozzoModifica
Nei progetti semplici, le pale sono direttamente imbullonate al mozzo e non sono in grado di inclinarsi, il che porta allo stallo aerodinamico oltre certe velocità del vento. In altri design più sofisticati, sono imbullonate al cuscinetto del passo, che regola il loro angolo di attacco con l’aiuto di un sistema di passo secondo la velocità del vento per controllare la loro velocità di rotazione. Il controllo del passo è effettuato da sistemi idraulici o elettrici (batteria al piombo o ultra condensatore). Il cuscinetto del passo è a sua volta imbullonato al mozzo. The hub is fixed to the rotor shaft which drives the generator directly or through a gearbox.
Blade countEdit
The number of blades is selected for aerodynamic efficiency, component costs, and system reliability. Le emissioni di rumore sono influenzate dalla posizione delle pale sopra o sottovento alla torre e dalla velocità del rotore. Dato che le emissioni di rumore dai bordi d’uscita e dalle punte delle pale variano in base alla quinta potenza della velocità delle pale, un piccolo aumento della velocità delle punte può fare una grande differenza.
Le turbine eoliche sviluppate negli ultimi 50 anni hanno usato quasi universalmente due o tre pale. Tuttavia, ci sono brevetti che presentano progetti con lame aggiuntive, come la turbina eolica integrata Multi-unit rotor blade system di Chan Shin.L’efficienza aerodinamica aumenta con il numero di pale ma con un ritorno decrescente. Aumentando il numero di pale da uno a due si ottiene un aumento del sei per cento dell’efficienza aerodinamica, mentre aumentando il numero di pale da due a tre si ottiene solo un ulteriore tre per cento di efficienza. Aumentando ulteriormente il numero di pale si ottengono miglioramenti minimi nell’efficienza aerodinamica e si sacrifica troppo nella rigidità delle pale quando queste diventano più sottili.
Teoricamente, un numero infinito di pale di larghezza zero è il più efficiente, operando ad un alto valore del rapporto di velocità di punta. Ma altre considerazioni portano a un compromesso di poche pale.
I costi dei componenti che sono influenzati dal numero di pale sono principalmente per i materiali e la fabbricazione del rotore della turbina e della trasmissione. In generale, più basso è il numero di pale, più bassi saranno i costi dei materiali e di fabbricazione. Inoltre, più basso è il numero di pale, più alta può essere la velocità di rotazione. Questo perché i requisiti di rigidità delle pale per evitare interferenze con la torre limitano lo spessore delle pale, ma solo per le macchine controvento; la deflessione delle pale in una macchina sottovento comporta un aumento della distanza dalla torre. Meno pale con velocità di rotazione più elevate riducono le coppie di picco nella trasmissione, con conseguente riduzione dei costi del cambio e del generatore.
L’affidabilità del sistema è influenzata dal numero di pale principalmente attraverso il carico dinamico del rotore nella trasmissione e nei sistemi della torre. Durante l’allineamento della turbina eolica ai cambiamenti di direzione del vento (imbardata), ogni pala sperimenta un carico ciclico alla sua estremità, a seconda della posizione della pala. Questo è vero per una, due, tre pale o più. Tuttavia, questi carichi ciclici, quando combinati insieme all’albero della trasmissione, sono simmetricamente bilanciati per tre pale, producendo un funzionamento più regolare durante l’imbardata della turbina. Le turbine con una o due pale possono usare un mozzo imperniato per eliminare quasi del tutto i carichi ciclici sull’albero motore e sul sistema durante l’imbardata. Una cinese da 3,6 MW a due pale è in fase di test in Danimarca. Mingyang won a bid for 87 MW (29 * 3 MW) two-bladed offshore wind turbines near Zhuhai in 2013.
Finally, aesthetics can be considered a factor in that some people find that the three-bladed rotor is more pleasing to look at than a one- or two-bladed rotor.
Blade materialsEdit
In general, ideal materials should meet the following criteria:
- wide availability and easy processing to reduce cost and maintenance
- low weight or density to reduce gravitational forces
- high strength to withstand strong loading of wind and gravitational force of the blade itself
- high fatigue resistenza alla fatica per sopportare il carico ciclico
- elevata rigidità per garantire la stabilità della forma ottimale e l’orientamento della pala e il gioco con la torre
- elevata tenacità alla frattura
- la capacità di resistere agli impatti ambientali come i fulmini, umidità e temperatura
Questo restringe la lista dei materiali accettabili. I metalli sarebbero indesiderabili a causa della loro vulnerabilità alla fatica. Le ceramiche hanno una bassa tenacità alla frattura, che potrebbe portare a un guasto precoce delle pale. I polimeri tradizionali non sono abbastanza rigidi per essere utili, e il legno ha problemi di ripetibilità, specialmente considerando la lunghezza della lama. Questo lascia i compositi rinforzati con fibre, che hanno alta resistenza e rigidità e bassa densità, come una classe di materiali molto attraente per la progettazione di turbine eoliche.
Il legno e le vele di tela sono stati usati sui primi mulini a vento per il loro basso prezzo, disponibilità e facilità di fabbricazione. Le pale più piccole possono essere fatte con metalli leggeri come l’alluminio. Questi materiali, tuttavia, richiedono una manutenzione frequente. La costruzione in legno e tela limita la forma del profilo a una piastra piatta, che ha un rapporto relativamente alto di resistenza alla forza catturata (bassa efficienza aerodinamica) rispetto ai profili alari solidi. La costruzione di profili alari solidi richiede materiali poco flessibili come i metalli o i compositi. Alcune pale hanno anche incorporato dei parafulmini.
Nuovi progetti di turbine eoliche spingono la produzione di energia dalla gamma di megawatt singoli fino a oltre 10 megawatt usando pale sempre più grandi. Un’area più grande aumenta effettivamente il rapporto punta-velocità di una turbina a una data velocità del vento, aumentando così la sua estrazione di energia.
I software di ingegneria assistita dal computer come HyperSizer (originariamente sviluppato per la progettazione di veicoli spaziali) possono essere utilizzati per migliorare la progettazione delle pale.
Al 2015 i diametri del rotore delle pale eoliche onshore sono grandi come 130 metri, mentre il diametro delle turbine offshore raggiunge i 170 metri. Nel 2001, si stima che 50 milioni di chilogrammi di laminato di fibra di vetro siano stati usati nelle pale delle turbine eoliche.
Un obiettivo importante dei sistemi di pale più grandi è il controllo del peso delle pale. Poiché la massa delle pale è proporzionale al cubo del raggio della turbina, il carico dovuto alla gravità limita i sistemi con pale più grandi. I carichi gravitazionali includono carichi assiali e di trazione/compressione (parte superiore/inferiore della rotazione) e di flessione (posizioni laterali). La grandezza di questi carichi fluttua ciclicamente e i momenti laterali (vedi sotto) sono invertiti ogni 180° di rotazione. Le velocità tipiche del rotore e la vita di progetto sono ~10 e 20 anni, rispettivamente, con il numero di giri della vita dell’ordine di 10^8. Considerando il vento, ci si aspetta che le pale delle turbine passino attraverso ~10^9 cicli di carico. Sollevamento provoca flessione in direzione piatta (fuori dal piano del rotore), mentre il flusso d’aria intorno alla lama causa flessione in senso longitudinale (nel piano del rotore). La flessione dei flap comporta una tensione sul lato di pressione (sopravento) e una compressione sul lato di aspirazione (sottovento). I carichi del vento sono ciclici a causa della naturale variabilità della velocità del vento e del taglio del vento (velocità più elevate nella parte superiore della rotazione).
Il fallimento del carico ultimo delle pale del rotore delle turbine eoliche esposte al vento e al carico di gravità è una modalità di fallimento che deve essere considerata quando le pale del rotore sono progettate. La velocità del vento che causa la flessione delle pale del rotore mostra una variabilità naturale, e così la risposta allo stress nelle pale del rotore. Inoltre, la resistenza delle pale del rotore, in termini di resistenza alla trazione, presenta una variabilità naturale.
Alla luce di queste modalità di guasto e di sistemi di pale sempre più grandi, c’è stato uno sforzo continuo verso lo sviluppo di materiali economici con rapporti forza-massa più elevati. Per estendere l’attuale durata di 20 anni delle pale e consentire alle pale di aree più grandi di essere convenienti, il design e i materiali devono essere ottimizzati per la rigidità, la forza e la resistenza alla fatica.
La maggior parte delle pale delle turbine eoliche attualmente commercializzate sono fatte di polimeri rinforzati con fibre (FRP), che sono compositi costituiti da una matrice polimerica e fibre. Le fibre lunghe forniscono rigidità e forza longitudinale, mentre la matrice fornisce resistenza alla frattura, resistenza alla delaminazione, forza fuori piano e rigidità. Gli indici dei materiali basati sulla massimizzazione dell’efficienza energetica, e che hanno un’elevata tenacità alla frattura, resistenza alla fatica e stabilità termica, hanno dimostrato di essere i più alti per le plastiche rinforzate con fibre di vetro e di carbonio (GFRP e CFRP).
Nelle pale delle turbine, vengono usate matrici come i termoindurenti o le termoplastiche, le prime sono più comuni. Queste permettono alle fibre di essere legate insieme e aggiungono tenacità alla pala. I termoindurenti costituiscono l’80% del mercato, in quanto consentono una polimerizzazione a bassa temperatura e una viscosità inferiore, che si combina per una facile lavorazione. I termoplastici offrono una riciclabilità che i termoindurenti non hanno, tuttavia, la temperatura di lavorazione e la viscosità sono molto più alte, limitando la dimensione e la consistenza che è importante per le grandi pale. La tenacità alla frattura è maggiore per i termoplastici, ma il comportamento a fatica è peggiore. Mentre le termoplastiche offrono un possibile vantaggio ambientale, occorre fare più ricerca.
La produzione di pale nella gamma da 40 a 50 metri comporta tecniche collaudate di fabbricazione di compositi in fibra di vetro. Produttori come Nordex SE e GE Wind usano un processo di infusione. Altri produttori usano variazioni su questa tecnica, alcuni includono carbonio e legno con fibra di vetro in una matrice epossidica. Altre opzioni includono la fibra di vetro preimpregnata (“prepreg”) e lo stampaggio a trasferimento di resina assistito dal vuoto. Ognuna di queste opzioni utilizza un composito polimerico rinforzato con fibra di vetro costruito con diversa complessità. Forse il problema maggiore con i sistemi più semplicistici, a stampo aperto e a umido, sono le emissioni associate alle sostanze organiche volatili rilasciate. I materiali preimpregnati e le tecniche di infusione della resina evitano il rilascio di volatili contenendo tutti i VOC. Tuttavia, questi processi contenuti hanno le loro sfide, cioè la produzione di laminati spessi necessari per i componenti strutturali diventa più difficile. Poiché la permeabilità della resina della preforma detta lo spessore massimo del laminato, è necessaria l’evacuazione per eliminare i vuoti e garantire una corretta distribuzione della resina. Durante l’evacuazione, il tessuto asciutto fornisce un percorso per il flusso d’aria e, una volta che il calore e la pressione sono applicati, la resina può fluire nella regione asciutta risultando in una struttura laminata completamente impregnata.
I compositi a base epossidica hanno vantaggi ambientali, di produzione e di costo rispetto ad altri sistemi di resina. Le resine epossidiche permettono anche cicli di cura più brevi, una maggiore durata e una migliore finitura superficiale. Le operazioni di preimpregnatura riducono ulteriormente i tempi di lavorazione rispetto ai sistemi di laminazione a umido. Quando le pale delle turbine superano i 60 metri, le tecniche di infusione diventano più prevalenti; il tempo di iniezione tradizionale per lo stampaggio a trasferimento di resina è troppo lungo rispetto al tempo di allestimento della resina, limitando lo spessore del laminato. L’iniezione forza la resina attraverso una pila di strati più spessa, depositando così la resina all’interno della struttura del laminato prima che avvenga la gelificazione. Sono state sviluppate resine epossidiche specializzate per personalizzare la durata e la viscosità.
I longheroni portanti rinforzati con fibre di carbonio possono ridurre il peso e aumentare la rigidità. Si stima che l’uso delle fibre di carbonio nelle pale delle turbine di 60 metri riduca la massa totale delle pale del 38% e diminuisca il costo del 14% rispetto al 100% di fibra di vetro. Le fibre di carbonio hanno l’ulteriore vantaggio di ridurre lo spessore delle sezioni di laminato in fibra di vetro, affrontando ulteriormente i problemi associati alla bagnatura della resina delle sezioni spesse di lay-up. Le turbine eoliche possono anche beneficiare della tendenza generale all’aumento dell’uso e alla diminuzione del costo dei materiali in fibra di carbonio.
Anche se le fibre di vetro e di carbonio hanno molte qualità ottimali per le prestazioni delle pale delle turbine, ci sono diversi aspetti negativi di questi attuali riempitivi, compreso il fatto che un’alta frazione di riempimento (10-70% in peso) causa un aumento della densità, nonché difetti microscopici e vuoti che spesso portano a guasti prematuri.
Recenti sviluppi includono l’interesse nell’uso di nanotubi di carbonio (CNT) per rinforzare i nanocompositi a base polimerica. I CNT possono essere coltivati o depositati sulle fibre o aggiunti nelle resine polimeriche come matrice per le strutture FRP. Usando CNT su scala nanometrica come riempitivo al posto del tradizionale riempitivo su microscala (come le fibre di vetro o di carbonio) si ottengono nanocompositi CNT/polimero, per i quali le proprietà possono essere modificate significativamente a contenuti di riempitivo molto bassi (tipicamente < 5 wt%). Hanno una densità molto bassa e migliorano il modulo elastico, la resistenza e la tenacità alla frattura della matrice polimerica. L’aggiunta di CNT alla matrice riduce anche la propagazione delle cricche interlaminari che possono essere un problema negli FRP tradizionali.
La ricerca attuale su una fibra di carbonio a basso costo (LCCF) all’Oak Ridge National Lab ha anche guadagnato l’attenzione però, in quanto può mitigare il degrado strutturale causato dai fulmini. Sulle turbine eoliche in fibra di vetro, una protezione contro i fulmini (LSP) viene solitamente aggiunta in cima, ma questa è effettivamente un peso morto in termini di contributo strutturale. Sostituirla con una fibra di carbonio conduttiva, soprattutto perché la fibra di carbonio è un materiale migliore, sarebbe l’ideale.
Un altro sviluppo recente della ricerca è l’utilizzo di compositi polimerici con proprietà autorigeneranti per i materiali delle pale. I polimeri autorigeneranti sono attraenti per questa applicazione, poiché le pale della turbina formano crepe per fatica a causa delle sollecitazioni cicliche ripetute, descritte sopra, e possono quindi migliorare l’affidabilità e agire come tampone per vari difetti e delaminazioni. Così, in questa applicazione, il polimero è usato per guarire le crepe quando si formano. In particolare, uno studio si concentra sull’incorporazione di fili di rame rivestiti di cera di paraffina in un polimero rinforzato con fibre per creare una rete di tubi. Utilizzando questi tubi, diciclopentadiene (DCPD) e un catalizzatore, che poi reagiscono per formare un polimero termoindurente, che ripara le crepe che si formano nel materiale. Mentre questo è ancora all’inizio del processo R&D, offre uno sviluppo promettente, soprattutto per le reti di polimeri che sono inclini a difetti di fabbricazione o le turbine in ambienti offshore che sono soggette a una fatica estremamente elevata a causa di venti potenti.
Un ulteriore miglioramento è possibile attraverso l’uso di nanofibre di carbonio (CNF) nei rivestimenti delle pale. Uno dei principali problemi negli ambienti desertici è l’erosione dei bordi d’attacco delle pale da parte della sabbia trasportata dal vento, che aumenta la rugosità e diminuisce le prestazioni aerodinamiche. La resistenza all’erosione delle particelle dei polimeri rinforzati con fibre è scarsa rispetto ai materiali metallici e agli elastomeri e deve essere migliorata. È stato dimostrato che la sostituzione della fibra di vetro con CNF sulla superficie del composito migliora notevolmente la resistenza all’erosione. I CNF hanno anche dimostrato di fornire una buona conduttività elettrica (importante per i fulmini), un alto rapporto di smorzamento e una buona resistenza all’attrito da impatto. Queste proprietà rendono la carta nano a base di CNF un potenziale rivestimento per le pale delle turbine eoliche.
Per le turbine eoliche, specialmente quelle in mare aperto, o in ambienti umidi, si verifica anche l’erosione superficiale della base dell’acqua. Per esempio, nei climi freddi, il ghiaccio può accumularsi sulle pale e aumentare la rugosità, diminuendo la potenza di uscita e la durata delle pale della turbina. Inoltre, quando la pala gira ad alta velocità, questo stesso impatto di erosione può essere causato dall’acqua piovana. Quindi, un rivestimento che abbia un basso costo di installazione e nessun consumo di energia durante la sua vita è una buona soluzione. Un rivestimento deve avere le seguenti proprietà: buona adesione con la lama, resistenza alla temperatura (dai cambiamenti stagionali), resistenza agli agenti atmosferici (per resistere all’erosione da sale, pioggia, sabbia, ecc.), buona resistenza meccanica, capacità di resistere alla luce ultravioletta, e avere proprietà antigelo e ritardanti di fiamma. Insieme a questo, il rivestimento dovrebbe essere economico e rispettoso dell’ambiente.
Un’area attuale di ricerca su questi rivestimenti per la prevenzione dell’erosione del ghiaccio/dell’acqua sono le superfici super idrofobiche (SHS), dove le gocce d’acqua si accumulano e rotolano via dalle lame mentre girano. SHS ha dimostrato di prevenire anche la formazione di ghiaccio, fino a -25 C, poiché si è scoperto che cambia il processo di formazione del ghiaccio; in particolare, si formano piccole isole di ghiaccio sull’SHS, al contrario di un grande fronte di ghiaccio. Inoltre, a causa dell’area superficiale ridotta dalla superficie idrofoba, le forze aerodinamiche sulla lama hanno permesso a queste isole di scivolare via dalla lama, impedendo un’ulteriore formazione. Si stanno esplorando altre strategie per combinare questi rivestimenti con elementi di riscaldamento lungo le pale per prevenire ulteriormente la formazione di ghiaccio, ma poiché l’industria spinge per pale più lunghe, il consumo di energia per riscaldare le pale aumenta.
Un’altra importante fonte di degrado per le pale delle turbine è il danno da fulmine, che nel corso di una normale vita di 25 anni dovrebbe subire una serie di colpi di fulmine durante il suo servizio. La gamma di danni causati dai fulmini va dalla semplice bruciatura a livello superficiale e dalla rottura del materiale laminato, alla rottura della pala o alla completa separazione degli adesivi che tengono insieme la pala. È più comune osservare i fulmini sulle punte delle pale, specialmente con tempo piovoso a causa del cablaggio di rame all’interno che attira i fulmini. Il metodo più comune per combattere questo fenomeno, soprattutto nei materiali non conduttivi delle pale come il GFRP e il CFRP, è quello di aggiungere degli “scaricatori” di fulmini, che sono semplicemente dei cavi metallici che forniscono un percorso ininterrotto verso il suolo, saltando completamente le pale e il riduttore per eliminare il rischio di danni in questi componenti.
Riciclaggio delle pale
Il Global Wind Energy Council (GWEC) prevede che l’energia eolica fornirà il 15,7% del fabbisogno energetico totale del mondo entro il 2020 e il 28,5% entro il 2030. Questo drammatico aumento nella produzione globale di energia eolica richiederà l’installazione di una nuova e più grande flotta di turbine eoliche più efficienti e il conseguente smantellamento di quelle più vecchie. Secondo uno studio condotto dalla European Wind Energy Association, solo nel 2010, tra i 110 e i 140 chilotoni di compositi sono stati consumati dall’industria delle turbine eoliche per la fabbricazione delle pale. La maggior parte del materiale delle pale finirà come rifiuto, e per far fronte a questo livello di rifiuti di compositi, l’unica opzione è il riciclaggio. A partire dal 2020, la maggior parte delle pale alla fine dell’uso sono immagazzinate temporaneamente o mandate in discarica piuttosto che riciclate. In genere, i polimeri rinforzati con fibre di vetro (GFRP) costituiscono circa il 70% del materiale laminato della pala. I GFRP ostacolano l’incenerimento e non sono combustibili. Pertanto, i metodi di riciclaggio convenzionali devono essere modificati. Attualmente, a seconda che le singole fibre possano essere recuperate, esistono alcuni metodi generali per il riciclaggio delle GFRP nelle pale delle turbine eoliche:
- Riciclaggio meccanico: Questo metodo non recupera le singole fibre. I processi iniziali comportano la triturazione, la frantumazione o la macinazione. I pezzi frantumati vengono poi separati in frazioni ricche di fibre e di resina. Queste frazioni sono infine incorporate in nuovi compositi come riempitivi o rinforzi.
- Trattamento chimico/pirolisi: La decomposizione termica dei compositi è usata per recuperare le singole fibre. Per la pirolisi, il materiale viene riscaldato fino a 500 °C in un ambiente privo di ossigeno, provocandone la scomposizione in sostanze organiche di peso inferiore e prodotti gassosi. Le fibre di vetro perdono generalmente il 50% della loro forza iniziale e possono ora essere riciclate per applicazioni di rinforzo delle fibre nelle vernici o nel calcestruzzo. La ricerca ha dimostrato che questa opzione di fine vita è in grado di recuperare fino a circa 19 MJ/kg. Tuttavia, questo metodo ha un costo relativamente alto e richiede un pre-trattamento meccanico simile. Inoltre, non è stato ancora modificato per soddisfare la futura necessità di riciclaggio delle pale eoliche su larga scala.
- Riciclaggio strutturale diretto dei compositi: Sviluppato per combattere le inefficienze e i costi associati ai processi di riciclaggio chimico, termico e meccanico, che riducono le proprietà prestazionali o fungono solo da riempimento per altri compositi. L’idea generale di questo metodo è quella di riutilizzare il composito così com’è, il che può essere ottenuto soprattutto nei materiali compositi più grandi, poiché può essere suddiviso in diversi pezzi che possono essere utilizzati in altre applicazioni così come sono, senza alterare le proprietà chimiche del componente composito.
Una start-up, Global Fiberglass Solutions, afferma di avere un metodo per scomporre le lame e pressarle in pellet e pannelli di fibra da utilizzare per pavimenti e pareti. L’azienda ha iniziato a produrre campioni in un impianto a Sweetwater, Texas, vicino alla più grande concentrazione di parchi eolici del continente. Ha in programma un’altra operazione in Iowa.