MINI- E MICRO-EOLICO
Scambio sul posto e incentivazione in conto energia
con “tariffa onnicomprensiva”: le novità normative
Tecnologie, prestazioni, prodotti sul mercato
Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione
eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e
con integrazione nell’ambiente costruito urbano
Mauro Andriollo,Università di Padova,
DIE - Dipartimento di Energia Elettrica
e-mail: [email protected]
Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale,
di mini-grid per aree industriali e con integrazione nell’ambiente costruito urbano
M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche
Perché il mini- micro eolico?
• Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione
ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità,
riduzione perdite trasmissione,…)
• Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola,
integrazione con sistemi di accumulo)
• Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili)
• Rumorosità in molti casi più limitata
• Collegamento alla rete (dove presente) più immediato
• Manutenzione più facile
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di mini-grid per aree industriali e con integrazione nell’ambiente costruito urbano
M. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche
Le prospettive del mini- micro eolico?
• Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali
ed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppo
• Crescita dell’interesse per sistemi con Pn≤40 kW in molti Paesi
(Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati
Uniti).
 nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW
(+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA)
• Esigenze di quality e safety labeling
• Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA)
• Integrazione in sistemi per produzione di energia
elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira)
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Crescita del minieolico negli USA e nel mondo
(FONTE: AWEA 2008)
n° unità al 2008 0-0.9kW
In isola
6,706
In rete
0
Totali
6,706
kW al 2008
0-0.9kW
In isola
2,784
In rete
0
Totali
2,784
USA
1-10kW 11-20kW 21-100kW
696
0
0
2,825
72
87
3,521
72
87
1-10kW 11-20kW 21-100kW
980
0
0
6.619
1,331
5,660
7,599
1,331
5,660
Nel mondo al 2008
unità
In isola
13,902
7,536
In rete
4992
26,065
18,894
33,601
Totali
kW
Totali
7,402
2,984
10,386
Totali
3,764
13,610
17,374
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Il minieolico negli USA
(FONTE: AWEA 2008)
10000 kW venduti negli USA
8000
6,619
20000
5,660
6000
78% crescita
In rete
In isola
4000
15000
2000
14% crescita
10000
73% crescita
1331
980
0 0-0.9kW 1-10kW 11-20kW 21-100kW
Taglia delle turbine
8000
5000
2784
7000
Nuove installazioni (kW)
2006
2007
2008
6000
5000
0
unità
kW
Vendite (x 10000 $)
4000
3000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
2000
1000
0
0-0.9kW 1-11kW 11-20kW 21-100kW
Taglia delle turbine
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Il minieolico nel Regno Unito (fonte BWEA)
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Applicazioni in ambito urbano
• Installazione sul tetto di edifici o in spazi aperti
(centri commerciali, parchi, scuole, …)
Ropatec
Tozzi Nord
Impianti nei Paesi Bassi
da www.urbanwind.org
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Applicazioni per aree rurali o isolate
• Occupazione di spazio limitata
• Vicinanza alle utenze
Gaia-Wind A/S
Fortis Montana
Jonica Impianti
EolPower
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Altre applicazioni per …
Piccole utenze pubbliche
Utenze in aree remote
Alimentazione autonoma dalla rete
Fonte: Zephyr Corporation
Integrazione con pannelli fotovoltaici,
sistemi di accumulo (batterie) o di
produzione acqua calda
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Integrazione con altre fonti (rinnovabili) per
Wind Electric Systems U.S. Department of Energy utenze isolate Small
Energy Efficiency and Renewable Energy
panneli fotovoltaici
gruppo elettrogeno
regolazione &
conversione
turbina
eolica
collegamento
CA o CC
utenza
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‘Mini-grids’ per aree commerciali o industriali
• Studio di sistemi di distribuzione che utilizzano
un’unica linea DC (DC bus) ed un unico inverter
Rete
Utenza 1
Utenza 2
Utenza n
Fonte: Cruz (CIEMAT) - EWEC 2007
3~
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Integrazione con altre fonti e sistemi di accumulo
(S.Papathanassiou E. Karamanou S. Papaefthymiou M. Papadopoulos “Operating policies
for hybrid wind-hydro power stations in island grids” EWEC 2008)
Hybrid Power Station (HPS)
Bacino a monte
Chiuse
Gruppi
elettrogeni
diesel
D
D
D
Parco eolico
parco eolico HPS
Bacino a valle
Turbine
Rete isolata
Pompe
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Integrazione con altre fonti e sistemi di accumulo
SOLUZIONE IMPIANTISTICA PER PICCOLE COMUNITÀ
X
LINEA MT
X
~
~
X
DC-link ±500 V
cavo bipolare
X
V,I,j
arm.
X
X
~
~
M
X
~
GS
GS
3~
X
3~
3~
G
sistema di
supervisione
STOCCAGGIO H
2
IDROGENO
H2
FUEL CELL
ELETTROLIZZATORE
MICRO
TURBINE
FOTO
VOLTAICO
POMPAGGIO
IDROELETTRICO
(REVERSIBILE)
EOLICO
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Vantaggio economico dell’energy storage:
minore impatto delle condizioni meteo
Andamento del prezzo spot dell’energia elettrica in Danimarca nel gennaio 2005
(“Renewable Electricity and the Grid”, ed. da G. Boyle –EARTHSCAN)
v≤25 m/s
v>25 m/s
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Turbine eoliche - classificazione
fatta in base al meccanismo di trasformazione dell’energia cinetica del vento
(definisce le prestazioni ed il campo di applicazione)
Ad impulso (‘drag’)
Aerodinamiche (‘lift’)
Savonius
• Asse verticale
• Pale distribuite su tutta
l’area spazzata
• Massima resistenza al
vento incidente
• Bassa efficienza (19%)
Darrieus
•
•
•
•
•
Giromill
Tripala
Asse orizzontale o verticale (tipo Darrieus o sue varianti)
Pale che coprono solo una piccola parte dell’area spazzata
Forza verticale prodotta dal flusso del vento attorno le pale
Alta efficienza di conversione (max teorica 59%)
Asse verticale applicato in genere per piccole potenze
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Potenza estraibile da una turbina
Pt =
Dt
v1
v2
A
Altri fattori
1
r A v13 C p
2
Coefficiente di potenza Cp
• Frazione della potenza incidente che viene catturata (rimanente persa
a valle)
• Valore massimo teorico (limite di Betz)  CpM0 = 0.59
• A causa di molteplici fattori (es.v1cost)  CpM < CpM0
• Dipendenza anche da: velocità di rotore, angolo di passo delle pale
(asse orizzontale)
• Area spazzata dalla turbina
 Asse orizzontale  A = p R2 (R: raggio della pala)
 Asse verticale (Darrieus)  A  2/3 R H (R: max raggio, H: altezza del rotore)
• Densità dell’aria (-20% di resa ad un’altezza di 2000 m rispetto al livello del mare)
• Altezza del rotore (effetto suolo sulla distribuzione verticale della velocità)
• Presenza di ostacoli (condizioni di turbolenza)
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Coefficiente Cp per diversi tipi di turbina
Curva limite di Betz
0.6
Tri-pala
0.5
Coefficiente di potenza
• Solo le turbine ad asse
orizzontale si avvicinano
ai limiti massimi teorici
dell’efficienza
Bi-pala
0.4
• Rotori Savonius o
multipala americana
forniscono alte coppie a
bassa velocità (rinforzo
materiali, peso)
Mono-pala
0.3
Darrieus
0.2
• Correlazione lott
(corrispondente al max
Cp) e rumorosità della
turbina
Multi-pala
(americana)
0.1
Savonius
0.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Tip speed ratio l = vp / v = W·R / v
Velocità di rotazione [rad/s]
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Turbine ad asse verticale
• Funzionamento indipendente dalla direzione del vento  possono operare anche in
condizioni di vento turbolento
• Possibilità di avere altezze di rotore più basse (rispetto ad asse orizzontale)  manutenzione
più facile sulle apparecchiature elettriche
• Bassa velocità di inizio funzionamento (‘cut-in’)  possibilità di sfruttare venti deboli
• Basso impatto acustico e visivo  adatte all’uso in ambito residenziale
Tipo
Savonius
Rendimento rotore
19-23
[%]
Darrieus
30-40
[m/s]
Densità di potenza
175 (Windside) 470 (Turby)
[W/m2]
Zona favorevole
Apprezzabile per
quella ‘tradizionale’
Velocità massima
Non
dipendente
dalla turbina
Tipo avviamento
Avviamento da rete
Auto-avviante o con turbina
ausiliaria
Limiti stringenti sulla
forza centrifuga
Edificio
Emissione sonora Trascurabile
Fonte: Delft
Outlook
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Turbine ad asse orizzontale
Rotore tripala
Generatore
elettrico
Assenza di
meccanismo
d’imbardata
Coda con
meccanismo di
imbardata
Sottovento
(maggiore semplicità
costruttiva, maggiore
flessibilità delle pale,
minor peso)
Torre
(eventualmente
reclinabile)
Assenza effetto
ombra della torre
(minor rumore,
sollecitazioni sulle
pale, erogazione
potenza più stabile)
Sopravento
• Sono i più diffusi con potenza che varia da centinaia di W fino a 50 kW
• Installazione su torre (maggiore velocità del vento, minore turbolenza), mentre sul tetto è
limitata a piccole potenze (problemi di vibrazioni)
• Uso di rotori sopravento o sottovento
• Regolazione attiva del passo delle pale e dell’imbardata in genere per potenze più elevate
(>10 kW)
• Possibilità di controllare la potenza alle alte velocità sfruttando la deformazione delle pale
(‘aerodynamic stall effect’) o sistemi ‘tilt-up’
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Caratteristica potenza-velocità del vento
1
2
3
% potenza nominale
100
(‘cogging’, bassa efficienza con bassi
carichi, meccanismo lancio turbina…)
Cp = cost
80
W = cost
60
40
• vcut-in = velocità di inizio funzionamento
• vcut-out = velocità di esclusione dell’aerovcut-out
vcut-in
vnom
20
generatore per proteggere rotore ed
componenti elettrici (frenatura elettrica su
resistenza o cortocircuito, frenatura
meccanica, ‘furling’)
0
velocità del vento v
1) Funzionamento a Cp=Cp,max=cost. (variazione W proporzionale a v, regolazione corrente e coppia
e.m., P  v3)
2) Funzionamento con W=cost. (Cp < Cp,max  potenza cresce con tasso inferiore, corrente e coppia
e.m. crescenti)
3) Funzionamento sopra la velocità nominale a potenza P=cost. o decrescente per proteggere
generatore ed elettronica di potenza  uso di sistemi attivi (regolazione passo, regolazione
imbardata, frenatura) o passivi (stallo aerodinamico con pale flessibili o tilt-up)
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Valutazione della resa energetica
• Misure della velocità del vento su un arco temporale ampio (>1 anno per
variazioni climatiche stagionali)
• Distribuzione statistica di Weibull: h(v) = (n.ore annue in cui v*  v  v* + Dv) / Dv
[h/anno]
Frequenza velocità del vento
[h/anno/(m/s)]
• Velocità nominale
corrispondente alla
punto di max densità
di energia
• Basso contributo
energetico alla
velocità media
Velocità media
6.35 m/s
Frequenza densità di
energia
[kWh/anno/(m/s)]
Velocità
nominale
9.45 m/s
Velocità vento [m/s]
• Anche se meno
probabili, le alte
velocità danno un
significativo
contributo energetico
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Sistemi di generazione ‘direct-drive’
Generatore Convertitore
sincrono
bi-stadio
AC
DC
DC
AC
controllo
carico
Generatore sincrono a magnete permanente
(MP) accoppiato direttamente alla turbina e
interfacciato al carico-rete attraverso un
convertitore bi-stadio (eventualmente backto-back) che gestisce l’intera potenza
• Sistemi a velocità variabile
 massimizzazione della potenza di uscita
 controllabilità delle grandezze di uscita (generazione più uniforme,
minori sollecitazioni meccaniche)
• Assenza del moltiplicatore (migliore rendimento, minor numero di
componenti nella catena cinematica, maggiore affidabilità, minore
manutenzione)
• Impiego di magneti permanenti a terre rare (migliore efficienza, maggiore
densità di potenza e robustezza)
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Generatore a MP a flusso radiale
Linee di flusso uscenti radialmente dai MP sul rotore
che si richiudono nello statore in piani paralleli alla
direzione di rotazione
©Sachs
• Rotore interno o esterno
• Magneti superficiali o interni
Aeromax
• Avvolgimento tradizionale a passo raccorciato o
a passo frazionario (bobine concentrate)
• Statore laminato con cave aperte o semichiuse
• Rotore massiccio o laminato (attenuazione
perdite causate dalla reazione d’indotto)
Turby
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Generatore a MP a flusso assiale
Linee di flusso uscenti dai MP sul rotore che si sviluppano parallelamente all’asse di rotazione
Tipo N-N
Tipo N-S
End-windings
MP
rotor
rotor
• A singolo rotore e statore, a doppio rotore esterno o a
doppio statore esterno
• Statore toroidale (tipo N-N) o a disco (tipo N-S)
• Nucleo di statore con cave, senza cave (slotless) o non
magnetico (ironless)
415 mm
• Costruzione ed assemblaggio in genere più complicati
rispetto al flusso radiale e problema forze di attrazione
assiale (con cave)
• Possibilità di configurazioni a più moduli
Tipo N-N (40 kW)
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Attività del Laboratorio Macchine Elettriche
Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE)
• Dimensionamento elettromagnetico ottimizzato di generatori sincroni a
magneti permanenti con configurazioni innovative
• Simulazione sistema turbina – generatore – convertitore
 Caratteristica della potenza in funzione della velocità del vento
 Definizione della strategia di controllo (con e senza anemometro)
 Analisi con turbolenza
• Misure e test su prototipi di piccola potenza
• Partecipazione progetti di ricerca nazionali (PRIN 2005 con Politecnico di
Milano, Università di Napoli e Cassino)
• Contratti di ricerca con aziende (progettazione, consulenza sviluppo
prodotto, redazione cataloghi, corsi formazione, ricerche bibliografiche)
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Collaborazione con Tozzi Nord Wind Turbines
Controllo
lato generatore
Turbina ad
asse verticale
Controllo
lato rete
DC link
Generatore
a MP
Rete
Convertitore bi-stadio ‘back-to-back’
Progettazione e sviluppo affidato al Laboratorio
Macchine Elettriche del DIE (UniPD) in
collaborazione con Magnetic SpA (costruttore)
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Generatore per turbina Tozzi Nord
Generatore a rotore interno
Elevata automazione a livello costruttivo
Basso ‘cogging’
Raffreddamento aria naturale
Peso ridotto
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Test su banco delle prestazioni del generatore
Prove con:
carico nominale simulato
collegamento ad inverter
frenatura reostatica
collegamento in cortocirc.
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Analisi di configurazioni magnetiche innovative
Flusso radiale a rotore esterno
Flusso assiale double-side
Rotore (anello)
Rotori (disco)
MP
Bobine
Bobine
MP
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Valutazione produzione energetica
• Analisi turbina ad asse orizzontale di potenza  20 kW
• Valutazione influenza delle dimensioni dei MP sull’energia erogata WL e
sull’energia Wem che deve smaltire il sistema di raffreddamento
Wem/WL [%]
WL [MWh/anno]
Spessore magnete [mm]
7.0
B
58
7.6
6.0
8.2
8.8
56
5.0
54
4.0 A
33
52
34
Convenienza incremento
spessore dei MP
C
9.4
10.0
35
36
37
Larghezza magnete [mm]
38
39
 fino a +13.5% di energia netta erogata
 fino a +3% di efficienza energetica
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Strategia di controllo
• Utilizzo di uno schema circuitale integrato (modello turbina + modello del
generatore + modello convertitore/carico)
• Tecnica MPPT (‘maximum power point tracking’) per il controllo della corrente
erogata (bilancio delle coppie nel punto di massimo coefficiente di potenza)
• Controllo dell’angolo di passo (turbina ad asse orizzontale) per avere minime
sollecitazioni sull’attuatore (maggiore affidabilità)
• Algoritmo ‘sensorless’ che non richiede l’uso di anemometro
 Stima delle grandezze meccaniche e della velocità del vento misurando solo
grandezze elettriche (riduzione costo e incertezza segnali di misura)
Curve a regime
Risposta al gradino
25
Potenza turbina [kW]
20
30
Potenza erogata [kW]
15
20
Velocità rotore [s -1]
10
con anemometro
senza anemometro
10
0
4
6
8
v*
vM
10
12
14
Velocità del vento [m/s]
16
18
20
con anemometro
Velocità rotore [s -1]
40
senza anemometro
Velocità rotore di riferimento
5
0
[s]
0
50
100
150
200
250
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Attività nel megaeolico
• Dimensionamento preliminare di generatori a flusso radiale ed assiale
• Avvolgimenti a stella multipla e n° cave/polo-fase frazionario
• Valutazione degli sforzi assiali e della coppia torcente in macchine a flusso
assiale in presenza di asimmetrie
Induzione a vuoto, a carico ed in corto
circuito in un generatore a flusso radiale
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Conclusioni
• Potenzialità di sfruttamento della fonte eolica su impianti di potenza mediopiccola (miglioramento della tecnologia, evoluzione della normativa e
certificazione, nuove forme di incentivazione)
• Diffusione applicazioni anche in ambito urbano (produzione/consumo ‘on-site’,
riduzione ‘bolletta’, nuova taglia certificati verdi 1 MWh)
• Miglioramento affidabilità (qualità ed innovazione dei componenti, integrazione
ottimizzata turbina-generatore-convertitore non semplice assemblaggio)
• Ricerca in ambito accademico a livello avanzato
 Configurazioni innovative del generatore
 Simulazione preventiva del funzionamento dell’impianto e della produzione
energetica
 Definizione della strategia di controllo