Componenti di un impianto collegato alla rete

A prescindere dal tipo di rotore, il cui scopo è quello di raccogliere l’energia cinetica

Fig. 3.1: esempi di aerogeneratori ad asse orizzontale di potenza inferiore a 200kW

del vento per trasformarla in energia meccanica all’asse della turbina, vi sono alcuni componenti meccanici ed elettrici comuni alla maggior parte degli aerogeneratori anche di piccola taglia.

Di seguito sono descritti i principali componenti che possono essere presenti in un generico impianto eolico, (si tenga presente che alcune configurazioni non richiedono la presenza di tutti gli apparati sotto indicati):.

Trasmissione meccanica

È costituita da quegli organi che trasmettono il moto dal rotore al generatore; può anche comprendere un moltiplicatore di giri con la funzione di elevare la velocità di rotazione all’asse del rotore per adattarla a quella richiesta dal generatore elettrico. Questo componente è raramente presente nelle macchine di minore potenza come in quelle ad asse verticale, così come lo è il moltiplicatore di giri; vi sono anche modelli di mini aerogeneratori di potenza medio-alta in cui l’asse del rotore è direttamente connesso al generatore elettrico. La presenza del moltiplicatore di giri comporta maggiori pesi, riduzione del rendimento della conversione d’energia, potenziale incremento della rumorosità e riduzione dell’affidabilità complessiva della macchina, d'altro canto permette di utilizzare generatori commerciali ad elevato numero di giri riducendo in questo modo i costi della parte elettrica ed i carichi aerodinamici sul rotore che può essere dimensionato per velocità inferiori.

Generatore

Il generatore elettrico è il principale componente elettromeccanico dell'aerogeneratore ed ha il compito di trasformare l'energia meccanica in energia elettrica.

Tralasciando i classici generatori in corrente continua (dinamo), il cui uso è ormai completamente abbandonato per le macchine eoliche, si individuano due tipi di generatore elettrico utilizzati:

- generatori sincroni sono macchine a velocità variabile, che quindi possono essere accoppiate a rotori di turbina a velocità variabile. Il vantaggio principale è la possibilità di avere un range di funzionamento dell'aerogeneratore più ampio e semplificare il sistema di controllo di velocità del rotore; ad ogni modo il massimo rendimento del generatore si ha per una gamma di velocità piuttosto ristretta. Per il corretto funzionamento di questi generatori è tuttavia necessario l’accoppiamento con un sistema composto da raddrizzatore, inverter, filtri per la regolazione della frequenza e la stabilizzazione della corrente immessa in rete. In generale i generatori sincroni installati sui piccoli aerogeneratori hanno induttori a magneti permanenti e sono costruiti con materiali costosi, quali il neodimio o terre rare, che

però consentono migliori rendimenti, compattezza e contenimento dei pesi.

- generatori asincroni sono invece caratterizzati dal funzionamento a velocità di rotazione pressoché costante e forniscono direttamente una corrente alternata idonea per essere immessa in rete senza la necessità di inverter. Per contro, necessitano di un apporto di energia reattiva dall'esterno per sostenere il campo magnetico induttore.

Sistemi di controllo e sicurezza

Lo scopo principale del sistema di controllo è quello di cercare di mantenere l'aerogeneratore in funzione nella condizione più favorevole di produzione di energia anche al variare del vento o nel caso di raffiche molto forti.

Il sistema di regolazione della velocità del rotore sulle macchine più piccole è sicuramente il controllo per stallo “stall control” .Lo stallo è il risultato della perdita di portanza dopo un angolo critico d'incidenza (intorno ai 20°) del profilo aerodinamico rispetto alla vena fluida, con conseguente riduzione dell’efficienza. In questa condizione la portanza del profilo crolla bruscamente e con essa la spinta tangenziale e, di conseguenza, la coppia disponibile all'albero. Tale sistema è utilizzato per i rotori a pale fisse, sia ad asse verticale che orizzontale: al superamento della velocità nominale il sistema di controllo mantiene costante la velocità del rotore (aumento dell'estrazione di coppia da parte del generatore). Tale approccio ha

Fig. 3.3: Curva di un generatore SMP, la massima efficienza si ha per un range di velocità molto limitato

l'indubbio vantaggio di permettere la realizzazione di un rotore economico e privo di parti mobili nonché di permettere il funzionamento dell'aerogeneratore sino a velocità del vento molto alte; d'altro canto tutti i componenti (pale, generatore e struttura) devono essere sovradimensionati dovendo resistere in funzionamento a sollecitazioni molto maggiori rispetto a rotori di altro genere.

Il controllo del passo della pala “pitch control” viene generalmente applicato nelle macchine più grandi per via dei suoi costi e della complessità generale richiesta. Tale sistema prevede il controllo della potenza tramite la variazione dell’angolo di calettamento delle pale sul hub: quando si raggiunge la velocità di rotazione nominale, l’attuatore modifica l’angolo di attacco degradando in questo modo il profilo aerodinamico e quindi rallentando il rotore. Il sistema di azionamento può continuare la propria azione sino al raggiungimento della configurazione a “bandiera”, dove il profilo della pala è parallelo alla vena fluida e quindi offre una resistenza pressoché nulla: tale configurazione corrisponde alla condizioni di arresto e messa in sicurezza della macchina. Questa soluzione, solitamente utilizzata nelle HAWT, è possibile anche per l’asse verticale: il ciclogiro “Giromill” è stato il primo aerogeneratore ad asse verticale ad avere utilizzato questo concetto. Generalmente questo sistema è di tipo attivo: uno o più motori azionano il sistema in relazione ai parametri rilevati da dei sensori, oppure passivo, dove l'azionamento è comandato da dispositivi meccanici centrifughi.

Quasi tutti i moderni aerogeneratori sono equipaggiati con specifici software di controllo secondo logiche proprietarie, che comandano i sistemi di controllo aerodinamici, elettrici o combinati.

Tali sistemi evoluti non solo permettono un funzionamento della turbina in un range di velocità più ampio, ma ne massimizzano anche il rendimento seguendo, istante per istante, la curva di massimo rendimento, per esempio variando la coppia frenante da applicare al generatore.

Sulle macchine ad asse orizzontale il controllo può anche agire anche attraverso l'orientamento attivo dell'imbardata della navicella “yaw control” qualora la macchina ne sia dotata; di frequente nelle HAWT più piccole il sistema di orientamento è di tipo passivo, ovvero l'aerogeneratore si orienta per mezzo di un timone posto sottovento. La logica di controllo necessità per il suo funzionamento di un numero variabile di sensori a seconda del tipo di aerogeneratori, quali ad esempio:

- velocità di rotazione albero rotore; - vibrazioni (sulle pale, navicella e torre);

- temperatura generatore elettrico; - temperatura organi meccanici; - intensità e direzione del vento.

Spesso poi, per garantire la sicurezza si adotta il principio della ridondanza, affiancando ai sistemi di controllo uno o più sistemi di emergenza di tipo meccanico o elettromeccanico su un circuito indipendente, in grado di portare la macchina nella posizione di arresto di sicurezza in caso di mancato funzionamento della rete o di superamento della velocità limite di progetto.

Il sistema di protezione contro i fulmini non è sempre presente, soprattutto negli impianti eolici di taglia più piccola, mentre è sempre installato in quelli di taglia maggiore.

Sono numerosi i costruttori che, assieme all’aerogeneratore e ad eventuali servizi di ingegneria ed installazione, offrono anche un sistema di monitoraggio con diverso grado di funzionalità, dal semplice dato di produzione per la verifica delle prestazioni energetiche sino al completo monitoraggio in tempo reale degli stati macchina con segnalazione immediata degli stati macchina e delle anomalie. Tali sistemi, storicamente dedicati ai grandi impianti, stanno via via diventando un valore aggiunto che viene fornito anche negli aerogeneratori più piccoli dai produttori con una consolidata esperienza.