ROMA – Presentazione 28 Novembre 2007
Hokusai
IL MARE : FONTE DI ENERGIA RINNOVABILE
Il mare è una fonte inesauribile di energia.
La difficoltà sta nel carpirla.
Energia dalle onde
Energia dalle correnti
ENERGIA DALLE CORRENTI
La corrente marina è molto simile al vento per cui ci sono
molte analogie tra gli impianti eolici e quelli marini
In entrambi i casi la potenza teorica posseduta dal flusso
che investe il rotore = ½ ρ S V 3
Dove:
ρ è la densità dell’acqua o aria (quella dell’acqua è
quasi mille volte maggiore di quella dell’aria)
S è la superficie di intersezione tra rotore e corrente
V è la velocità della corrente che investe il rotore
ENERGIA DALLE CORRENTI
Oltre che essere, a differenza del vento, perfettamente
prevedibile, la corrente marina ha ancora il vantaggio di
contenere lo spazio occupato dall’impianto.
perfettamente prevedibile!!
Infatti, grazie alla differenza di densità tra i due fluidi, a
parità di potenza prodotta la superficie intercetta
dall’impianto è molto minore nel caso della corrente,
dato che la potenza è data da
½ρSV3
ENERGIA DALLE CORRENTI
Con 1 metro quadrato di area intercettata in una
corrente di acqua
di 3 metri al secondo si
possono produrre circa 3.3 kW (con η = 0.25)
Una corrente di aria che intercetta
1 metro quadrato di area, per
produrre gli stessi 3.3 kW, deve
viaggiare a 28 m/s
1 metro
Turbina Kobold ad asse verticale
Turbina Kobold ad asse verticale
La potenza estraibile è data dalla
citata formula ½ ρ S V 3
5000
Nel nostro caso, per una velocità di
corrente di 2 m/s :
ρ=1000 Kg/m3
S=30 m2
V3=8
Pteorica = ½ * 1000 * 30 * 8 = 120000 W
= 120 kW
D = 6000
Assumendo un rendimento del sistema pari al 25%, la
potenza elettrica che esso potrà fornire sarà di 30 kW
SCHEMA DELLA TURBINA KOBOLD
CALETTAMENTO VARIABILE IN MODO AUTOMATICO
c
αinf = -10°
t
Percorso di
Rotazione della
turbina
αsup = 90°
c
c
αinf = -10°
t
αsup = 15°
Percorso di
Rotazione della
turbina
c
CORRENTE
PROVE NELLA GALLERIA DEL VENTO
Modello con 3 pale
Configurazioni provate:
Diametro
Altezza Pale
Corda Pale
2.10 m
0.80 m
0.17 m
Modello con 6 pale
2 – 3 – 4 – 6 pale
Profilo Pale NACA 0018
PROVE NELLA GALLERIA DEL VENTO
Sistema per ottimizzare gli angoli di oscillazione delle pale
ANGOLO DI OSCILLAZIONE DELLE PALE
0 – 90°
240
La turbina era in grado
di partire da sola,
Kobold - Original (0-90°) - disks
V=8.5
2 Blades
200
3 Blades
ma non era in grado
di accelerare. (dopo
l’avvio, la potenza
diventa negativa sui
50 giri)
Comunque l’optimum
si raggiungeva con la
versione a tre pale: la
quarta pala non solo
non aggiunge potenza
ma rappresenta una
complicazione
P [Watt]
4 Blades
160
6 Blades
120
80
40
0
-40
0
40
80
120
ω [rpm]
160
200
240
280
OTTIMIZZAZIONE DELL’ANGOLO DI ARTICOLAZIONE DELLE PALE
(configurazione con tre pale)
240
Kobold - 3 blades
V=8.5 m/s
fixed 90°
200
Kobold original (0°-90°)
P [Watt]
Kobold original (0°-95°)
160
Kobold optimized (80°-90°)
- Capacità di auto-avvio
120
- Potenza massima
vmaggiore
80
40
- Capacità di accelerare
Aautonomamente
0
-40
0
40
80
120
ω [rpm]
160
200
240
280
CARBON FIBRE LAYERS
FOAM
STAINLESS STEEL
SPARS
IN CANTIERE
L’impianto completo di turbina e boa
Analisi strutturale della pala
ANALISI STRUTTURALE DELLA PALA
La piattaforma è posizionata a 150 m dalla riva su un fondale variabile
da 18 a 35 metri. L’ancoraggio è costituito da quattro linee di ormeggio
disposte a 90°.
Questo impianto pilota è stato utile per dimostrare sul campo le
caratteristiche di basso impatto ambientale e le prestazioni del sistema e
delle sue componenti.
Nel sito le velocità previste per le correnti sono comprese tra 1.5 e 2 m/s
(3-4 nodi). La corrente di marea ha un periodo di inversione di 6 ore.
Ganzirri
Ogni linea di ormeggio è composta da un blocco di
cemento, da una lunghezza di catena e da un cavo
tessile collegato a un golfare della piattaforma.
Cavo in PLP ØPLP
80rope
mmφ 80
(lunghezza
mm (variablevariabile)
length)
Catena
Ø 70
mm,
chain
φ 70 mm,
length
27 lunghezza
m each
27 m
Blocco
di cemento
da 35 t
mooring block
- 35 t concrete
Previsione delle Prestazioni
La prima indagine viene normalmente eseguita al
computer servendosi di un modello matematico
Naturalmente molte assunzioni sono arbitrarie e
i risultati possono essere imperfetti o addirittura
illusori
Una modellazione semplificata del fenomeno
può essere valida solo entro stretti limiti di
operazione. La cosiddetta teoria del “tubo di
flusso” è utile per un’analisi preliminare ed è
spesso molto vicina alla realtà,
ma i risultati non possono essere estrapolati
fino a poter prevedere prestazioni con alti valori
di solidità (σ) o TSR (λ)
Il fattore di solidità σ = nc/2R viene definito come
rapporto tra superficie totale delle pale
(n = numero delle pale e c = corda) rispetto alla
superficie di fluido intercettata dal sistema
TSR (tip speed ratio) è il rapporto λ = RΩ/ V tra
la velocità periferica della pala e la velocità del
flusso indisturbato della corrente
140
V=3.0 m/s
V=2.5 m/s
V=2.0 m/s
V=1.5 m/s
V=1.0 m/s
V=0.5 m/s
120
Power (Kw)
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25 30
rpm
35
40
45
50
Le potenze sono state previste al computer per velocità
della corrente varianti da 0.5 m/s a 3.0 m/s e per
numero di giri fino a 45 al minuto
140
V=3.0 m/s
V=2.5 m/s
V=2.0 m/s
V=1.5 m/s
V=1.0 m/s
V=0.5 m/s
120
Power (Kw)
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25 30
rpm
35
40
45
50
I risultati forniti dal computer furono verificati per
velocità varianti in un intervallo compreso tra i
diagrammi verde e rosso.
V = 1,25 m/s
V = 1,37 m/s
V = 1,48 m/s
V = 1,60 m/s
V = 1,80 m/s
24
20
16
Potenza kW
12
8
4
7
8
9
10
11
giri/min
Rilievi eseguiti sul campo hanno dimostrato la
validità del modello assunto, ma ciò è vero
soltanto nell’intervallo di potenze in cui i dati
sono stati raccolti.
12
Non possiamo assicurare che in una corrente
diciamo di 3 m/s il diagramma sia ancora
valido. Le uniche prestazioni di cui possiamo
essere certi sono quelle misurate per velocità
della corrente tra 1,25 e 1,80 m/s.
E’ comunque ragionevole assumere che la
potenza aumenti con il cubo della velocità,
come è comunemente accettato. Pertanto le
prestazioni
possono
essere
previste
estrapolando i risultati sperimentali con la
opportuna prudenza.
RENDIMENTO
Il rendimento può essere definito come
rapporto tra la potenza fornita dal sistema e
quella disponibile nella corrente.
Nel seguito intendiamo come potenza fornita
dal sistema, quella misurata sull’asse della
turbina e come potenza disponibile nella
corrente, il contento energetico del flusso
attraversante l’area intercettata dalla turbina,
come mostrato prima.
La potenza P fornita dalla turbina può essere calcolata
moltiplicando il momento torcente Mt sull’asse (misurato
con un semplice torsiometro) per la velocità angolare Ω.
Il contenuto energetico della corrente vale
½ ρ S V3
Pertanto il rendimento è dato da:
Cp =
Mt x Ω
½ ρ S V3
Il rendimento Cp della turbina è pertanto il rapporto tra
potenza all’asse e contenuto energetico del flusso.
Sono stati misurati valori di Cp a differenti velocità
della corrente. I risultati sono riportati in figura.
Per una rappresentazione adimensionale, il diagramma
è stato espresso assumendo λ come ascisse.
a l l ' a l b e romotore
m o to re della
d e l l a tu
rb i n a
CpC pall’albero
turbina
0 ,3 5
0 ,3
0 ,2 5
0 ,2
0 ,1 5
0 ,1
0 ,0 5
0
1 ,4
1 ,5
1 ,6
1 ,7
1 ,8
1 ,9
2
2 ,1
Lambda = R
Ω b/ dVa
la m
2 ,2
2 ,3
2 ,4
2 ,5
2 ,6
2 ,7
IMPIANTO ELETTRICO
Riduttore epicicloidale
Rapporto 1/160
Generatore elettrico
sincrono trifase
Marelli 55 kW
CONNESSIONE ALLA RETE DI TERRA
N
E
W
S
Successivamente, sul tetto della piattaforma è stato impiantato un sistema
fotovoltaico consistente in tre segmenti monofase aventi una potenza
nominale di 2,2 kW ognuno. Ogni segmento è connesso al suo inverter.
Abbiamo quindi due sistemi di generazione: quello mosso dalla corrente
di marea e quello fotovoltaico.
I conduttori di fase sono colorati in verde, blu e rosso, il neutro in nero
Collegamento alla rete ENEL dei due sistemi di conversione
Sono previsti tre impianti pilota, finanziati dall’UNIDO (United Nations
Industrial Development Organisation) in Cina, in Indonesia e nelle Filippine
Il valore desiderato di velocità angolare viene impostato manualmente.
Il regolatore provvederà a regolare il momento torcente del generatore
in modo da mantenere i giri della turbina costanti.
Variando il valore della velocità angolare e misurando nello stesso
tempo la potenza, sarà possibile eseguire sperimentalmente la
mappatura delle caratteristiche della turbina, usando in parallelo un
Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) per completare
l’informazione.
V = 1,25 m/s
V = 1,37 m/s
V = 1,48 m/s
V = 1,60 m/s
V = 1,80 m/s
Shaft Power (kW)
24
20
16
12
8
4
7
8
9
10
Ω (rpm)
11
12
