L’aria compressa prodotta dal SeaSpoon andrà ad alimentare il dispositivo microturbina, per la conversione in energia elettrica. L’alimentazione elettrica e l’autonomia energetica sono un collo di bottiglia per le applicazioni “off-grid” quali, per esempio, strumentazione di monitoraggio ambientale, antenne di telecomunicazione, dispositivi mobili e, in generale, tutte quelle infrastrutture collocate in zone non raggiungibili dalla rete elettrica nazionale. Tra le diverse fonti ambientali da cui è possibile recuperare energia si può annoverare anche quella associata ai fluidi (liquidi o aeriformi) in pressione. La microturbina con il suo generatore integrato è in grado di produrre energia elettrica a partire da un gas in pressione. In particolare essa trova applicazione in tutte le situazioni in cui sia presente un salto di pressione (passaggio di un fluido da una certa pressione ad una inferiore). Infatti la microturbina è messa in rotazione dal passaggio del fluido attraverso la palettatura; sulla parte rotante è presente un magnete permanente che consente di stabilire un’interazione elettromagnetica con lo statore elettrico. Quest’ultimo presenta un avvolgimento trifase in rame nel quale si inducono una tensione e una corrente alternate disponibili ai morsetti. Il sistema sopra descritto è racchiuso all’interno di un guscio in alluminio.
La potenza elettrica generata in AC viene poi raddrizzata in DC e stabilizzata e può direttamente alimentare un carico elettrico o ricaricare una batteria. La microturbina può pertanto sostituire accumuli sovradimensionati, permettendo la ricarica periodica di batterie poste in zone remote in cui la ricarica sarebbe impossibile. Questo permette di risparmiare i costi di sostituzione delle batterie in zone remote ed in generale di ridurre i cablaggi. Alla luce di ciò i dati sperimentali presentati sono stati ottenuti con un carico resistivo che simula la condizione di alimentazione diretta e con una batteria che simula la funzione caricabatteria.
167 Figura 129 - Modello ottimizzato della microturbina
Figura 129 mostra l’attuale design della microturbina mentre, Figura 130, ne mostra schematicamente le dimensioni di ingombro (in millimetri)
Figura 130 - Ingombri microturbina in mm
L’acquisizione dei dati della microturbina è stata sviluppata invece attraverso un apposito sistema di testing, rappresentato in Figura 131.
Il sistema è costituito dalle seguenti parti:
- una valvola manuale che regola la pressione a monte della microturbina. Tale pressione è rilevata da un sensore di pressione (blocco “A”).
168 - Un flussimetro (sensore di portata massica) posto in serie alla linea che misura la
portata (blocco “B”).
- Un oscilloscopio (blocco ”C”) che consente la misura della tensione lato AC prodotta dalla microturbina e della frequenza.
- Le tre fasi del generatore sono collegate alla morsettiera di una scheda composta da un raddrizzatore AC/DC, e da un circuito di frenatura elettrica che interviene in caso di sovravelocità. In uscita alla scheda è collegato un carico costituito da una resistenza (blocco “D”).
- Al fine di determinare la corrente e la tensione lato DC sono stati collegati due multimetri rispettivamente in serie e in parallelo alla resistenza (blocco “E”).
Figura 131 - banco di misura della microturbina
169 Figura 132 - schema a blocchi del banco di misura della microturbina
La conversione AC/DC, invece, è realizzata tramite un raddrizzatore a ponte a diodi trifase, il cui circuito è rappresentato in Figura 133.
Figura 133 - circuito equivalente del convertitore AC/DC
Per quanto riguarda invece la linea d’aria, è necessario sottolineare che l’intera campagna di caratterizzazione della microturrbina è stata svolta all’interno dei laboratori di Advanced Microturbines, grazie alla strumentazione lì presente. Primo fra tutti un compressore centralizzato capace di fornire aria compressa al circuito pneumatico e quindi al banco prova. L’aria compressa proveniente dal compressore contiene impurità di vario genere oltre a contenere della condensa. Questo pone la necessità di filtrare l’aria di processo prima di immetterla nel circuito pneumatico. A tale scopo si utilizza un set di tre filtri disposti in serie (Figura 134):
1. Separatore di condensa: blocca la condensa presente nell’aria compressa. 2. Pre-filtro dell’aria che blocca le particelle più grossolane.
170 3. Microfiltro disoleatore: separa ed elimina la nebbia d’olio presente nell’aria
compressa e rimuove le particelle solide fini.
Figura 134 - Sistema di filtraggio all’ ingresso
L’aria così depurata passa attraverso un regolatore manuale di pressione con manometro integrato e mediante un tubo flessibile della lunghezza di 1 m giunge alla sezione di ingresso della linea in pressione sul banco prova. Successivamente, la portata d’aria compressa presente nel circuito pneumatico viene misurata attraverso un flussimetro massico (Figura 135) con uscita in standard litri/min (Cole-Parmer TW-32648-45).
171 La pressione in ingresso al sistema è misurata tramite un sensore di pressione (Metal Work 9000600). Ed infine, a tensione alternata (concatenata) è misurata tramite oscilloscopio Tektronix MSO2024 in grado di fornire il valore efficace (RMS) mentre la corrente e la tensione lato continua sono misurate utilizzando un multimetro Fluke 177.
Il metodo di misura consiste quindi nel seguente processo:
- Annotazione delle misure dopo dieci secondi dall’immissione della pressione in ingresso in modo che il transitorio sia esaurito al momento della rilevazione.
- Fissato un carico, la pressione in ingresso viene fatta variare in modo crescente, assumendo undici valori totali prestabiliti (carico resistivo con tre valori crescenti di resistenza (24, 47 e 100 ohm) e batteria da 12V/24V)
- Misurazione di: Pressione in ingresso [bar], Portata [Standardlitri/min], Frequenza [Hz], Tensione AC (RMS) [V], Tensione DC [V], Corrente DC [A].
- Da questi parametri sono state calcolate le quantità derivate: velocità di rotazione [rpm] a partire dalla frequenza, e la potenza in uscita [W] ottenuta come prodotto di tensione e corrente.
Seguendo il metodo di misura descritto, si sono effettuate le misure delle quantità più significative. In Figura 136 è riportato il legame tra tensione continua in uscita e velocità di rotazione al variare del carico. In accordo con la legge di Faraday, la dipendenza tra le due quantità è lineare. Infatti il campo magnetico che si concatena con le spire in rame è legato alla tensione dalla relazione:
𝑉 ∝ 𝜔𝐵𝑆𝑁𝑘 (144)
Dove B è il valore di induzione magnetica (costante trattandosi di un generatore a magnete permanente), S è la superficie, N è il numero di spire, k tiene conto delle costanti geometriche mentre ω è la velocità. La dipendenza dal carico è trascurabile, essendo bassa la caduta di tensione interna del generatore.
172 Figura 137 mostra il legame fra pressione in ingresso alla microturbina e velocità di rotazione. Si evince che, a parità di pressione in ingresso, utilizzando un carico basso (alta resistenza in uscita) la velocità di rotazione risulta maggiore rispetto a quella che si otterrebbe con una resistenza minore; Figura 138 mostra l’andamento potenza-pressione che, come si può osservare, è poco dipendente dal carico.
Figura 137 - Andamento della pressione di ingresso vs. velocità di rotazione, variando il carico
Figura 138 - Andamento della potenza lato DC vs. pressione di ingresso, variando il carico
Il legame tra potenza utilizzabile lato continua e velocità di rotazione è non lineare, come evidenziato dal grafico di Figura 139. Infatti la potenza è funzione non lineare della pressione e la velocità di rotazione della macchina è data dall’equilibrio fra la potenza meccanica
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 DC lo ad p o w er [W]
Inlet pressure [barg]
DC load power vs. Inlet pressure
24 [ohm] 47 [ohm] 100 [ohm]
173 fornita in ingresso alla microturbina quella elettrica assorbita dal carico e le perdite nei vari termini di attrito. Essendo le varie relazioni costitutive non lineari ne consegue che anche il legame pressione-velocità non sia lineare.
Figura 139 - Andamento della potenza lato DC vs. velocità di rotazione, variando il carico
In Figura 140 è riportato l’andamento della portata di aria compressa che attraversa la microturbina e la potenza fornita al carico. La potenza è funzione non lineare della pressione e della portata e, essendo la portata un parametro legato alla fluidodinamcia della macchina, è scarsamente dipendente dal carico elettrico.
Figura 140 - Andamento della potenza lato DC vs. portata, variando il carico
Infine, la Figura 141 mostra la corrente prodotta al variare della velocità di rotazione, in funzione del carico.
174 Figura 141 - Andamento della corrente lato DC vs. velocità di rotazione, variando il carico
Test simili sono stati condotti cambiando poi la natura del carico elettrico, verificando così un comportamento differente della macchina. Collegando in serie al ponte a diodi una batteria al posto della resistenza di carico, il legame tra i parametri risulta differente rispetto al caso presentato in precedenza. Le misure sono state effettuate collegando una batteria da 12 V e, successivamente, una da 24 V con la medesima configurazione degli altri parametri elettrici e meccanici. Nel caso di sistema con carico resistivo si è visto come l’aumento della pressione comporti un incremento pressoché lineare di velocità. Al contrario, sostituendo la resistenza con una batteria e aumentando la pressione in ingresso, la velocità di rotazione della microturbina rimane circa invariata, come mostrato in Figura 142 poiché la batteria impone la tensione e quindi la velocità. In altre parole agisce come un regolatore di velocità. Inoltre si può notare che, inserendo la batteria da 24 V la velocità è circa doppia rispetto a quella raggiunta con la batteria da 12 V.
175 Quindi, a parità di potenza meccanica imposta in ingresso al sistema e con una resistenza come carico, ad un incremento di tensione corrisponde un aumento di corrente (legge di Ohm) e di velocità. Invece, nel caso di una batteria, per una tensione sviluppata dal sistema inferiore a quella di carica, la corrente non fluisce nel circuito. Per ricaricare la batteria è necessario che la tensione in uscita raggiunga quella dello stato di carica della batteria. In Figura 143 è presentato l’andamento tensione-corrente per i due casi (12V e 24V) al variare della pressione in ingresso. Si può osservare che, all’aumentare della pressione, la tensione si mantiene pressoché costante mentre la corrente tende ad aumentare in maniera significativa. In questa condizione la corrente continua in uscita è superiore rispetto al caso corrispondente con carico resistivo. Questa corrente agisce da freno sul generatore comportando un equilibrio tra i campi magnetici presenti nell’avvolgimento all’ interno della microturbina e costringendo la macchina elettrica a lavorare a giri quasi costanti. Infatti nelle spire della macchina nasce una corrente molto elevata che genera un campo magnetico in opposizione al campo magnetico creato dal magnete permanente. Idealmente la velocità di rotazione sarebbe costante al variare della potenza meccanica in ingresso ma, a causa della presenza di fenomeni parassiti introdotti dall’impedenza del circuito e dalla batteria stessa, è possibile notare una variazione intorno al 20%.
Figura 143 - Andamento della corrente vs. tensione lato DC, con batteria da 12 V e 24 V
Infine, in Figura 144 viene mostrato l’andamento della potenza prodotta in funzione della pressione. In particolare si può notare che la massima potenza sviluppata è dell’ordine dei 40-50 W a pressioni dell’ordine dei 2 bar.
176 Figura 144 - Andamento della potenza vs. pressione, con batteria da 12 V e 24 V