Progetto ottimizzato di turbina eolica ad asse orizzontale e di generatore elettrico

È ormai consolidata da parte dell’opinione pubblica la consapevolezza che le risorse fossili impiegate dall’uomo in modo intensivo a partire dalla rivoluzione industriale risultano essere, se impiegate in modo incontrollato, molto dannose sotto diversi punti di vista. Ciò che subito salta agli occhi, come aspetto che direttamente interessa ognuno di noi, è la questione delle emissioni di gas nocivi per la salute e per l’ambiente causate dalla loro combustione. Ma questo non è che la punta dell’iceberg: gli enormi interessi politico-economici che ruotano attorno al mercato dei combustibili, I disastri ambientali causati dall’incuria e dalla superficialità di alcuni anelli della catena e i conflitti per il controllo delle risorse rappresentano alcuni dei maggiori problemi che affliggono l’umanità. Per non contare il fatto che secondo un gran numero di studi svolti da enti intergovernativi autorevoli (uno su tutti l’Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) i combustibili fossili sono sì esauribili in un tempo più o meno lungo che dipende dal trend di consumo, ma comunque in quantità sufficiente per creare problemi climatici imponenti. Visti questi aspetti si sta cercando di ridurre gradualmente la dipendenza energetica dalle fonti fossili, spostandosi verso quelle rinnovabili che hanno vantaggi molto importanti: queste ultime, infatti, sono accessibili da tutti e non sono localizzate in certe aree geografiche, sono inesauribili, pulite e sostenibili e possono rappresentare un pretesto per aiutare lo sviluppo delle regioni sottosviluppate, se correttamente gestite. Anche se questo cambiamento è attualmente in corso, ci sono comunque dei problemi legati al fatto che il passaggio non può essere ovviamente immediato. Pensando alla produzione di energia elettrica, la struttura attuale del sistema è frutto di uno sviluppo legato alle caratteristiche del parco di produzione storicamente affermatosi, formato cioè da una base termoelettrica e una punta idroelettrica e turboelettrica. La caratteristica principale che accomuna questi sistemi è la possibilità di regolazione della potenza generata ed il fatto che l’energia primaria (carbone, olio combustibile, acqua nei bacini, gas) è in qualche modo immagazzinabile. Com’è facilmente intuibile la maggior parte delle fonti rinnovabili intrinsecamente non soddisfa questa proprietà e quindi la programmazione del piano di produzione, all’aumentare della penetrazione delle fonti rinnovabili, è sempre più difficile da realizzare. Questo non è che un esempio che fa riflettere sul fatto che esiste sì la possibilità di ridurre i consumi di combustibili fossili per la produzione di energia elettrica (attenzione: pensare di sostituire tutta la produzione da fossile con produzione da sole e vento è puramente propaganda ambientalista), ma questo può avvenire solo gradualmente ed agendo in modo sistematico e diffuso. Il lavoro da fare è tanto, la sfida è ambiziosa e il contributo della ricerca all’industria del rinnovabile è quantomai indispensabile. La tecnologia attuale è sicuramente perfettibile dal punto di vista dell’efficienza e dei costi di realizzazione ed è su questo aspetto che si focalizza questo elaborato. L’idea di base è quella di realizzare un’ottimizzazione numerica di un aerogeneratore, inteso come insieme di turbina eolica e generatore elettrico, dalla potenza dell’ordine di qualche decina di chilowatt. L’aspetto più interessante riguarda il fatto che l’ottimizzazione dei due macrosistemi elettrico ed aerodinamico viene effettuata congiuntamente, in modo che generatore e turbina siano progettati in modo da avere il massimo rendimento possibile. Un’altra particolarità da sottolineare è che un’ottimizzazione numerica ha la potenzialità di abbattere i costi di progetto e sviluppo, che rappresentano una quota importante del prezzo finale della macchina. Chiaramente la componente umana è imprescindibile, non è pensabile affidare al calcolatore la totalità delle decisioni che portano al progetto finale. Inoltre è di cruciale importanza la verifica prototipale del risultato ottenuto per verificarne le prestazioni e l’affidabilità, cosa che viene fatta indipendentemente dal procedimento di sintesi adottato. Il progetto è un’idea di Sergio Campobasso e Edmondo Minisci, rispettivamente professore e ricercatore presso la Glasgow University, grazie ai quali sono stati sviluppati l’algoritmo di ottimizzazione e la parte di simulazione della turbina eolica. Il presente elaborato si occupa invece della sintesi e modellizzazione della parte elettrica, in particolare del generatore controllato. Prima di arrivare alla descrizione della parte elettrica del programma di ottimizzazione si parte da una parte introduttiva che riassume velocemente le tappe più importanti dello sviluppo della tecnologia eolica dai suoi albori fino ai giorni nostri, con particolare attenzione alla produzione di energia elettrica. Il passo successivo è quello di giustificare le formule che vengono utilizzate per descrivere il funzionamento di una turbina eolica mediante la teoria di Betz. Infine si volge l’attenzione al controllo della turbina discutendo brevemente alcune possibili strategie attuabili. Nel secondo capitolo viene trattata la teoria dei generatori sincroni a magneti permanenti, tipologia utilizzata sempre più diffusamente nella generazione di piccola e media potenza, partendo dalla descrizione delle tipologie più diffuse e delle loro differezze. Se ne ricava poi il modello descritto nel sistema di riferimento sincrono nel caso di macchina anisotropa ed isotropa, successivamente si affrontano le diverse configurazioni circuitali in cui vengono impiegati e se ne discutono alcune possibili strategie di controllo. Vista la multidisciplinarità del progetto, nel terzo e quarto capitolo si riportano degli accenni relativi al problema dell’ottimizzazione e alla teoria BEM che permette di studiare la turbina eolica intesa come tale e non come semplice disco attuatore. Nel quinto capitolo si scende nei dettagli del modello elettrico. Prima di tutto viene spiegata la logica di funzionamento dell’intero algoritmo composto, oltre che dalla parte elettrica, anche da quella aerodinamica gestite dall’ottimizzatore. Successivamente viene riportata e descritta la procedura di calcolo che porta alla definizione delle grandezze geometriche principali del generatore, con la giustificazione delle scelte fatte riguardo ai parametri e alle variabili progettuali. L’ultimo passo è il calcolo del rendimento del generatore elettrico determinato grazie alla valutazione delle perdite localizzate nelle diverse parti della macchina, le quali richiedono il calcolo del regime di funzionamento per determinate condizioni imposte dalla turbina eolica. Nel sesto capitolo sono riportati i risultati ottenuti da un processo di ottimizzazione ed i commenti a loro riguardo. Infine vengono tirate le conclusioni, cercando di individuare gli aspetti da migliorare e una possibile strada per farlo