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Ottimizzazione della turbina eolica a tre pale ad asse verticale.

June 27 2019
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Lo sfruttamento dell’energia del vento: una impegnativa prova progettuale.

Il razionale ed efficiente sfruttamento dell’energia eolica impone al Progettista l’armonizzazione di aspetti tecnici contrastanti se non opposti.
La turbina ad asse verticale ne è un esempio: essa, infatti, deve produrre energia in modo efficiente, resistere a forti venti, essere esente da fenomeni di risonanza difficilmente valutabili e potenzialmente distruttivi ed, infine, l’esercizio deve essere silenzioso e sicuro.
Queste sono le indicazioni che Ecolibrì ha posto allo staff tecnico Asotech coordinato dall’Ing. Davide Mavillonio per lo sviluppo di una nuova turbina da 20 kW.

Ecolibrì è una società di Agrate Brianza, attiva sul mercato eolico dal 2015; come primo prodotto la società ha realizzato turbine ad asse verticale da 3 kW e da 10 kW.
La richiesta sempre crescente di energia ha imposto alla committenza la necessità di sviluppare una turbina con prestazioni più elevate arrivando ai 20 kW.

UN’APPROCCIO MULTIDISCIPLINARE
Lo sviluppo della nuova turbina ha richiesto un approccio multidisciplinare: ai primi dimensionamenti teorici si è dovuto presto affiancare analisi fluidodinamiche 2D e 3D; scelto il profilo alare ottimale, la progettazione e le analisi strutturali sono state portate avanti in modo da ottenere una struttura resistente e performante. I materiali compositi in carbonio sono stati la chiave di volta della soluzione del complesso problema; essi pongono delicati aspetti progettuali ed analitici proprio in virtù della loro struttura, intimamente legata alla configurazione spaziale delle loro fibre.
Il dimensionamento teorico di massima, condotto con opportuni fogli di calcolo, ha fissato i contorni generali delle successive attività e orientato la prima ed importante scelta: il profilo delle pale. La turbina Darrieus in esame sfrutta la portanza esercitata dal profilo alare della sezione delle pale, quindi, fra i riferimenti (ACE, DU-06-W-200 e NACA) si sono privilegiate quest’ultime, NACA, appunto (National Advisory Committee for Aeronautics) statunitensi; la 0018 soddisfa al meglio i vincoli posti dai termini generali del progetto.
Impostata la struttura del progetto inizia la delicata fase di ottimizzazione.

UNA TURBINA RIVOLUZIONARIA
Particolarità del progetto portato avanti da Ecolibrì è la rivoluzionaria gestione della parte elettronica e di controllo dell’energia. In caso di basso vento, il moto-generatore permette di portare la turbina a velocità superiori ai 50 rpm e di ottenere un autosostentamento già con 2 m/s di vento; la turbina offre le massime prestazioni a 12 m/s, velocità oltre la quale un freno modula la velocità e la limita a 100 rpm.

L’equipe di calcolo di Asotech, grazie alla tecnologia offerta da Ansys-Fluent, ha iniziato le analisi preliminari 2D e 3D degli aspetti fluidodinamici complessivi per ottenere l’ottimizzazione dei profili di base; il tutto è stato parametrizzato per un’adeguata classe di velocità del vento, senza escludere le situazioni limite che, purtroppo, si presentano con crescente frequenza.
La macchina infatti deve garantire un’ottima resistenza strutturale anche con venti superiori ai 60 m/s.
Le analisi determinato le curve di rendimento della turbina al variare della velocità del vento.

PROGETTARE LA MASSIMA LEGGEREZZA E RESISTENZA
Terminata la scelta ottimale della configurazione aerodinamica, si sono affrontate problematiche di progettazione CAD e verifica strutturale, introducendo la complessità dell’uso dei materiali compositi: per la corretta laminazione di ogni singolo layer di materiale, vetroresina rinforzata in fibra di carbonio, si è fatto affidamento alle tecnologie ANSYS ACP che hanno simulato ogni strato di fibra per le massime prestazioni dei materiali utilizzati.
Lo sviluppo della turbina ha coinvolto inoltre il dimensionamento e la verifica del palo di sostegno: le problematiche di risonanza strutturale in questo caso hanno costretto a sviluppare un palo di dimensioni notevoli che permetta però di offrire la più alta frequenza di risonanza possibile.
Le analisi strutturali dedicate ai materiali compositi, di cui è fatta la vela, ha concluso la fase più delicata del lavoro svolto. L’utilizzo di questi materiali al posto dell’alluminio utilizzato nelle versioni precedenti di turbina ha prodotto un duplice risultato: si è ridotta la massa della parte più esterna della turbina limitando così di fatto le forze agenti sul sistema e si è aumentata la resistenza strutturale utilizzando materiali con più alte tensioni di rottura. Per la verifica su materiali così complessi, si sono stati utilizzati diversi approcci: dalla più semplice verifica con max e min stress, ai più complessi approcci secondo il criterio di Hill e Tsai-Wu.

L’Ing. Davide Mavillonio Responsabile Tecnico dell’Area Calcoli Asotech, e tutto lo staff tecnico coinvolto (Ing. Pietro Ghillani, Ing. Luigi Barile e Ing. Riccardo Castagnoli), si sono avvalsi dei migliori software di simulazione strutturale e fluidodinamica, ma, soprattutto, hanno saputo integrare fra loro queste risorse tecnologiche nell’ambito della più scrupolosa definizione delle condizioni al contorno, interpretando e fornendo le soluzioni tecniche e costruttive più idonee, utili per raggiungere gli obiettivi prefissati.
La macchina è ora in fase di test avanzato e sta garantendo i risultati in termini di produttività e di resistenza strutturale previsti dalla fase di calcolo e di dimensionamento.



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