ESTRATTO DELLA TESI
UTILIZZAZIONE DI VENTI DI
M O D E S TA I N T E N S I T À I N S I S T E M I D I
E L E T T R O - P O M PA G G I O E O L I C O
Lanfranco Grande
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INDICE
1. Introduzione ...........................................................................1
2. Apparato sperimentale...........................................................3
2.1
Simulazione turbina eolica ................................................. 3
2.2
Generatore elettrico............................................................ 4
2.3
Circuito idraulico e pompa elettrica .................................... 5
3. Analisi dell’interazione pompa-alternatore.............................7
3.1
Caratterizzazione del carico ............................................... 7
3.2
Condizioni di spunto della pompa....................................... 8
4. Scheda di controllo e collaudo .............................................10
5. Risultati.................................................................................13
6. Conclusioni...........................................................................17
Bibliografia..................................................................................19
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UTILIZZAZIONE DI VENTI DI
M O D E S TA I N T E N S I T À I N S I S T E M I D I
E L E T T R O - P O M PA G G I O E O L I C O
1.
INTRODUZIONE
L’energia eolica è una risorsa inesauribile e completamente pulita, il
suo sfruttamento è una delle più valide alternative all’energia prodotta
dalla combustione di idrocarburi. Lo sviluppo attuale è già in grado di
evitare pesanti emissioni in atmosfera di sostanze inquinanti (cfr.
Introduzione).
Qualche perplessità proviene dalla preoccupazione per l’impatto
ambientale, in particolare sull’occupazione del territorio e l’impatto
acustico, ma si tratta di ben poca cosa, soprattutto se si pensa agli enormi
benefici che ne possono derivare.
Nel
presente
lavoro
l’utilizzo
dell’energia
eolica
trova
un’applicazione specifica: l’energia estratta dal vento è utilizzata per il
sollevamento dell’acqua da un pozzo con l’ausilio di un’elettropompa.
Tale utilizzo è un po’ fuori degli standard commerciali, e quindi pone
problematiche di ordine tecnico finora non affrontate, anche perché le
macchine componenti il SEPE funzionano in condizioni fuori progetto.
L’uso di Sistemi Eolici per il Pompaggio Elettrico (SEPE) è
un’applicazione molto interessante in aree rurali, poiché evita
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l’allacciamento alla rete elettrica e presenta un limitato impatto visivo ed
una modesta occupazione del suolo [1-3]. Inoltre, questi sistemi sono
progettati per intensità del vento medio – basse, cosicché il loro
funzionamento è possibile anche nei siti meno favoriti, e poiché l’effetto
utile consiste nella quantità di acqua sollevata, anche l’accumulo diventa
semplice ed economico.
Da notare infine, che i SEPE sono a contenuto tecnologico basso,
perciò sono realizzabili installazioni anche in località povere di
manodopera specializzata.
Fra le possibili configurazioni di questi sistemi, una risulta
particolarmente adatta per l’installazione in zone isolate. Questa è
costituita da una turbina ad asse orizzontale con passo fisso, da un
moltiplicatore di giri e da un generatore sincrono, che è direttamente
connesso col motore asincrono di una pompa centrifuga.
Condurre dei test direttamente sul campo è praticamente impossibile a
causa della continua variabilità della fonte primaria. Per questo, in
laboratorio è stato allestito un banco prova che, con condizioni eoliche
ben precise, ha consentito l’analisi della mutua interazione fra i vari
componenti [5]. In particolare, è stata studiata in dettaglio l’influenza
della tensione di eccitazione dell’alternatore sulle prestazioni dell’intero
sistema. Sulla base di questo studio, è stata definita una strategia di
controllo della tensione di eccitazione che facilita lo spunto della pompa
in presenza di una modesta intensità del vento, e massimizza la portata
estratta in qualsiasi condizione del vento.
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2.
2.1
APPARATO SPERIMENTALE
Simulazione turbina eolica
La turbina eolica e il moltiplicatore di giri sono simulati con un
motore c.c. che può essere controllato in coppia attraverso la corrente
d’armatura, o in velocità attraverso la tensione d’armatura, con tensione
d’eccitazione costante.
Nei test è stato simulato un rotore eolico da 5 m di diametro, con asse
orizzontale e con rapporto di trasmissione pari a 9 [4].
Un trasduttore di coppia con marcatore d’angolo, per la misura della
coppia e della velocità di rotazione, è stato posizionato tra il motore c.c. e
l’alternatore. Un computer, dotato di convertitore A/D per i segnali in
ingresso e convertitore D/A per quelli in uscita, gestisce il banco
consentendo al motore di andare a velocità costante, a coppia costante o
di seguire la caratteristica coppia – velocità del vento del rotore eolico.
coppia di
riferimento
Convertitore
giri
Multiprogrammer
coppia effettiva
giri (Encoder)
Torsiometro (con Encoder)
Tensione
d'armatura
Motore
Alternatore
Carico
Idraulico
Figura 1 Schema del banco prova
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Apparato sperimentale
In figura 1 è riportato lo schema del banco: il computer legge la
velocità di rotazione del motore c.c. e imposta la coppia richiesta dalla
caratteristica coppia – velocità selezionata. La coppia calcolata e quella
misurata sono inviate al convertitore DC/DC che alimenta il motore.
Anche l’effetto dovuto alla differenza d’inerzia tra rotore eolico e il
motore è stato messo in conto (cfr. Capitolo 5).
La coppia calcolata che deve erogare il motore è infatti:
Cmot = Ctur - DC
dove
Ctur
è la coppia risultante dalla caratteristica del complesso
rotore eolico – moltiplicatore di giri, per una data velocità
del vento e per un certo regime di rotazione.
DC
2.2
è il termine di correzione dell’effetto d’inerzia.
Generatore elettrico
Il generatore elettrico trifase è una macchina commerciale sincrona
con due coppie polari (potenza nominale 6.5 kVA a 1500 rpm, 50Hz). Un
generatore sincrono si adatta bene ad un SEPE perché può produrre
energia elettrica (sebbene a frequenza variabile) a qualsiasi velocità di
rotazione. È ben noto che impianti di generazione convenzionale possono
produrre energia elettrica a frequenza e tensione costante. Ciò è possibile
usando un regolatore elettro-meccanico che incrementa la tensione di
eccitazione dell’alternatore se la tensione ai morsetti diminuisce, e
aumenta la coppia erogata dal motore primo. Ovviamente tale strategia
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Apparato sperimentale
non è applicabile ad un SEPE il cui “motore” è il vento. In fase di avvio
la corrente assorbita dal motore asincrono della pompa sarebbe molto
alta, la tensione ai morsetti dell’alternatore quasi nulla con una coppia
resistente molto superiore a quella necessaria per lo spunto di una
normale turbina eolica di piccola taglia.
Sulla base di queste considerazioni il regolatore di tensione sopra
descritto è stato staccato, e la tensione di eccitazione fornita dall’esterno,
inizialmente
come
tensione
costante
selezionata
manualmente,
successivamente con un regolatore dedicato la cui logica di controllo sarà
descritta più avanti.
2.3
Circuito idraulico e pompa elettrica
La pompa elettrica è inserita in un circuito idraulico che simula il
carico idraulico del SEPE (figura 2).
La pompa elettrica è inserita all’interno di un serbatoio zincato (S). Il
carico idraulico richiesto può essere selezionato attraverso una valvola di
regolazione (V) che provoca una caduta di pressione tra 0 e 40 m
simulando l’altezza geodetica, tre diaframmi (D) consentono di realizzare
le perdite dipendenti dalla portata. Inoltre, per evitare significativi
aumenti di calore è stato inserito nel circuito uno scambiatore di calore
(R).
5
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Apparato sperimentale
La prevalenza della pompa è determinata dalla differenza tra la lettura
della pressione effettuata dal trasduttore (T), e l’altezza geodetica fornita
dalla valvola di regolazione (C), mentre la portata è misurata da una
turbinetta assiale messa in rotazione dal flusso d’acqua.
P = pompa
S’ = serbatoio refrigerazione
D = flange tarate
C = vaso di carico
M = motore elettrico
T = trasduttore di pressione
R = refrigeratore
S = serbatoio aspirazione
F = flussimetro
K = pick-up magnetico
C
V = valvola di sfogo
T
S'
P
D
F
K
V
R
Figura 2
Circuito idraulico di simulazione del carico
6
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M
3.
ANALISI DELL’INTERAZIONE POMPAALTERNATORE
3.1
Caratterizzazione del carico
Il carico (la pompa e il circuito idraulico) è stato caratterizzato in
termini di tensione di eccitazione dell’alternatore. Per ogni tensione di
eccitazione, sono state misurate coppia e la velocità di rotazione all’asse
dell’alternatore, la portata, la prevalenza e la rotazione della pompa. La
figura 3 mostra la potenza meccanica richiesta dall’alternatore per
V
ec
c
=9
V
V
Ten ec c = 6
V
var sione
iab
ile
differenti valori di tensione di eccitazione. La figura mostra anche la
Potenza alternatore [W]
1200
7 m/s
800
6 m/s
400
5 m/s
4 m/s
3 m/s
0
0
400
800
1200
1600
Velocità di rotazione alternatore [rpm]
Figura 3 Curve di carico per diverse tensioni di eccitazione.
potenza generata dal rotore eolico [4] per diverse velocità del vento.
Per ogni tensione di eccitazione, la pendenza della curva di potenza
richiesta non coincide con la cubica ottima della turbina eolica. Nel
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Analisi dell’interazione pompa-alternatore
sistema testato l’efficienza globale aumenta con la velocità di rotazione
dell’alternatore. I primi risultati suggeriscono che la tensione di
eccitazione dell’alternatore ha una forte influenza sulle prestazioni
globali dell’intero sistema giocando un importante ruolo nella sua
ottimizzazione. In funzione di ciò sono stati analizzati due aspetti durante
i test: lo spunto della pompa e la portata estratta dopo l’avvio.
3.2
Condizioni di spunto della pompa
Il problema dello spunto sorge a causa della presenza del motore
asincrono, che richiede una corrente di avvio che è molte volte quella
8.0
:
:
:
:
Coppia [Nm]
6.0
6 V prima dell’avvio della pompa
6 V con pompa avviata
12V prima dell’avvio della pompa
12V con pompa avviata
d
4.0
b
a
2.0
4 m/s
c
0.0
0
250
500
750
1000
Velocità di rotazione dell’alternatore [rpm]
Figura 4 Condizioni di spunto della pompa.
nominale. Questo fatto diventa critico per le prestazioni di un SEPE in
condizioni di bassa intensità del vento.
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Analisi dell’interazione pompa-alternatore
I test hanno provato che lo spunto avviene quando la coppia raggiunge
i 3-4 Nm. In figura 4 è mostrato l’andamento della coppia misurata in
funzione della velocità di rotazione prima che la pompa inizi a muoversi
(simboli vuoti) e con la pompa in movimento (simboli pieni) per due
diverse tensioni di eccitazione: 12 V (cerchi) e 6 V (quadrati). Per
spiegare lo spunto della pompa con vento poco intenso, la figura 4 [5]
mostra anche la curva coppia-velocità della turbina eolica simulata con
velocità del vento costante di 4 m/s. Per una tensione di eccitazione di 12
V, la pendenza della caratteristica coppia-velocità con pompa ferma è
così alta che interseca la caratteristica della turbina sotto il valore di
coppia di 3-4 Nm che consente l’avvio della pompa (punto a). In questa
condizione la turbina e l’alternatore girano molto lentamente e la pompa
non parte, invece, se si usa una tensione di eccitazione più bassa (6 V), la
pendenza è più bassa e l’intersezione con la caratteristica della turbina
avviene ad un valore di coppia al di sopra della zona di spunto di 3-4
Nm: in questo range di coppia la pompa parte (punto b), il punto di
funzionamento si sposta, mantenendo lo stesso numero di giri, sulla curva
con la stessa tensione (attraverso la linea tratteggiata), ma con pompa in
movimento. In questo punto (c), a causa del gap tra la coppia motrice e
quella resistente, la pompa accelera fino a raggiungere il punto d.
Le osservazioni sopra riportate suggeriscono che con pompa ferma, è
conveniente indebolire l’eccitazione del generatore per facilitare lo
spunto della pompa. Dopo l’avvio, la tensione di eccitazione deve essere
regolata per ottenere la massima portata possibile.
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4.
SCHEDA DI CONTROLLO E COLLAUDO
Dalle prove effettuate si è potuto riscontrare come la curva della
portata d’acqua, passante per i punti di massimo per ogni velocità del
vento, sia lineare, sia rispetto alla rotazione dell’alternatore, sia rispetto
alla tensione di eccitazione (figure 5a e 5b). Ne consegue che esiste una
relazione di tipo lineare anche tra tensione d’eccitazione e velocità di
rotazione dell’alternatore.
La legge che approssima meglio i punti di massimo è risultata:
V
= 2 + 0.075 × f
ecc
Il motivo di questa scelta sta nel fatto che la coppia resistente
dell’alternatore cresce con la tensione di eccitazione; all’avviamento
l’eccitazione sarà molto bassa e di conseguenza la coppia resistente
contenuta; la richiesta di potenza aumenterà invece con la velocità di
rotazione, e quindi con l’intensità del vento.
Portata (l/min)
60
Figura 5a
Portata
realizzata per ogni velocità
del vento in funzione della
tensione d’eccitazione.
7 m/s
40
6 m/s
20
5 m/s
4 m/s
0
0.0
4.0
8.0
12.0
Tensione di eccitazione (V)
10
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16.0
Scheda di controllo e collaudo
60
Figura 5b
Portata
realizzata per ogni velocità
del vento in funzione della
rotazione dell’alternatore
Portata (l/min)
7 m/s
40
20
6 m/s
5 m/s
4 m/s
0
250
500
750
1000
1500
Velocità di rotazione alternatore [rpm]
Ovviamente, tale tipo di controllo non potrà garantire né tensione
costante, né frequenza costante, ma questo è accettabile se lo scopo è la
massimizzazione della portata e non la qualità dell’energia elettrica.
Il circuito elettrico che realizza questa regolazione può essere
facilmente installato all’interno dell’alternatore. Dal punto di vista
funzionale è costituito da un convertitore frequenza/tensione e da un
amplificatore operazionale che funge da sommatore (Fig. 6).
Sia il guadagno del convertitore (pendenza della retta), sia la tensione
aggiunta dal sommatore (ordinata all’origine) possono essere variati in
sede di taratura del circuito. L’alimentazione si può ottenere dallo stesso
alternatore, sfruttando, per i primi istanti di funzionamento, il
magnetismo residuo del ferro rotorico come già avviene di norma per i
circuiti regolatori incorporati a questo tipo di generatori elettrici.
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Scheda di controllo e collaudo
Potenza elettrica
Blocco
Raddrizz./Aliment.
Convertitore
F/V
Regol. Guadagno
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
.
.
.
.
+
Vecc
+
Sommatore
Regol. Offset
Scheda di controllo tensione di eccitazione
ALTERNATORE
Potenza
meccanica
in ingresso
T
w
Figura 6 Scheda di controllo della tensione di eccitazione dell’alternatore.
La scheda proposta è stata testata imponendo valori di coppia costante
all’albero dell’alternatore e registrando sia la velocità sia la tensione di
eccitazione fornita dalla scheda stessa. Per qualsiasi velocità di rotazione
sopra i 300 rpm l’andamento è molto vicino a quello desiderato, mentre
sotto i 300 rpm il controller eroga una tensione costante.
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5.
RISULTATI
Una modifica al software di gestione ha consentito d’impostare, con
un periodo di 22 s, la caratteristica del rotore corrispondente ad
un’intensità del vento pari a Vmax per il 50 % del tempo e pari a Vmin
per l’altra metà del ciclo. La scelta di acquisire i dati di portata in
condizioni periodiche è dovuta alla naturale instabilità dei venti. Le
velocità del vento Vmax e Vmin (7-5 m/s, 8-4 m/s) sono state selezionate
allo scopo di mantenere la stessa velocità media del vento, e per avere il
termine di confronto è stata fatta un’acquisizione con Vmax e Vmin
entrambe pari a 6 m/s. I test sono stati ripetuti per diverse altezze
geodetiche (20, 30, 40 m) e in queste condizioni la tensione di
eccitazione è stata fornita sia dalla scheda proposta dedicata al controllo
che da un alimentatore a tensione fissa (6, 9 volt). Una tensione
d’eccitazione costante inferiore a 6 V non è stata usata perché causava
eccessive velocità di rotazione con una velocità del vento superiore a 7
m/s. In questa condizione la coppia resistente all’asse del generatore è
troppo bassa e il sistema non riesce a trovare un punto di equilibrio, o
meglio, questo si trova “sulla carta” a regimi troppo alti e lontani dal
range di funzionamento del nostro motore. Quando la tensione
d’eccitazione è controllata dalla scheda, per alte velocità di rotazione,
essa s’innalza imponendo una coppia resistente più elevata evitando che
il rotore vada in fuga e garantendo, al contempo, il funzionamento in un
punto a più alto rendimento. In figura 7a e 7b è possibile osservare le
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Risultati
portate istantanee per una altezza geodetica pari a 30 m con velocità del
vento rispettivamente pari 5-7 m/s e 6-8 m/s, sia con eccitazione
variabile, sia con tensione costante di 6 volt. Il caso con tensione costante
a 9 volt ha dato i peggiori risultati in tutte le situazioni e non è mostrato.
H = 30 m, Velocità del vento = 5 - 7 m/s
50
Portata [l/min]
40
Tensione
variabile
30
20
10
Tensione costante 6V
0
H = 30 m, Velocità del vento = 4 - 8 m/s
60
Portata [l/min]
50
Tensione
variabile
40
30
20
10
Tensione costante 6V
0
Figura 8 a, b Portata d’acqua sollevata usando sia una tensione d’eccitazione variabile
(in blu), sia una tensione costante di 6 volt (in nero).
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Risultati
Nel secondo caso si nota che la portata istantanea estratta in
corrispondenza di Vmax = 8 m/s, con tensione costante a 6 volt, è ancora
inferiore a quella estratta a tensione variabile, ma con una differenza più
esigua rispetto a quella del caso precedente. La ragione risiede nel fatto
che per elevate velocità di rotazione, con il controllo proposto, si ha una
tensione d’eccitazione superiore solo di poco ai 6 volt forniti con
tensione fissa. Con la velocità bassa (Vmin = 4 m/s) la tensione prodotta
dalla nostra scheda è molto inferiore ai 6 volt consentendo ancora il
funzionamento della pompa ma le portate sono molto ridotte dall’elevata
altezza geodetica. Il vantaggio conseguito rispetto al sistema a tensione
fissa è modesto nonostante in quest’ultimo caso la pompa non riesca
neppure a prevalere sull’altezza geodetica.
In conclusione, una tensione di eccitazione variabile fornisce sempre
migliori risultati globali rispetto ad una generica tensione costante.
Inoltre, il vantaggio di una tensione variabile diventa proporzionalmente
più importante con l’incremento dell’altezza geodetica. La ragione
risiede nel fatto che un’aliquota della prevalenza fornita dalla pompa
serve per superare l’altezza geodetica, mentre solo la rimanente parte, se
presente, serve a fornire portata. D’altro canto, con la logica di controllo
proposta, la pompa gira più velocemente che con una tensione fissa, per
qualsiasi velocità del vento inferiore agli 8 m/s. Di conseguenza, per alte
velocità del vento e basse altezze geodetiche, le differenze nella portata
d’acqua sollevata con i due modi di eccitazione sono modeste. Mentre,
con basse velocità del vento e altezze geodetiche alte la differenza di
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Risultati
portata è più rilevante. Inoltre, può essere notato che nel caso del
controllo proposto la condizione del vento a 4-8 m/s abbraccia la portata
media più bassa per qualsiasi altezza geodetica, nonostante il contenuto
energetico del vento sia superiore (l’energia del vento va con il cubo
della velocità) e la portata d’acqua sia sempre diversa da zero anche nella
parte del ciclo a velocità più bassa. Ciò è dovuto alla più bassa efficienza
dei componenti del sistema nella prima metà del periodo e alle più alte
perdite di carico durante la restante parte del ciclo.
Nei grafici accanto
H = 20 m
40
Vecc variabile
Vecc 6 volt
35
Portata [l/min]
è possibile apprezzare
in
maniera
immediata
30
più
le
dif-
ferenze dei volumi
25
20
medi di acqua solle-
15
vata
10
nelle
diverse
condizioni.
5
0
4 - 8 m/s
5 - 7 m/s
6 m/s
H = 30 m
35
Vecc variabile
Vecc 6 volt
30
Portata [l/min]
25
20
15
10
5
0
4 - 8 m/s
5 - 7 m/s
6 m/s
16
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Figure 8 a, b Portata media
sollevata con altezza geodetica
pari a 20 e 30
6.
CONCLUSIONI
Il banco di prova allestito in laboratorio ha consentito la simulazione
del gruppo rotore eolico – moltiplicatore di giri e dell’intero circuito
idraulico. Le prove eseguite al banco hanno permesso di individuare le
condizioni minime per lo spunto della pompa e quelle di massima portata
dell’impianto per ogni velocità del vento. È risultato evidente che la
scheda di controllo in dotazione ad un alternatore commerciale non è
idonea per un SEPE, quindi è stato realizzato ed installato
sull’alternatore, un prototipo del circuito elettronico in grado di gestire
l’eccitazione secondo i criteri rivelatisi idonei per gli aerogeneratori.
L’introduzione di una nuova logica di controllo dell’eccitazione
dell’alternatore ha offerto anche la possibilità di servirsi di tale grandezza
come variabile di controllo per l’ottimizzazione della portata d’acqua
erogata.
Infine, allo scopo di poter effettuare prove anche in regime transitorio,
è stato introdotto, nel software di controllo, un algoritmo per tenere conto
del momento d’inerzia della turbina. Sono perciò attendibili anche i
risultati delle misure effettuate in condizioni di vento variabile.
I risultati dei test sono sintetizzabili come segue:
§
La nuova strategia di controllo, con un basso valore della tensione di
eccitazione allo spunto, consente di avere un avviamento della
pompa con venti di più bassa intensità;
17
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Conclusioni
§
Ad alti regimi di rotazione l’alto valore della tensione di eccitazione
porta il sistema di elettropompaggio ad incrementare sensibilmente
la portata d’acqua elaborata;
§
Il vantaggio della soluzione proposta diventa più rilevante con basse
velocità del vento, notevoli altezze geodetiche e con una certa
irregolarità del vento.
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BIBLIOGRAFIA
1. Goezinne, F. and Eilering, F., Wind Electric Pumping Systems. Proc.
EWEC 84, 1985, 1, 735-739.
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Renewable Energy, 1992, 2(1), 35-39.
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Renewable Energy, 1998, 13(1), 41-49.
4. Boccazzi, A. and Pallabazzer, R., Laboratory and Field Tests of a
WEPS. Proc. of EWEC 91, Amsterdam 1991, 667-671.
5. Amelio, M. and Bova, S., Influence of the Synchronous Generator
Field Voltage of the Performance of an Autonomous WEPS. Proc.
WREC-IV, Denver, June 1996, 1904-1908.
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