Manual - Energie Etiche

JONICA IMPIANTI SRL - VIA POERIO, 226 - 74020 LIZZANO (TA) ITALIA
Tel n. +39 099 9551208 - Fax n. +39 099 9558581 e-mail: [email protected]
INGEGNERIA
IDENTIFICATIVO
SG-J30-Rev. 1
FOGLIO
SPECIFICA TECNICA GENERALE
TURBINA EOLICA JIMP30
N° REV.
DATA
DESCRIZIONE DELLA REVISIONE
REDAZIONE
1
16/04/2012
EMISSIONE
Pietro Lecce
Giuseppe Rizzo
il documento è costituito da n. 20 fogli
1
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IDENTIFICATIVO
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FOGLIO
2
INDICE
1.
OGGETTO
3
2.
DOCUMENTI DI RIFERIMENTO
3
2.1. NORME
3
3.
CONDIZIONI AMBIENTALI DI FUNZIONAMENTO
3
4.
DESCRIZIONE DELL’AEROGENERATORE JIMP30
4
4.1 DATI DI PROGETTO
5
4.2 I S/SISTEMI DELL’AEROGENERATORE JIMP30
13
4.2.1 il rotore
13
4.2.1.1
caratteristiche generali della pala
13
4.2.1.2
caratteristiche costruttive della pala
14
4.2.2 il sistema per la variazione del passo delle pale
14
4.2.2.1 il mozzo pala
14
4.2.2.2 le ralle del passo pala
14
4.2.2.3 i manovellismi
15
4.2.3 il generatore elettrico e linea d’asse
155
4.2.4 il telaio e ralla di imbardata
16
4.2.5 l’ogiva, la capote e la banderuola
17
4.2.6 il sistema di controllo
17
4.2.7 le condutture elettriche
188
4.3 FONDAZIONE E TORRE DI SOSTEGNO
18
4.4 IL COLLEGAMENTO ELETTRICO ALLA RETE
19
4.5 LE MODALITÀ INSTALLATIVE
20
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1.
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FOGLIO
3
OGGETTO
Il presente documento definisce le caratteristiche tecniche dell’aerogeneratore JIMP30, in particolare le
caratteristiche tecniche generali di:
• pale
• sistema per la variazione del passo delle pale
• generatore elettrico e linea d’asse
• telaio e ralla di imbardata
• ogiva, capote e banderuola
• sistema di controllo
• condutture elettriche
2.
DOCUMENTI DI RIFERIMENTO
2.1.
NORME
Il progetto è conforme alle seguenti Norme:
•
CEI IEC 61400-2 II edizione, Marzo 2006 -“Wind Turbines, part 2: design requirements for small wind
turbines”.
3.
CONDIZIONI AMBIENTALI DI FUNZIONAMENTO
ƒ Temperatura
-20 / +50 °C
ƒ Umidità
fino a 95%
ƒ composizione atmosferica equivalente a quella dell'atmosfera continentale non inquinata
ƒ intensità di radiazione solare di 1000 W/m2
ƒ densità dell'aria di 1,225 kg/m3
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4.
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FOGLIO
4
DESCRIZIONE DELL’AEROGENERATORE JIMP30
La turbina eolica JIMP30, progettata e costruita nello stabilimento della Jonica Impianti a Lizzano (TA),
rappresenta l’evoluzione tecnologica della turbina JIMP25.
La maggiore potenza istantanea di JIMP30 è resa possibile dall’evoluzione del generatore elettrico multipolare a
magneti permanenti (aumento della tensione a velocità di rotazione più basse), da un'evoluzione tecnologica del
sistema di attuazione del passo, dal nuovo rotore eolico, con pala leggermente più lunga, realizzata in
vetroresina e verniciatura su strato di gel-coat, per migliorare il rendimento aerodinamico. L’interfaccia elettrica
è realizzata con convertitore ac/dc/ac, a doppio ponte total controllato e trasformatore elettrico, con isolamento
galvanico, di potenza continuativa fino a 30 kW.
La potenza nominale della turbina JIMP30 è definita mediante l'impostazione della velocità di rotore in
corrispondenza della quale interviene il sistema di variazione del passo pale. In questo modo, la curva di potenza
viene troncata al valore di potenza elettrica desiderato.
L'aerogeneratore JIMP30 viene fornito in configurazione da 20, 25 e 30 kW con due differenti rotori eolici.
I nuovi rotori vengono prodotti su linee robotizzate, i cicli automatizzati migliorano la qualità dei manufatti
realizzando pale con caratteristiche geometriche conformi a quelle di progetto e la possibilità di installare rotori
perfettamente equilibrati.
Anche le carenature sono state rinnovate, con lavorazioni automatizzate e nuovo design. Particolare attenzione è
stata riservata al sistema di convogliamento dell'aria verso le superfici alettate dello statore elettrico e al sistema
di frenatura in mancanza di alimentazione da parte della rete.
Il rotore è tripala, disponibile con diametro di 11,60 m e con diametro di 10,40 m, con attacco diretto ad un
generatore sincrono multipolare a magneti permanenti a flusso assiale, con numero di paia poli pari a 17,
installabile su una torre di sostegno, in acciaio, di altezza standard pari a 30 metri.
L’orientamento alla direzione prevalente del vento è determinato da una banderuola realizzata in vetroresina e
dalla ralla di interfaccia tra navicella e torre.
Il controllo della potenza è reso possibile dal sistema di passo variabile delle pale e da un attuatore elettrico
lineare comandato dal sistema di controllo di navicella.
Le condutture tra navicella e base torre permettono il passaggio della potenza elettrica fino al convertitore di
frequenza ac/dc/ac. Esse sono costituite, per un primo tratto, da un cavo elettrico a spirale altamente flessibile
che permette almeno 50 giri di 360° della navicella, orari o antiorari, senza comprometterne le caratteristiche
meccano-elettriche.
Il passaggio della potenza elettrica alla rete nazionale è possibile con l’utilizzo di un convertitore di frequenza
ac/dc/ac, che presenta un circuito intermedio in corrente continua per permettere di disaccoppiare i valori di
tensione e di frequenza a monte e a valle; con immissione in rete in conformità ai valori nominali della stessa
rete elettrica. L’inverter che interfaccia la turbina JIMP30 con la rete in b.t., presenta la particolarità di un
doppio ponte total controllato, con riduzione notevole del contenuto armonico sia in rete che nel generatore
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5
elettrico a magneti permanenti.
Oltre al collegamento in rete, mediante il sistema di conversione descritto, sono possibili altre architetture di
impianto come il collegamento “in isola” mediante sistema di conversione in moduli ac/dc e dc/ac con accumulo
energetico per l’alimentazione di utenze isolate.
4.1
DATI DI PROGETTO
4.1.1 Linee guida del progetto:
1. L’ aerodinamica del rotore: profili ad alto rendimento per numeri di Reynolds inferiori a 1.000.000.
2. La sicurezza intrinseca: alle alte velocità di vento, intervento di sistemi attivi e/o passivi applicati al passo
delle pale.
3. Il contenimento dei livelli di rumore: particolare profilo del tip pala.
4. L’allargamento del range di funzionamento: basso valore di cut-in, dovuto all’utilizzo dei profili altamente
performanti e all’attacco diretto tra rotore e generatore elettrico, alto valore di cut-out, dovuto al controllo
attivo del passo delle pale e il mantenimento delle condizioni di sicurezza per tutte le ipotesi di carico
previste dalla norma CEI EN 61400-2.
5. Le modalità realizzative delle pale in composito: utilizzo della tecnica dell’infusione della resina, assistita
dal vuoto, con un significativo aumento qualitativo del prodotto, in termini di rapporto tra vetro e resina, con
minor peso a parità di altre caratteristiche meccaniche.
6. L’ottimizzazione dei rendimenti meccano-elettrici: dovuta (i) all’utilizzo del generatore sincrono
multipolare a magneti, (ii) all'assenza del moltiplicatore di giri e (iii) ad un sistema di controllo che consente
di produrre energia elettrica mantenendo costante il rapporto tra velocità del vento e velocità di rotazione del
rotore.
4.1.2 Dati di input del progetto:
La turbina eolica JIMP30 è disegnata mediante CAD tridimensionale THINK 3, modellata e verificata
mediante codice di calcolo FEM ALGOR. I calcoli strutturali nelle ipotesi di carico estreme proposte dalla
normativa CEI-EN 61400-2 sono stati effettuati con l'ausilio di un sistema di calcolo sviluppato da Jonica
Impianti.
Le condizioni di carico previste sono le seguenti:
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FOGLIO
TABELLA 1
Situazione di
progetto
1) Produzione di
potenza
DLC Condizioni del
vento
Altre condizioni
1.1
Per l'estrapolazione di
eventi estremi
1.2
1.3
1.4
1.5
2) Produzione di
potenza più
occorrenza di
guasto
3) Avviamento
2.1
2.2
NTM
Vin<Vhub<Vout
2.3
EOG Vhub=Vr±2
m/s e Vout
2.4
NTM
Vin<Vhub<Vout
3.1
NWP
Vin<Vhub<Vout
EOG Vhub=Vin,
Vhub=Vr±2 m/s e
Vout
EDC Vhub=Vin
NWP
Vin<Vhub<Vout
EOG Vhub=Vr±2
m/s e Vout
NTM Vhub=Vr±2
m/s e Vout
EWM intervallo
di ricorrenza di 50
anni
EWM intervallo
di ricorrenza di 50
anni
EWM intervallo
di ricorrenza di 1
anno
NTM
3.2
4) Arresto normale
3.3
4.1
4.2
5) Arresto di
emergenza
6) Parcheggio
(macchina ferma o
funzionante a
vuoto)
NTM
Vin<Vhub<Vout
NTM
Vin<Vhub<Vout
ETM
Vin<Vhub<Vout
ECD
Vin<Vhub<Vout
EWS
Vin<Vhub<Vout
NTM
Vin<Vhub<Vout
5.1
6.1
6.2
6.3
6.4
Tipo Coefficiente
analisi di sicurezza
parziale s
U
N
F
Guasto del sistema di
controllo o perdita della
rete elettrica
Guasto del sistema di
protezione o precedente
guasto elettrico interno
Guasto elettrico interno o
esterno compresa la
perdita della rete elettrica
Guasto del sistema di
controllo, di protezione o
elettrico compresa la
perdita della rete elettrica
U
N
U
N
U
N
U
N
U
A
U
A
F
F
U
N
U
F
N
U
N
U
N
U
N
Perdita di connessione
alla rete elettrica
U
A
Disallineamento estremo
in imbardata
U
N
F
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7) Parcheggio e
condizioni di
guasto
8) Trasporto,
montaggio,
manutenzione e
riparazione
7.1
8.1
8.2
IDENTIFICATIVO
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7
FOGLIO
Vhub<0.7Vref
EWM intervallo
di ricorrenza di 1
anno
NTM Vmaint da
dichiarare a cura
del costruttore
EWM intervallo
di ricorrenza di 1
anno
U
A
U
T
U
A
I simboli utilizzati hanno il seguente significato:
•
DLC
Ipotesi di carico di progetto;
•
ECD
Raffica coerente estrema con cambiamento di direzione;
•
EDC
Cambiamento di direzione estremo;
•
EOG
Raffica di funzionamento estrema;
•
EWM
Modello di velocità del vento estrema;
•
EWS
Gradiente della velocità del vento estremo;
•
NTM
Modello di turbolenza normale;
•
ETM
Modello di turbolenza estrema;
•
NWP
Modello del profilo del vento normale;
•
Vr±2 m/s Analisi per tutte le velocità del vento nell'intervallo.
•
F
Fatica;
•
U
Resistenza estrema;
•
N
Normale;
•
A
Anormale;
•
T
Trasporto e installazione;
•
*
Sicurezza parziale alla fatica;
•
Vin
Velocità del vento necessaria per l'avviamento;
•
Vout
Massima velocità del vento di funzionamento;
•
Vhub
Velocità del vento mediata su 10 minuti all'altezza del mozzo.
Maggiori approfondimenti sulle ipotesi di carico sono disponibili sulla norma CEI EN 61400-2. Le analisi
strutturali sono state effettuate al fine di verificare il progetto secondo prescrizioni previste per la classe IIA
della norma CEI EN 61400-2.
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8
FOGLIO
Di seguito si riportano le caratteristiche di funzionamento di un aerogeneratore Jimp30 equipaggiato con un
rotore del diametro di 11.6 m.
TABELLA 2
JIMP30
Velocità
Velocità
Potenza
vento
rotore
elettrica
[m/s]
[RPM]
[kW]
Coppia
[Nm]
Spinta
Rendimento
aerodinamica
generatore
(N)
(%)
3,5
44,0
1,0
250
550
96
4,0
51,0
1,6
300
800
95
4,5
56,0
2,2
400
1050
94
5,0
63,0
2,9
450
1300
93
5,5
70,0
3,9
550
1550
93
6,0
76,0
4,8
650
1900
93
6,5
84,0
6,2
750
2250
92
7,0
92,0
8,2
950
2600
91
7,5
99,0
10,1
1100
3000
90
8,0
107,0
12,0
1200
3600
90
8,5
114,0
14,5
1350
3850
89
9,0
121,0
17,5
1550
4350
88
9,5
128,0
20,0
1700
4850
88
10,0
136,0
23,5
1900
5450
87
10,5
143,0
27,0
2100
6000
86
11,0
155,0
33,0
2400
6300
85
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9
FOGLIO
Nella tabella 3 sono riportate le caratteristiche di funzionamento con rotore da 10.4 m
TABELLA 3
JIMP30
Velocità
Velocità
Potenza
vento
rotore
elettrica
[m/s]
[RPM]
[kW]
Coppia
[Nm]
Spinta
Rendimento
aerodinamica
generatore
(N)
(%)
4,0
44,0
1,0
250
450
96
4,5
51,0
1,6
300
650
95
5,0
56,0
2,2
400
700
94
5,5
63,0
2,9
450
950
93
6,0
70,0
3,9
550
1150
93
6,5
76,0
4,8
650
1300
93
7,0
84,0
6,2
750
1550
92
7,5
92,0
8,2
950
2000
91
8,0
99,0
10,1
1100
2300
90
8,5
107,0
12,0
1200
2550
90
9,0
114,0
14,5
1350
3000
89
9,5
121,0
17,5
1550
3450
88
10,0
128,0
20,0
1700
3850
88
10,5
136,0
23,5
1900
4150
87
11,0
143,0
27,0
2100
4550
86
11,7
155,0
33,0
2400
5400
85
Le grandezze di funzionamento riportate nelle tabelle 2 e 3 si riferiscono a valori istantanei lato generatore. La
legge di corrispondenza tra la velocità di rotazione e la coppia è dettata dalla curva di corrente settata sul sistema
di controllo del convertitore. Tale corrispondenza viene scelta in modo da massimizzare il rendimento
complessivo (elettrico ed aerodinamico) dell'aerogeneratore. Il settaggio della curva di corrente può essere
differente a seconda della tipologia del sito. Tutte le situazioni transitorie (accelerazioni e decelerazioni) della
turbina portano ad un abbassamento del rendimento aerodinamico. La curva di potenza lato rete dipende dal
rendimento del sistema utilizzato per la connessione dell'aerogeneratore all'utenza (rete elettrica nazionale, rete
in isola, ecc). Nel caso di una connessione alla rete nazionale mediante un convertitore statico, le curva di
potenza lato rete sono approssimativamente le seguenti:
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10
FOGLIO
TABELLA 4
TABELLA 5
JIMP30, rotore da 11,6 m
JIMP30, rotore da 10,4 m
Velocità vento Potenza elettrica
Velocità vento Potenza elettrica
[m/s]
[m/s]
[kW]
[kW]
3,5
0,30
4,0
0,75
4,0
1,10
4,5
1,30
4,5
1,65
5,0
1,85
5,0
2,50
5,5
2,50
5,5
3,60
6,0
3,40
6,0
4,70
6,5
4,20
6,5
6,10
7,0
5,50
7,0
7,65
7,5
7,30
7,5
9,50
8,0
9,05
8,0
12,65
8,5
10,80
8,5
14,85
9,0
13,00
9,0
16,70
9,5
15,80
9,5
19,65
10,0
18,10
9,6
20,00
10,3
20,00
10,0
23,15
10,5
21,30
10,7
25,00
11,0
25,00
10,5
26,95
11,7
30,00
11,0
30,00
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FOGLIO
11
La turbina JIMP30, quando necessario (siti caratterizzati da elevata velocità media del vento) e/o su richiesta
della committenza, può montare pale da 5,2 m per massimizzare la produzione in condizioni di alte velocità del
vento. In questi casi, infatti, il rotore più piccolo garantisce una minor frequenza dei casi in cui risulta necessario
variare il passo pale con conseguente riduzione della potenza media. Nei siti caratterizzati da velocità del vento
medie e basse e nei siti caratterizzati da elevata turbolenza (classi di vento II e III e classi di turbolenza A e B
definite secondo la CEI EN 61400-2), risulta più conveniente l'impiego del rotore con diametro pari a 11,6 m in
quanto viene minimizzata l'incidenza dei consumi fissi del convertitore e di tutti gli ausiliari.
4.1.3 Caratteristiche tecniche generali della turbina eolica JIMP30:
Potenza nominale:
20 - 25 - 30 kW (@in rete)
Numero pale:
3
Materiale pale:
resina epossidica o vinilestere, rinforzata con fibre di vetro
Profilo pale:
SG6040-6041
Diametro rotore:
11,60 m (opzione 10,40 m)
Momento d'inerzia rotore:
1500 kg*m2
Materiale ogiva, capote, banderuola
:
resina vinilestere/poliestere, rinforzata con fibre di vetro
Peso:
900 kg
Colore:
bianco
Orientamento:
Sopravento
Velocità di avviamento:
3,5 m/s (diametro 11,6 m) - 4 m/s (diametro 10,4 m)
Vel. di riferimento (vedi CEI EN 61400-2):
42,5 m/s
Controllo di potenza:
attivo, con variazione del passo
Controllo sovravelocità:
attivo/passivo, con variazione del passo e della corrente lato
generatore
Regolazione imbardata:
passiva, con banderuola
Velocità di rotazione:
fino a 155 rpm
Generatore elettrico:
sincrono, multipolare a magneti permanenti a flusso assiale
Tensione di uscita:
400 Vca
Velocità del vento
alla potenza
nominale
Rotore da 11,6 m
20 kW
25 kW
30 kW
9,6 m/s
10,7 m/s
11,0 m/s
Rotore da 10,4 m
10,3 m/s
11,0 m/s
11,7 m/s
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12
4.1.4 La curva di potenza dell'aerogeneratore JIMP30
Figura 1. Curva di potenza dell'aerogeneratore Jimp30 (diametro rotore 11,60 m)
Figura 2. Curva di potenza dell'aerogeneratore Jimp30 (diametro rotore 10,40 m)
Le curve di potenza sopra riportate rappresentano la corrispondenza tra potenza immessa in rete e
velocità istantanea del vento mediata sull'intera area spazzata dal rotore. Per valutare la produzione
di energia della turbina a partire dalle curve di potenza, è necessario tenere in considerazione il
momento d'inerzia del rotore e la variabilità temporale della velocità del vento.
Nel caso di configurazione a 20 kW o a 25 kW dell'aerogeneratore JIMP30, la curva di potenza
risulterà troncata al valore di potenza nominale desiderato. Questo è possibile mediante l'utilizzo del
sistema di regolazione del passo, chiamato in causa al raggiungimento della velocità di rotazione
nominale definita in funzione della potenza nominale.
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4.2
I S/SISTEMI DELL’AEROGENERATORE JIMP30
4.2.1
Il rotore
IDENTIFICATIVO
SG-J30-Rev. 1
FOGLIO
13
Il rotore di JIMP30 è costituito da n 3 pale, con profili SG 6040-6041. Le pale sono realizzate in resina
epossidica rinforzata con fibre di vetro e collegate al mozzo con attacchi metallici.
Esse hanno la funzione di catturare l’energia del vento e trasformarla in energia meccanica di rotazione;
l’utilizzo di profili aerodinamici consente di ottimizzare i rendimenti; in particolare, le pale in oggetto
presentano profili alari della classe SG 6040 e SG 6041, scelti per essere utilizzati in un regime aerodinamico a
bassi numeri di Reynolds (Re < 106).
Il tip pala ha una geometria tale da consentire una diminuzione del rumore dovuto alla formazione dei vortici
di estremità alare nelle condizioni di funzionamento che non prevedono l'utilizzo del sistema di attuazione
del passo.
Ogni pala è realizzata in due shell strutturali, con la tecnica dell’infusione assistita dal vuoto: la finitura,
prima e dopo l’incollaggio dei due gusci (ventre e dorso), viene realizzata con l’assistenza di un robot a 5
assi.
La scelta di realizzare la pala in composito è dettata da:
•
Ottimizzazione delle prestazioni aerodinamiche con l’utilizzo di geometrie complesse quali la
variazione non lineare delle corde e delle frecce in funzione del raggio;
•
Ottimizzazione dei pesi, quindi minori carichi centrifughi;
•
Ottimizzazione della vita a fatica;
•
Ottimizzazione del momento d'inerzia del rotore.
Le pale sono progettate per sopportare tutte le condizioni di carico previste per un aerogeneratore di classe IIA
come definito dalla norma CEI EN 61400-2 (Vedi tabella 1).
4.2.1.1
Caratteristiche generali della pala
Il rotore con diametro pari a 11,6 m è costituito da 3 pale aventi le seguenti caratteristiche:
•
Air foil:
SG6040-6041
•
Connessione al mozzo:
Attacco cilindrico in ghisa sferoidale
•
Lunghezza:
5550 mm
•
Corde max / min:
500 /176 mm
•
Twist:
(17,2°)
•
Peso:
65 kg
•
Colore:
bianco
•
Rotazione:
oraria (vista di fronte)
•
Orientamento:
sopra vento
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•
Tip:
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FOGLIO
14
150 mm di lunghezza a profilo per limitare i vortici
Il rotore con diametro pari a 10,4 m è costituito da 3 pale aventi le seguenti caratteristiche:
•
Air foil:
SG6040-6041
•
Connessione al mozzo:
Attacco cilindrico in ghisa sferoidale
•
Lunghezza:
4950 mm
•
Corde max / min:
467 /188 mm
•
Twist:
(14,5°)
•
Peso:
55 kg
•
Colore:
bianco
•
Rotazione:
oraria (vista di fronte)
•
Orientamento:
sopra vento
•
Tip:
150 mm di lunghezza a profilo per limitare i vortici
di estremità alare
4.2.1.2
Caratteristiche costruttive della pala
La pala è composta da:
•
n. 2 shells strutturali realizzati in vetroresina con tecnica dell’infusione assistita dal vuoto;
•
n. 1 attacco cilindrico in ghisa sferoidale, con montaggio all’interno della pala, in fase di
incollaggio dei due shells.
4.2.2
Il sistema per la variazione del passo delle pale
4.2.2.1
Il mozzo pala
La trasmissione della coppia meccanica dal rotore eolico al generatore elettrico avviene con l’attacco delle pale
ai mozzi, posti a 120° tra loro.
I tre mozzi, realizzati in ghisa sferoidale, sono collegati meccanicamente al rotore del generatore, in ghisa
sferoidale,attraverso tre ralle, con caratteristiche riportate nel seguito.
4.2.2.2
Le ralle del passo pala
Ogni mozzo è dotato di una ralla realizzata in materiale 42 CrMo4 di grado B, dalle seguenti caratteristiche:
diametro esterno pari a 236 mm
diametro di calettamento esterno pari a 235 mm
diametro interno 85 mm
diametro di calettamento interno pari a 84 mm
altezza tot. pari a 50 mm e 5 mm di differenza tra il piano anello interno e il piano anello esterno
giro fori interno pari a 110 mm
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FOGLIO
15
giro fori esterno pari a 210 mm
n. 14 bulloni M12, classe 10.9
coppia di spunto a vuoto < di 5 Nm
4.2.2.3
I manovellismi
Il meccanismo che consente la variazione del passo pale è stato modificato rispetto a quello presente
sull'aerogeneratore mod. JIMP25 al fine di minimizzare gli attriti in modo da aumentare l'affidabilità e la vita
utile dei componenti.
Ogni singolo mozzo pala presenta, meccanicamente collegato, un sistema biella manovella, in acciaio Fe 510.
Una crociera, in ghisa sferoidale, che scorre su tre guide metalliche, interconnette i tre manovellismi; il tutto è
installato all’interno dell’ogiva.
Il moto è determinato da un attuatore lineare, costituito da un albero coassiale all’albero principale, svincolato
da cuscinetti lineari, collegato ad un pistone elettrico, montato sul telaio della turbina.
Tra albero di attuazione e pistone elettrico è montato un giunto magnetico, che, in caso di necessità, sconnette
meccanicamente l’albero dal pistone.
All’interno dell’ogiva è montata una molla a compressione, che permette la messa in bandiera delle pale, con
giunto magnetico scollegato. Per evitare il brusco rallentamento del rotore, alla molla è contrapposto uno
smorzatore a fluido che consente una messa in bandiera delle pale in un intervallo di tempo di alcuni secondi.
4.2.3
Il generatore elettrico e linea d’asse
La turbina eolica JIMP30 presenta un generatore elettrico sincrono multipolare a magneti permanenti a flusso
assiale che consente l’attacco diretto al rotore.
Le caratteristiche tecniche generali sono le seguenti:
- Numero di poli
34
- Numero di fasi
3
Potenza Nominale in rete
20 kW
25 kW
30 kW
Coppia nominale (Nm)
1800
2100
2400
Velocità nominale (rpm)
130
143
155
Rendimento a potenza
nominale (%)
88
86
85
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FOGLIO
16
Figura 2. Curva di rendimento del generatore elettrico della turbina Jimp30
La geometria del generatore è caratterizzata dalla presenza di uno statore resinato, solidale al telaio, e da n. 2
corone, che rappresentano i rotori.
Sulle facce interne delle due corone sono alloggiati i magneti permanenti, in Nd-Fe-B, ad una distanza
(traferro) di 3 mm, circa, dallo statore.
Il rotore esterno è solidale con il mozzo della turbina, i due rotori sono meccanicamente collegati attraverso
la linea d’asse, realizzata con un albero in acciaio, 18NiCrMo5, cementato, temprato e rettificato.
L’interfaccia tra parte fissa, solidale al telaio, e parte mobile, solidale alle pale, è garantita da n. 2 cuscinetti
orientabili a rulli.
4.2.4
Il telaio e ralla di imbardata
Una struttura in ghisa sferoidale costituisce il telaio della turbina JIMP30.
Uno squadro in ghisa sferoidale, imbullonato al telaio, permette l’interconnessione con il generatore elettrico.
Il telaio presenta un foro centrale per il passaggio dei cavi verso la base torre, una ralla, interfaccia tra torre di
sostegno e telaio, permette il movimento di imbardata.
La ralla di imbardata, realizzata in materiale 42 CrMo4 di grado B, presenta le seguenti caratteristiche:
- diametro esterno pari a 329 mm
- diametro interno pari a 191 mm
- altezza pari a 46 mm
- giro fori interno pari a 215 mm
- giro fori esterno pari a 305 mm
- n. 20 bulloni M12, classe 10.9
- coppia di avviamento a vuoto < di 10 Nm
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4.2.5
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17
L’ogiva, la capote e la banderuola
L’ogiva e la capote sono realizzate in resina poliestere con fibre di vetro di tipo "E". La banderuola è
realizzata in resina vinilestere rinforzata con le stesse fibre di vetro “E”.
L’ogiva ha il compito di proteggere tutte le parti rotanti (mozzo, generatore e i manovellismi necessari alla
variazione del passo); la capote copre la sagoma del telaio e la componentistica presente.
La banderuola in VTR e longherone in VTR, ha una superficie esposta al vento di circa 2,2 mq, e ha il
compito di orientare la turbina al vento.
L’ogiva, solidale con il rotore, e la capote, solidale con il telaio, sono distanziate di circa 5 mm lungo tutta la
circonferenza, per evitare interferenze e consentire l’uscita dell’aria calda. Sulla parte anteriore dell'ogiva è
praticato un foro con un sistema di convogliamento dell'aria in grado di provvedere al raffreddamento
passivo dello statore elettrico.
I manufatti sono realizzati con la tecnica dell’infusione assistita dal vuoto e finiture con cicli di lavoro
robotizzati.
4.2.6
Il sistema di controllo
Il controllo della turbina eolica JIMP30 è ubicato in parte nella navicella e in parte a base torre. In ingresso
riceve informazioni sul posizionamento lineare dell’attuatore del passo, sui valori di tensione, frequenza,
corrente e temperatura del generatore, sulla posizione di ap/ch del giunto magnetico.
In uscita comanda l’attuatore lineare e l’alimentazione al giunto magnetico.
E’ presente nell’hardware una porta seriale per la comunicazione con il sistema elettrico di base torre (p.e.
inverter ac/dc/ac per il parallelo con la rete, convertitore ac/dc per sistemi ad accumulo elettrico).
La strategia di controllo si può sintetizzare nel modo seguente:
• Controllo di emergenza. Il sistema verifica che tutti i parametri di interesse (velocità di rotazione,
tensione lato rete e lato generatore, temperatura del generatore, ecc.) siano all'interno del range
consentito per il normale funzionamento. Nel caso non sia possibile immettere potenza in rete, viene
attuata una procedura di emergenza mediante dei dispositivi passivi. Il generatore viene collegato a dei
resistori che permettono la creazione di una coppia resistente del 30% superiore a quella nominale, il
giunto magnetico, disalimentato, consente l'azionamento di una molla collegata al sistema del passo che
porta le pale in bandiera. In contrapposizione alla molla è presente uno smorzatore a fluido che consente
una graduale dissipazione dell'energia cinetica del rotore e quindi evita l'innescarsi di carichi dannosi
per i componenti dell'aerogeneratore.
• Controllo della coppia resistente. Il sistema controlla la corrente circolante nel generatore (e quindi la
coppia resistente creata sull'albero rotore) in funzione della velocità di rotazione al fine di ottimizzare il
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rendimento aerodinamico all'interno del range nominale di funzionamento.
• Controllo di velocità. Quando la velocità di rotazione supera il suo valore nominale, il sistema di
controllo agisce in due differenti maniere al fine di ridurre la velocità e portare l'aerogeneratore a
potenza costante. Un controllo rapido della velocità viene effettuato facendo variare la corrente
circolante nel generatore mentre un controllo su intervalli di tempo dell'ordine di alcuni secondi viene
realizzato variando il passo pale.
4.2.7
Le condutture elettriche
Le condutture tra navicella e base torre permettono il passaggio della potenza elettrica e di segnale fino al
dispositivo elettrico in base torre.
La turbina JIMP30 presenta un sistema di trasmissione che esclude l’esigenza di qualsiasi tipo di contatto
strisciante e/o movimentazione attiva dell’imbardata.
Un cavo spiralato, adatto a gravose sollecitazioni meccaniche, collegato elettricamente alla morsettiera del
generatore e del controllo, è vincolato rigidamente alla navicella con un cavo di acciaio, in asse con l’asse torre.
Tale soluzione permette almeno 50 giri di 360° della navicella, orari o antiorari, senza comprometterne le
caratteristiche meccano-elettriche.
Un’eventuale rottura del cavo (di segnale o di potenza) non compromette, comunque, la sicurezza del sistema
eolico.
4.3
FONDAZIONE E TORRE DI SOSTEGNO
La turbina JIMP30 viene installata su sostegni con altezza standard di 30 metri; le caratteristiche tecniche dei
sostegni e delle relative fondazioni sono esposte in specifici documenti progettuali.
La torre di sostegno è dimensionata in base alle sollecitazioni trasmesse dalla turbina JIMP30 e dall’azione del
vento agente lungo tutto lo sviluppo della stessa.
Il dimensionamento è congruente alle seguenti norme:
•
D.M. LL.PP. 09/01/1996 (G.U. 05/02/1996 n. 29 suppl. ord. n. 19)
(Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e
precompresso e per le strutture metalliche)
•
D.M. LL.PP. 16/01/1996 (G.U. 05/02/1996 n. 29 suppl. ord. n. 19)
(Norme tecniche relative ai “Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e
sovraccarichi”)
•
Circ. del Ministero dei LL.PP. 04/07/1996 n. 156AA.GG./STC. (G.U. 16/09/1996 n.151)
(Istruzioni per l’applicazione delle “Norme tecniche relative ai criteri generali per la verifica di sicurezza delle
costruzioni e dei carichi e sovraccarichi” di cui al decreto ministeriale del 16/01/1996)
•
D.M. 14/01/08 “Norme tecniche per le costruzioni”
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•
Eurocodice 3 – Progettazione delle strutture in acciaio: parte 1-1 regole generali e regole per gli edifici
•
Eurocodice 3 – Progettazione delle strutture in acciaio: parte 31-1 torri, pali e ciminiere-torri e pali
Ai fini della stabilità, la turbina JIMP30 necessita di un ancoraggio al terreno mediante la realizzazione in opera
di un plinto in conglomerato cementizio armato.
Il plinto viene dimensionato in base ai carichi trasmessi dalla turbina e dalla torre di sostegno e verificato in fase
esecutiva sulla base delle caratteristiche geotecniche del sito.
Il dimensionamento viene effettuato in conformità alle seguenti norme:
•
D.M. LL.PP. 09/01/1996 (G.U. 05/02/1996 n. 29 suppl. ord. n. 19)
(Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e
precompresso e per le strutture metalliche)
•
D.M. LL.PP. 16/01/1996 (G.U. 05/02/1996 n. 29 suppl. ord. n. 19)
(Norme tecniche relative ai “Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e
sovraccarichi”)
•
Circ. del Ministero dei LL.PP. 04/07/1996 n. 156AA.GG./STC. (G.U. 16/09/1996 n.151)
(Istruzioni per l’applicazione delle “Norme tecniche relative ai criteri generali per la verifica di sicurezza delle
costruzioni e dei carichi e sovraccarichi” di cui al decreto ministeriale del 16/01/1996)
4.4
IL COLLEGAMENTO ELETTRICO ALLA RETE
Di seguito si descrivono le caratteristiche generali del dispositivo elettrico necessario al collegamento in
parallelo della turbina JIMP30 alla rete pubblica di b.t. (@400 Vca, 50 Hz).
La turbina eolica JIMP30, a valle dei morsetti del generatore, presenta l’installazione di un convertitore di
frequenza con circuito intermedio in corrente continua.
Tale sistema consente di dissociare i valori di frequenza e tensione del generatore elettrico dai valori della rete
elettrica.
Con questo sistema è possibile attuare strategie di controllo a velocità variabile pur mantenendo, a valle, i livelli
di tensione e frequenza necessari al parallelo con la rete pubblica.
Il sistema di conversione utilizzato, a commutazione forzata ma senza riferimenti interni di tensione e corrente,
determina un sistema di produzione non idoneo a sostenere tensione e corrente (CEI 11-20, art. n. 1.3.2 b)).
Il convertitore ac/dc/ac è alloggiato all’interno di un quadro metallico, completo di sistema di frenatura elettrica,
contattore (dispositivo del generatore) e interruttore bt.
Esso è costituito da un doppio inverter, che permette una più efficace gestione dell’energia reattiva generata
dall’alternatore, è possibile, quindi, effettuare un controllo efficace dello sfasamento tra tensione e corrente lato
generatore e lato rete. Per il diverso principio di funzionamento l’inverter è, inoltre, un generatore di forme
d’onde sinusoidali, quindi, per costruzione, presenta un basso contenuto armonico lato generatore e lato rete e
una conseguente riduzione del rumore diretto ed indotto.
L’armadio metallico di custodia del dispositivo elettrico deve essere predisposto per l’installazione all’aperto, ai
piedi della torre di sostegno; a tal fine occorre avere caratteristiche di protezione dalle polveri, dall’acqua e dal
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FOGLIO
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ghiaccio.
La turbina JIMP30, oltre al collegamento in rete, con l’ausilio di un inverter ac/dc/ac, può essere utilizzata
interfacciata ad un convertitore ac/dc, per accumulo elettrico, o ad un quadro elettrico, per l’alimentazione
diretta di elettropompe, compressori, o altre utenze.
4.5
LE MODALITÀ INSTALLATIVE
Di seguito si riporta una sintesi delle attività necessarie per l’installazione di una turbina eolica JIMP30.
-
realizzazione dello scavo e del plinto, almeno 28 gg prima dell’installazione
-
predisposizione, nello scavo, per il passaggio delle condutture elettriche, dalla base torre verso
l’esterno (tubazione in pvc flessibile, diam.=80 mm)
-
montaggio a terra dei conci di torre
-
posa della torre sulla piastra di base, annegata nel plinto
-
posa delle condutture elettriche con un estremo vincolato alla testa torre e l’altro in uscita dal
cavidotto
-
montaggio a terra di banderuola e pale, con pale in bandiera e angolo di calettamento
-
montaggio della ralla di imbardata sulla torre
-
montaggio della navicella sulla ralla di imbardata
-
vincolo meccanico delle condutture alla navicella
-
collegamenti elettrici in navicella
-
collegamenti elettrici a bordo del dispositivo elettrico di interfaccia a base torre
Mezzi necessari:
-
gru portata 4 ton, altezza di lavorazione di 32 metri
-
cestello porta-persone, altezza di lavorazione 32 metri