ITVR20120178A1 - Turbina e sistema di controllo della sovra-potenza di detta turbina - Google Patents

Description

“TURBINA E SISTEMA DI CONTROLLO DELLA SOVRA-POTENZA DI DETTA TURBINAâ€

La presente invenzione si riferisce in generale ad una turbina e ad un sistema di controllo della sovra potenza di detta turbina.

Come noto, lo sfruttamento di energia eolica viene attuato per mezzo di apposite turbine, generalmente aventi rotore ad asse verticale o ad asse orizzontale rispetto al terreno.

La scelta della turbina da utilizzare in un’applicazione specifica dipende da una serie di fattori da considerare al momento dello studio dell’impianto, come ad esempio la particolare distribuzione del vento nel luogo di installazione.

Le turbine ad asse orizzontale si sono rivelate essere la scelta in genere migliore per lo sfruttamento della energia eolica, confinando la configurazione ad asse verticale ai casi in cui siano presenti condizioni particolari, come ad esempio limiti di dimensioni o di altro tipo.

Il comportamento delle turbine ad asse orizzontale note à ̈ di seguito descritto con riferimento alle figure 1, 2 e 3.

Nelle turbine ad asse orizzontale, le pale del rotore sono connesse all’albero di un generatore elettrico accoppiato elettromagneticamente con uno statore, così da poter ottenere una corrente elettrica dalla rotazione relativa del rotore rispetto allo statore. Maggiore la velocità di rotazione del rotore (indicata con RPM in ascisse in figura 3), maggiore à ̈ il voltaggio ottenuto (indicato con una linea continua e con V in ordinata). I generatori elettrici noti presentano un campo magnetico tra statore e rotore avente un flusso magnetico Ftncaratteristico.

In seguito con il pedice “tn†verranno indicati i parametri e i valori che si riferiscono alla tecnica nota.

Limiti costruttivi del rotore e limiti elettrici dei componenti impongono rispettivamente la massima velocità di rotazione Atne il massimo voltaggio Btnai quali può operare la turbina eolica e la relativa conversione in energia elettrica.

A seconda della tipologia costruttiva della turbina ad asse orizzontale presa in considerazione in sede di progetto, questa presenterà uno specifico funzionamento caratteristico, in base alla velocità del vento alla quale à ̈ sottoposta, come à ̈ visibile in figura 1. Per valutare questo funzionamento caratteristico à ̈ possibile rappresentare la potenza elettrica in uscita (indicata con P) in funzione della velocità del vento (indicata con WIND) che investe le pale della turbina, ottenendo la cosiddetta curva di potenza Ctn.

La curva di potenza Ctnà ̈ una rappresentazione utile all’identificazione del campo di utilizzo di ciascuna tipologia di turbina. Ciascuna turbina eolica presenta, infatti, una propria curva di potenza univoca, attraverso la quale può essere classificata, principalmente sulla base di tre parametri fondamentali: velocità di taglio inferiore Ntn, velocità nominale Gtne velocità di taglio superiore Htn.

Le turbine eoliche ad asse orizzontale note, a seconda della loro costruzione e del sistema di controllo adottato, presentano infatti una velocità di taglio inferiore Ntncorrispondente alla velocità del vento alla quale la turbina inizia a produrre energia elettrica.

La velocità nominale Gtnindica invece la velocità del vento minima alla quale la turbina arriva a produrre la propria potenza nominale Mtn.

La velocità di taglio superiore Htnà ̈ infine la velocità del vento scelta in sede di progetto come velocità massima oltre la quale la turbina non dovrebbe operare per evitare danneggiamenti.

I sistemi di controllo realizzati secondo la tecnica nota tentano di migliorare le prestazioni delle turbine eoliche dalla velocità di taglio inferiore Ntnalla velocità di taglio superiore Htn.

Ad esempio, per abbassare la velocità di taglio inferiore Ntnviene utilizzata energia dalla rete per avviare la rotazione delle pale, utilizzando in questo modo il generatore come un motore elettrico per un primo transitorio.

Nel campo delle velocità di vento comprese tra la velocità di taglio inferiore Ntne la velocità nominale Gtnil sistema di controllo consente solitamente di far ruotare l’albero del rotore della turbina eolica alla velocità di rotazione ottimale relativa alla velocità istantanea del vento. Le velocità ottimali sono determinate sperimentalmente e il controllo à ̈ attuato secondo modalità note.

Nel campo delle velocità del vento compreso tra la velocità nominale Gtne la velocità di taglio superiore Htnsono invece impiegati ulteriori elementi costruttivi e relativi controlli, per tentare di aumentare la velocità di taglio superiore Htn, così da sfruttare venti in un campo più ampio di velocità.

Una tipologia di controllo utilizzato nelle turbine note introduce un meccanismo di orientazione dell’asse di rotazione del rotore rispetto alla direzione del vento, noto come meccanismo di imbardata. Tale meccanismo impone una rotazione della turbina intorno ad un asse perpendicolare al suolo, portando quindi il rotore a lavorare con il proprio asse di rotazione non più parallelo rispetto alla direzione del vento. Il rotore può lavorare così con venti più forti, avendo però una minore efficienza aerodinamica.

Questo tipo di controllo necessita inoltre di un motore aggiuntivo che riesca a mantenere costante e controllato il disassamento tra asse di rotazione del rotore e direzione del vento, complicando di conseguenza la costruzione dell’intera macchina per la presenza del motore aggiuntivo, i relativi sensori e la gestione del controllo che deve costantemente seguire le variazioni di direzione e intensità del vento.

Un’altra modalità nota per il controllo della potenza convertita da una turbina eolica à ̈ la variazione dell’angolo di calettamento delle pale del rotore, modificando il comportamento aerodinamico di ogni pala in funzione della velocità del vento. Una volta raggiunta la potenza nominale Mtnfornita, questa viene mantenuta costante anche a fronte di un aumento della velocità del vento, tramite la variazione dell’angolo di calettamento, ottenendo così il comportamento di figura 1. La variazione dell’angolo di calettamento riduce in proporzione la portanza della pala, tentando di mantenere costante la coppia elaborata dal rotore.

Anche questo tipo di controllo introduce ulteriore complessità nella macchina, dovendo controllare continuamente la variazione dell’angolo di calettamento con mezzi motorizzati che devono essere monitorati e controllati attivamente.

Tali mezzi motorizzati, utilizzati sia per il controllo dell’angolo di calettamento che per l’orientazione dell’asse del rotore, assorbono inoltre una parte della potenza elettrica che potrebbe essere fornita alla rete, abbassando così il rendimento dell’intera macchina.

Con riferimento alla figura 2, un ulteriore metodo per controllare e limitare la velocità del rotore à ̈ quello di sfruttare la capacità di controllo di un inverter, componente elettrico già presente per convertire l’elettricità fornita dal generatore in una forma accettabile dalla rete elettrica di destinazione.

Variando le condizioni operative dell’inverter, tramite un controllo attivo, il carico elettrico imposto al generatore può essere modificato, influenzando così di conseguenza la velocità di rotazione delle pale del rotore.

In condizioni di forte vento, con velocità di vento superiori alla velocità nominale Gtn, che porterebbero il rotore ad aumentare la sua velocità di rotazione oltre la massima velocità di rotazione Atn, il controller dell’inverter richiede una maggior corrente al generatore, vista dal rotore come una richiesta di maggior coppia fornita. In questo modo il rotore viene frenato elettricamente e rallentato, impedendo che il numero di giri al minuto (di seguito RPM) della macchina superino la massima velocità di rotazione Atn.

La riduzione di RPM del rotore non può però essere mantenuta a lungo, ma solo per tempi brevi, ad esempio dell’ordine di qualche minuto, e comunque per velocità del vento (indicate con Htn) di poco superiori alla velocità nominale Gtn. I tempi limitati di utilizzo di questa tipologia di controllo sono determinati dal rischio che il generatore si surriscaldi fino a bruciare o fondere a causa del suo funzionamento ad una potenza maggiore rispetto alla potenza nominale.

Ciascun controllo secondo la tecnica nota dovrà quindi, entro un tempo limite di funzionamento condotto a potenze superiori alla potenza limite, e/o in presenza di velocità del vento superiori alla velocità di taglio superiore Htn, fermare la turbina, per evitare danneggiamenti all’intera macchina. La frenatura à ̈ comunemente attuata mediante appositi mezzi di frenatura meccanici o elettrici.

Una volta fermata la turbina, questa potrà ripartire soltanto quando si manifesteranno nuovamente le condizioni di vento favorevoli al suo funzionamento. Si dovrà inoltre attendere il tempo necessario al riavvio della turbina ed eventualmente richiedere nuovamente energia dalla rete elettrica per aiutarne l’avviamento.

I sistemi di controllo realizzati secondo la tecnica nota non sono quindi in grado di garantire un funzionamento ottimale e continuo della turbina in caso di venti variabili nel tempo. In particolare in caso di venti forti, che superino cioà ̈ la velocità nominale Gtndi funzionamento della turbina, l’efficienza di conversione energetica della turbina si riduce sempre più fino ad arrivare alla velocità di taglio superiore Htn, dovendo arrestare il rotore, disperdendo in questo modo molta energia nell’ambiente che potrebbe essere invece fornita alla rete elettrica.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire una turbina e un sistema di controllo della sovra potenza di detta turbina che superi le problematiche e gli svantaggi delle turbine e dei sistemi appartenenti alla tecnica nota.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire una turbina e un sistema di controllo della sovra potenza di detta turbina che riduca l’energia dispersa nell’ambiente durante il suo funzionamento.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire una turbina e un sistema di controllo che non necessiti di complicati meccanismi di controllo che assorbano a loro volta una parte dell’energia elettrica fornita dal generatore impiegato nella turbina.

Questi ed altri scopi vengono tutti raggiunti, secondo l’invenzione, da una turbina, atta a fornire energia elettrica ad una rete convertendo energia eolica dal vento circostante. Detta turbina comprende:

- una torre vincolata al suolo;

- una gondola accoppiata rotabilmente all’estremità della torre;

- un generatore contenuto nella gondola e accoppiato con un gruppo rotore; - un gruppo di controllo, elettricamente connesso al generatore e alla rete.

Il generatore comprende uno statore e un rotore tra loro accoppiati magneticamente da un flusso magnetico. Lo statore del generatore à ̈ vincolato alla gondola.

Il rotore del generatore à ̈ accoppiato meccanicamente con il gruppo rotore. Il gruppo rotore à ̈ fluidodinamicamente accoppiato con il vento.

La turbina si caratterizzata per il fatto di comprendere mezzi di controllo del flusso magnetico in funzione della velocità di rotazione del gruppo rotore e/o della velocità del vento che investe la turbina.

In questo modo può essere convenientemente variato il flusso magnetico tra statore e rotore del generatore, per ottenere una gamma di comportamenti superiore e rendere più flessibile il funzionamento della turbina, per una più ampia gamma di velocità di vento.

Vantaggiosamente i mezzi di controllo possono controllare il flusso magnetico di accoppiamento tra statore e rotore del generatore imponendo allo stesso generatore un primo flusso magnetico secondo il quale il generatore si comporta secondo una prima curva di funzionamento o un secondo flusso magnetico secondo il quale il generatore si comporta secondo una seconda curva di funzionamento.

Variando il flusso magnetico infatti si può modificare la curva di funzionamento del generatore e ottenere un comportamento diverso a seconda delle condizioni di funzionamento desiderate, migliorando la risposta della turbina in condizioni di vento più ampie della tecnica nota.

Inoltre i mezzi di controllo del flusso magnetico possono variare continuamente il flusso magnetico tra statore e rotore del generatore in un intervallo compreso tra un massimo e un minimo.

Vantaggiosamente i mezzi di controllo del flusso magnetico possono comprendere un raddrizzatore, un inverter e un controller. Il controller può controllare il generatore in modo attivo.

Inoltre la gondola può orientarsi in modo da essere investita per prima dal vento, che successivamente investe il gruppo rotore. Può essere inoltre compreso un sensore dell’angolo di imbardata ed il generatore può essere una macchina elettrica asincrona a magneti permanenti. Grazie a siffatti elementi e modalità di funzionamento, la turbina migliora la sua flessibilità e ha un funzionamento migliore e più stabile.

Il numero di pale può essere pari a cinque, così da avere più superficie accoppiata fluidodinamicamente al vento e avere una minore emissione di rumore.

Vantaggiosamente il gruppo rotore può essere accoppiato al generatore per mezzo di una trasmissione elastica, ad esempio una cinghia e per mezzo di un moltiplicatore di giri, così che la trasmissione elastica o la cinghia possano isolare il moltiplicatore di giri e il generatore dalle vibrazioni del gruppo rotore.

Gli scopi e i vantaggi vengono raggiunti altresì da un metodo di controllo di una turbina con velocità nominale e comprendente un gruppo rotore accoppiato ad un generatore, a sua volta controllato da un gruppo di controllo, detto metodo di controllo essendo atto a regolare la velocità di rotazione della turbina in funzione della velocità del vento che investe il gruppo rotore, comprendente la seguente fase:

quando il gruppo rotore à ̈ investito da un vento avente velocità superiori alla velocità nominale, controllare il funzionamento del generatore per mezzo del gruppo di controllo, imponendo una variazione del flusso magnetico tra statore e rotore del generatore così da modificarlo proporzionalmente alla variazione della velocità del vento e/o proporzionalmente alla variazione della velocità di rotazione del gruppo rotore in modo continuo.

Vantaggiosamente il metodo di controllo può comprendere le seguenti fasi:

in un primo campo di funzionamento, quando il gruppo rotore à ̈ investito da un vento avente velocità comprese tra la velocità nominale e la velocità del vento che pone in rotazione il gruppo rotore alla sua massima velocità di rotazione, il gruppo di controllo può ridurre il flusso magnetico dello statore del generatore in proporzione all’aumento della velocità di rotazione del gruppo rotore;

in un secondo campo di funzionamento, quando il gruppo rotore à ̈ investito da un vento avente velocità comprese tra la velocità del vento che porrebbe in rotazione il gruppo rotore alla sua massima velocità di rotazione e velocità superiori a questa, il gruppo di controllo può richiedere una quantità superiore di energia elettrica al generatore rispetto all’energia elettrica che può fornire in quel momento, in modo da rallentare il rotore del generatore e di conseguenza rallentare il gruppo rotore fino ad una velocità di rotazione predeterminata e minore rispetto alla massima velocità di rotazione del gruppo rotore;

mentre il gruppo rotore viene rallentato secondo la fase precedente, fino ad avere una velocità di rotazione inferiore alla massima velocità di rotazione, il gruppo di controllo può aumentare proporzionalmente il flusso magnetico fino a raggiungere un nuovo punto di funzionamento.

Grazie a tali variazioni di flusso magnetico tra statore e rotore del generatore si può ottenere un ampliamento del campo di utilizzo della turbina ed à ̈ possibile il funzionamento della stessa con venti molto forti, aumentando la velocità di taglio superiore.

Inoltre il gruppo rotore può comprendere almeno una pala, avente angolo di calettamento fisso, che nel secondo campo di funzionamento può essere fatta operare secondo una velocità di rotazione del gruppo rotore che riduce la portanza dell’almeno una pala. In questo modo, avendo la costruzione semplice di una pala ad angolo di calettamento fisso, si può ottenere comunque il funzionamento continuo della turbina, senza necessità di arrestarla in caso di venti forti.

Vantaggiosamente la variazione del flusso magnetico tra statore e rotore del generatore può consentire di ridurlo da un primo flusso magnetico massimo ad un secondo flusso magnetico minimo proporzionalmente alla variazione della velocità del vento e/o proporzionalmente alla variazione della velocità di rotazione del gruppo rotore in modo continuo e viceversa.

Ulteriori caratteristiche e particolari dell’invenzione potranno essere meglio compresi dalla descrizione che segue, data a titolo di esempio non limitativo, nonché dalle annesse tavole di disegno in cui:

le figg. 1, 2 e 3 sono tre grafici rappresentativi del comportamento di una turbina realizzata secondo la tecnica nota;

le figg.4, 5 sono due grafici rappresentativi del comportamento di una turbina realizzata secondo l’invenzione;

la fig. 6 à ̈ una vista schematica di una turbina connessa alla rete elettrica, realizzata secondo l’invenzione;

la fig.7 Ã ̈ una vista schematica di alcuni componenti interni alla turbina di fig.

6;

la fig.8 Ã ̈ una vista schematica di altri componenti della turbina di fig.6;

la fig.9 à ̈ un grafico rappresentativo del comportamento di una turbina e di un metodo per il controllo della sovra potenza di detta turbina, secondo l’invenzione;

le fig. 10, 11 sono due diagrammi schematici del comportamento aerodinamico di una pala di una turbina secondo l’invenzione.

Con riferimento alle figure allegate, in particolare alle figure 6 e 7, con 10 viene indicata una turbina eolica comprendente una gondola 12 vincolata rotabilmente alla estremità di una torre 14 per mezzo di una ralla, non visibile in figura, così da consentire la rotazione della gondola 12 in modo da allineare la gondola 12 stessa alla direzione del vento W.

Un sensore di rilevamento dell’angolo di imbardata della gondola 12 à ̈ accoppiato alla ralla, non visibile in figura.

Alla gondola 12 Ã ̈ accoppiato un gruppo rotore 16, a sua volta comprendente cinque pale 18, di cui soltanto una indicata in figura 6.

La turbina 10 à ̈ realizzata secondo una configurazione downwind, così che il vento W investa prima la gondola 12 e poi le cinque pale 18.

Naturalmente il numero delle pale può essere diverso da cinque e la configurazione della turbina può essere upwind.

La turbina 10 à ̈ elettricamente collegata con un gruppo di controllo 20, a sua volta elettricamente connesso alla rete 22 di destinazione dell’energia elettrica generata dalla turbina 10.

All’interno della gondola 12, come visibile in figura 7, il gruppo rotore 16 à ̈ vincolato ad un mozzo 30, connesso in cascata con due freni elettromeccanici 32 e una prima puleggia 34.

La prima puleggia 34 Ã ̈ accoppiata con una seconda puleggia 36 per mezzo di una cinghia 38. La seconda puleggia 36 Ã ̈ connessa ad un generatore 44 per mezzo di un moltiplicatore di giri 42.

Preferibilmente il moltiplicatore di giri 42 Ã ̈ un riduttore epicicloidale e il generatore 44 Ã ̈ una macchina elettrica asincrona a magneti permanenti.

La presenza della cinghia 38 consente di isolare il moltiplicatore di giri 42 e il generatore 44 dalle vibrazioni derivanti dall’interazione del vento W con le pale 18 della turbina 10.

Tre cavi elettrici 46 collegano il generatore 44 al gruppo di controllo 20, mentre ulteriori tre cavi elettrici 48, visibili in figura 6, permettono di collegare il gruppo di controllo 20 alla rete 22.

Con riferimento alla figura 8, il gruppo di controllo 20 comprende un raddrizzatore 50, un inverter 52 e un controller 54. Il controller 54 à ̈ operativamente connesso al raddrizzatore 50, all’inverter 52 e ai due freni elettromeccanici 32 per controllarne il funzionamento, come verrà descritto in seguito. Naturalmente il controller 54 può essere operativamente connesso anche ad altri componenti della turbina 10 per controllarne il funzionamento.

Il raddrizzatore 50 à ̈ elettricamente connesso all’inverter 52 per mezzo di un bus a corrente continua 56, di seguito DC bus 56.

Il controller 54, controllando il raddrizzatore 50 e l’inverter 52, à ̈ in grado di variare la corrente che passa nello statore del generatore 44 in modo attivo, così da modificarne il comportamento nelle modalità secondo l’invenzione. Il controller 54, ad esempio mediante un algoritmo Field Weakening o di deflussaggio, à ̈ in grado di modificare il flusso magnetico tra statore e rotore del generatore 44. Il controllo operato dal controller 54 può essere di tipo vettoriale, ad esempio secondo quanto impiegato nei controlli dei motori elettrici in retroazione.

Viene di seguito descritto il funzionamento di un controllo di sovra potenza di una turbina, oggetto di invenzione, impiegando per comodità di esposizione le figure e i riferimenti utilizzati in precedenza e con particolare riferimento alla figura 9.

Il generatore 44, grazie a quanto precedentemente descritto in merito al controller 54, può variare il flusso magnetico di accoppiamento tra statore e rotore in modo continuo, assumendo ad esempio i due valori di flusso magnetico indicati con F1 e F2 in figura 9 o altri ancora. Il flusso magnetico F1 può essere ad esempio il flusso magnetico massimo che à ̈ possibile imporre nel generatore 44.

Per comodità espositiva si sono rappresentati soltanto due valori di flusso magnetico, in corrispondenza dei quali si ottiene un comportamento del generatore 44 secondo una prima curva di funzionamento V1 nel caso in cui il flusso magnetico sia al valore F1 e rispettivamente secondo una seconda curva di funzionamento V2 nel caso in cui il flusso magnetico sia al valore F2.

È beninteso che il controller 54 può disporre il generatore 44 a lavorare secondo ulteriori valori di flusso magnetico diversi da F1 e F2 e di conseguenza secondo ulteriori curve di funzionamento diverse da V1 e V2.

In assenza di vento il gruppo rotore 16 à ̈ fermo e la turbina 10 à ̈ in stato di riposo, rappresentato dal punto 60. Il controller 54 impone il flusso magnetico F1 al generatore 44, come indicato in figura 9. Il sensore di rilevamento dell’angolo di imbardata della gondola 20 à ̈ attivo. I due freni elettromeccanici 32 sono chiusi così da non consumare energia.

Quando il vento inizia a crescere di intensità, questo solitamente non ha direzione parallela all’asse di rotazione del gruppo rotore 16, per cui la gondola 20 ruota e il sensore di rilevamento angolo di imbardata segnala la variazione al controller 54, inviandogli un segnale di variazione dello stesso angolo di imbardata.

Quando il controller 54 riceve il segnale di variazione dell’angolo di imbardata oltre un certo limite predeterminato, comanda l’apertura dei due freni elettromeccanici 32 e il gruppo rotore 16 viene avviato utilizzando il generatore 44 come se fosse un motore fino a raggiungere gli RPM adatti affinché il gruppo rotore 16 possa continuare a ruotare sfruttando la sola spinta del vento W.

A questo punto il generatore 44 smette di funzionare come motore e opera come generatore, cominciando a produrre energia elettrica. Nel caso in cui gli RPM diminuiscano, fino a portare il gruppo rotore 16 a fermarsi, ad esempio in caso di vento W insufficiente, dopo un certo tempo predeterminato il controller 54 fa ripartire la procedura fin qui descritta.

Se il gruppo rotore 16 continua a rallentare fino a fermarsi e non viene più rilevata una variazione di angolo di imbardata, i due freni elettromeccanici 32 vengono chiusi. Grazie a questa procedura di controllo si riesce a contenere il consumo di energia.

Nel caso in cui la turbina 10 cominci a mantenere un regime di rotazione con la sola spinta del vento W, il sistema seguirà una prima parte di curva di potenza C preimpostata nel controller 54, simile a quella presente in figura 1.

Per le velocità del vento W comprese tra la velocità di taglio inferiore N e la velocità nominale G, ad ogni RPM del gruppo rotore 16 corrisponde infatti una certa potenza da assorbire per ottimizzare il rendimento della turbina 10.

Quando la turbina 10 giunge al livello di potenza nominale M si à ̈ ormai vicini ai limiti elettrici dei componenti della turbina 10 stessa, ad esempio vicini al limite di voltaggio massimo B, come indicato in figura 9.

Se la velocità del vento W continua ad aumentare al di sopra della velocità nominale G, come da figura 4, il controller 54 può disporre il funzionamento del generatore 44 ad un flusso magnetico diverso da F1, variandone continuamente l’intensità.

Come visibile in figura 9, si può così mantenere, a partire dal punto 62, il massimo voltaggio B, aumentando al tempo stesso gli RPM del gruppo rotore 16, fino a raggiungere la massima velocità di rotazione A nel punto 64, disposto sulla curva di funzionamento V2, corrispondente al flusso magnetico F2, avente intensità minore rispetto a F1.

Nel caso in cui la velocità del vento W continui ad aumentare e di conseguenza il gruppo rotore 16 tenda ad aumentare gli RPM, il controller 54 dispone il raddrizzatore 50 e l’inverter 52 a richiedere una quantità di corrente maggiore a quella che riesce a fornire il generatore 44 al punto 64.

Il rallentamento avviene attraverso l’utilizzo del generatore 44 come freno elettromagnetico, che presenterà quindi un aumento rilevante di coppia. Ad esempio un generatore 44 impiegato in alcuni test, può arrivare ad una coppia frenante di 4000 Nm, sostenuti per qualche minuto.

Una parte della energia prodotta viene fornita alla rete e l’energia rimanente viene dissipata da una apposita resistenza di frenatura.

Si riesce così a ridurre gli RPM del gruppo rotore 16 e di conseguenza del generatore 44, seguendo la curva 66, visibile in figura 4, indicativa della riduzione di RPM, al crescere della velocità del vento W, mantenendo la potenza elaborata dalla turbina 10 costante, fino ad arrivare al punto di funzionamento 68, come visibile nelle figure 4 e 9.

La turbina 10 si trova così, pur in presenza di alte velocità del vento W, a lavorare con RPM più bassi e prossimi a quelli che presenta quando viene raggiunta la velocità nominale G.

Il controller 54 dispone ora il generatore 44 a lavorare con flusso magnetico maggiore, fino a tornare a F1, lavorando così sulla curva V1.

Grazie a questa peculiarità la turbina 10 secondo l’invenzione riesce ad elaborare, mantenendo costantemente la potenza nominale in uscita, anche venti con velocità di molto superiori a quelle della velocità di taglio superiore Htncaratteristica di turbine note e aventi potenza nominale comparabile alla turbina 10 secondo l’invenzione. Si ottiene altresì un funzionamento continuo anche in presenza di venti forti.

La potenza nominale viene mantenuta costante aumentando quindi la coppia e diminuendo gli RPM. La diminuzione degli RPM, come descritto in seguito, consente infatti di ottenere una portanza minore sulle pale e di conseguenza di non dover sopportare forze eccessive da parte dei componenti meccanici della turbina 10.

Questo comportamento non à ̈ possibile con le turbine note, che si comportano come descritto in precedenza e come visibile nelle figure 2 e 3.

Nel caso in cui la velocità del vento aumenti ulteriormente, superando la velocità indicata nel punto di funzionamento 68 in figura 4, gli RPM vengono mantenuti costanti frenando elettricamente il generatore 44 con una richiesta di potenza elettrica aggiuntiva analoga a quanto precedentemente descritto, fino a quando viene progressivamente raggiunta la velocità di taglio superiore H della turbina 10 secondo l’invenzione, che resta comunque di molto superiore rispetto alle turbine note.

La minore portanza che sopportano le pale consente questa frenatura dal punto di funzionamento 68 alla velocità di taglio superiore H in modo da espandere ulteriormente il campo di possibile utilizzo della turbina 10 secondo l’invenzione.

Una volta raggiunta la velocità di taglio superiore H, il controller 54 azionerà di conseguenza i due freni elettromeccanici 32 in sequenza, così da fermare il gruppo rotore 16 evitando danneggiamenti indesiderati.

Per meglio comprendere i vantaggi del controllo della sovra potenza attuato secondo l’invenzione, si descrive di seguito il comportamento aerodinamico delle pale 18 del gruppo rotore 16.

Con riferimento alle figure 10 e 11, si descrivono le condizioni in cui si trova la sezione di una pala 18 ad una certa distanza dall’asse di rotazione, distanza mantenuta uguale sia per la figura 9 che per la figura 10.

Per descrivere gli angoli, le forze e le velocità si utilizza la teoria B.E.M. (Blade Element Method), riportando le indicazioni utilizzate secondo la teoria stessa. In particolare si fa riferimento all’angolo di attacco con “α†, all’angolo di calettamento (pitch) con “β†, alla somma di α e β con “Π̧†, alla velocità tangenziale del vento sulla pala con “u†, alla velocità assiale del vento sulla pala con “v†, alla velocità relativa vista dal profilo della pala 18 con “w†, alla forza di portanza con “L†e alla forza di resistenza con “D†. La velocità tangenziale del vento sulla pala u à ̈ proporzionale agli RPM del gruppo rotore 16.

La forza tangenziale, che genera momento sul mozzo 30, varia in funzione della forza di portanza L, della forza di resistenza D e dell’angolo Î ̧. Al crescere della forza tangenziale aumenta di conseguenza la potenza che il gruppo rotore 16 riesce a prelevare dal vento W e convertire in energia elettrica.

Come da figura 10, in condizioni di vento nominale, ad esempio con una velocità del vento indisturbato di 8 m/s, si ottiene un primo angolo di attacco α1 di una prima velocità relativa w1, che porta ad una prima forza di portanza L1 e ad una prima forza di resistenza D1.

Il gruppo rotore 16 ruoterà ad una prima velocità di rotazione, ad esempio di 82 RPM, ai quali viene prodotta la potenza nominale M.

In figura 11 viene invece raffigurata la situazione in cui il vento à ̈ aumentato, ad esempio raggiungendo una velocità di vento indisturbato di 11 m/s, mentre gli RPM della turbina sono stati ridotti, come descritto in precedenza.

Si ottiene un secondo angolo di attacco α2, una seconda velocità relativa w2, risultante da una seconda velocità assiale del vento v2, maggiore rispetto a v1 e da una seconda velocità tangenziale del vento sulla pala u2, minore rispetto a u1.

Si ottiene così di mantenere costante la potenza andando a ridurre la velocità di rotazione della turbina, portandola ad esempio a 45 RPM.

Seguendo progressivamente l’aumento del vento si influenzano i triangoli di velocità del flusso d’aria incidente sulla pala.

In particolare, riducendo gli RPM, aumenta l’angolo di attacco α e diminuisce l’efficienza del profilo alare. L’aumento di potenza disponibile nel vento viene quindi compensato da una minor efficienza della turbina.

Il controllo di velocità viene attuato dal gruppo di controllo 20, quindi dalla sola gestione elettronica della turbina. Si evitano quindi gli svariati azionamenti meccanici, della tecnica nota, descritti in precedenza.

Il rallentamento del gruppo rotore 16, calando gli RPM e quindi la velocità tangenziale del vento sulla pala u, comporta una diminuzione della velocità relativa w incidente. Data la dipendenza quadratica di L e D da tale parametro à ̈ evidente l’influenza sulle forze sviluppate sulla pala. Si ha inoltre un aumento dell’angolo di attacco α ed in generale un lieve calo dell’efficienza (L/D). Questo comportamento à ̈ stato notato sperimentalmente elaborando i coefficienti di portanza e di resistenza.

La rotazione delle forze di portanza e di resistenza comporta inoltre un aumento della coppia sviluppata dal profilo della pala 18.

Il calo degli RPM viene compensato dall’incremento della coppia alla quale à ̈ sottoposto il gruppo rotore 16. Anche se la conversione in termini di potenza peggiora, la possibilità di non dover fermare subito la turbina 10 per venti con velocità di poco superiori alla velocità nominale à ̈ un importante vantaggio.

Al crescere della ventosità, infatti, aumenta la potenza disponibile dal vento W, ma diminuisce la capacità della turbina di convertire tale potenza, calando la portanza della pala 18.

In altre parole il coefficiente di potenza cala, in quanto cala l’efficienza, mentre la potenza disponibile cresce, in quanto aumenta il vento. Il bilancio viene quindi mantenuto costante sopra la velocità nominale G del vento.

Grazie alla turbina e al metodo di controllo della sovra potenza di detta turbina, secondo l’invenzione, si ottiene una turbina più flessibile alle variazioni di velocità del vento, in modo automatico e semplice, senza l’aggiunta dei componenti secondo la tecnica nota.

La frenatura viene attuata soltanto per poco tempo, ad esempio dell’ordine di qualche secondo, cioà ̈ quanto necessario ad abbassare la velocità di rotazione e cambiare curva di funzionamento, a differenza della tecnica nota, dove la frenatura va mantenuta a lungo.

Un tecnico del settore può prevedere ulteriori modifiche o varianti che sono da ritenersi comprese nell’ambito di tutela della presente invenzione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Turbina (10), atta a fornire energia elettrica ad una rete (22) convertendo energia eolica dal vento (W) circostante, comprendente: - una torre (14) vincolata al suolo; - una gondola (12) accoppiata rotabilmente all’estremità della torre (14); - un generatore (44) contenuto nella gondola (12) e accoppiato con un gruppo rotore (16); - un gruppo di controllo (20), elettricamente connesso al generatore (44) e alla rete (22); detto generatore (44) comprendendo uno statore e un rotore tra loro accoppiati magneticamente da un flusso magnetico (F); detto statore del generatore (44) essendo vincolato alla gondola (12); detto rotore del generatore (44) essendo accoppiato meccanicamente con il gruppo rotore (16); detto gruppo rotore (16) essendo fluidodinamicamente accoppiato con il vento (W) caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi di controllo (50, 52, 54) del flusso magnetico (F) in funzione della velocità di rotazione del gruppo rotore (16) e/o della velocità del vento che investe la turbina (10).
2. 2) Turbina (10) secondo la rivendicazione precedente, in cui i mezzi di controllo (50, 52, 54) controllano il flusso magnetico di accoppiamento tra statore e rotore del generatore (44) imponendo allo stesso generatore (44) un primo flusso magnetico (F1) secondo il quale il generatore (44) si comporta secondo una prima curva di funzionamento (V1) o un secondo flusso magnetico (F2) secondo il quale il generatore (44) si comporta secondo una seconda curva di funzionamento (V2).
3. 3) Turbina (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di controllo del flusso magnetico (F) variano continuamente il flusso magnetico tra statore e rotore del generatore (44) in un intervallo compreso tra un massimo (F1) e un minimo (F2).
4. 4) Turbina (10) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di controllo del flusso magnetico (F) comprendono un raddrizzatore (50), un inverter (52) e un controller (54), detto controller (54) controllando il generatore (44) in modo attivo.
5. 5) Turbina (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la gondola (12) si orienta in modo da essere investita per prima dal vento (W), che successivamente investe il gruppo rotore (16), essendo compreso un sensore dell’angolo di imbardata, ed in cui il generatore (44) à ̈ una macchina elettrica asincrona a magneti permanenti.
6. 6) Turbina (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il gruppo rotore (16) Ã ̈ accoppiato al generatore (44) per mezzo di una cinghia (38) e di un moltiplicatore di giri (42), detta cinghia isolando il moltiplicatore di giri (42) e il generatore (44) dalle vibrazioni del gruppo rotore (16).
7. 7) Metodo di controllo di una turbina (10) con velocità nominale (G) e comprendente un gruppo rotore (16) accoppiato ad un generatore (44), a sua volta controllato da un gruppo di controllo (20), detto metodo di controllo essendo atto a regolare la velocità di rotazione della turbina (10) in funzione della velocità del vento che investe il gruppo rotore (16), comprendente la seguente fase: - quando il gruppo rotore (16) à ̈ investito da un vento (W) avente velocità superiori alla velocità nominale (G), controllare il funzionamento del generatore (44) per mezzo del gruppo di controllo (20), imponendo una variazione del flusso magnetico (F) tra statore e rotore del generatore (44) così da modificarlo proporzionalmente alla variazione della velocità del vento (W) e/o proporzionalmente alla variazione della velocità di rotazione del gruppo rotore (16) in modo continuo.
8. 8) Metodo di controllo di una turbina (10) secondo la rivendicazione precedente, comprendente le seguenti fasi: - in un primo campo di funzionamento, quando il gruppo rotore (16) à ̈ investito da un vento (W) avente velocità comprese tra la velocità nominale (G) e la velocità del vento che pone in rotazione il gruppo rotore (16) alla sua massima velocità di rotazione (A), il gruppo di controllo (20) riduce il flusso magnetico (F) dello statore del generatore (44) in proporzione all’aumento della velocità di rotazione del gruppo rotore (16); - in un secondo campo di funzionamento, quando il gruppo rotore (16) à ̈ investito da un vento (W) avente velocità comprese tra la velocità del vento che porrebbe in rotazione il gruppo rotore (16) alla sua massima velocità di rotazione (A) e velocità superiori a questa, il gruppo di controllo (20) richiede una quantità superiore di energia elettrica al generatore (44) rispetto all’energia elettrica che può fornire in quel momento, in modo da rallentare il rotore del generatore (44) e di conseguenza rallentare il gruppo rotore (16) fino ad una velocità di rotazione predeterminata e minore rispetto alla massima velocità di rotazione (A) del gruppo rotore (16); - mentre il gruppo rotore (16) viene rallentato secondo la fase precedente, fino ad avere una velocità di rotazione inferiore alla massima velocità di rotazione (A), il gruppo di controllo (20) aumenta proporzionalmente il flusso magnetico (F) fino a raggiungere un nuovo punto di funzionamento (68).
9. 9) Metodo di controllo di una turbina (10) secondo la rivendicazione precedente, in cui il gruppo rotore (16) comprende almeno una pala (18), avente angolo di calettamento (β) fisso, che nel secondo campo di funzionamento viene fatta operare secondo una velocità di rotazione del gruppo rotore (16) che riduce la portanza dell’almeno una pala (18).
10. 10) Metodo di controllo di una turbina (10) secondo una delle rivendicazioni da 7 a 9, in cui la variazione del flusso magnetico (F) tra statore e rotore del generatore (44) consente di ridurlo da un primo flusso magnetico (F1) massimo ad un secondo flusso magnetico (F2) minimo proporzionalmente alla variazione della velocità del vento e/o proporzionalmente alla variazione della velocità di rotazione del gruppo rotore (16) in modo continuo e viceversa.