crosswind kite energy

PRODUZIONE DI POTENZA DA FONTI RINNOVABILICROSSWIND KITE

Docente: prof. Manzolini Giampaolo

Relazione di:

Vitali Andrea

Pitscheider Luca

XXXXXXXXXXXXXX

INTRODUZIONE 2

RICERCA DI TECNOLOGIE IN GRADO DI SFRUTTARE ENERGIA EOLICA AD

ELEVATE ALTITUDINI

XXXXXXXXXXXXXX

INQUADRAMENTO STORICO 3

1980 - TRATTAZIONE DI LOYD: CROSSWIND KITE POWER

Conversione di energia eolica in energia meccanica affidata ad una vela, solidale ad un sistema di conversione dell’energia tramite funi

• Sfruttamento della porzione più esterna e quindi più produttiva dell’area spazzata dalle tradizionali HAWT

• Supporto meccanico della struttura non richiesto

XXXXXXXXXXXXXX

KITEGEN PROJECT 4

2007 - POLITECNICO DI TORINO RIPRENDE LA TRATTAZIONE DI LOYD

Modellizzazione di 2 configurazioni per la tecnologia crosswind kite:

KE – YOYO• Potenza nominale: 2-5MW• Impianti pilota in Italia (Sommariva Perno, CN)

KE – CAROUSEL• Potenza nominale (stimata): 250-300MW• In fase di studio, data la complessità costruttiva

XXXXXXXXXXXXXX

KE-YOYO: COMPONENTI IMPIANTO

• KITE• 2 FUNI• SENSORI ON BOARD WIRELESS:

GPS ACCELEROMETRI

• 2 CILINDRI ROTANTI• 2 GENERATORI SINCRONI A MAGNETI PERMANENTI• SENSORI A TERRA:

TRACKING OTTICO MISURATORE VELOCITA FUNI CELLE DI CARICO SULLE FUNI

• CONTROL UNIT: HARDWARE SOFTWARE PER IL CALCOLO DI VELOCITA E TRAIETTORIA DEL KITE

5

PARTE MOBILE

PARTE FISSA: KSU*

*KITE STEERING UNIT

XXXXXXXXXXXXXX

KE-YOYO: CICLO DI POTENZA 6

2 FASI

FASE DI TRAZIONE (TRACTION PHASE): GENERAZIONE DI POTENZA

FASE PASSIVA (PASSIVE PHASE):ASSORBIMENTO DI POTENZA

TRAMITE 3 SUBFASI

XXXXXXXXXXXXXX

KE-YOYO: FUNZIONAMENTO IMPIANTO 7

XXXXXXXXXXXXXX

TRACTION PHASE 8

OBBIETTIVO: massimizzare la produzione di energia elettrica• Partenza da posizione prestabilita (coordinate GPS, altitudine, lunghezza

cavo r0)• Svolgimento funi con velocità r’ref ottimizzata• Traiettoria “a 8”, controllata dal KSU tramite diversa tensione dei due cavi,

per impedire aggrovigliamento dei cavi e caduta del kite• Conclusione fase al raggiungimento di una lunghezza dei cavi prestabilita

XXXXXXXXXXXXXX

PASSIVE PHASE: 3 SUBFASI 9

OBBIETTIVO: minimizzare il dispendio di energia per riportare il kite nella posizione iniziale della traction phase

1° SUBFASE: • Si dirige il kite verso lo zenith della KSU, zona in cui la sua

sezione vista dal vento è minima.• Si rallenta velocità di svolgimento dei cavi fino ad annullarla

2° SUBFASE: • Una volta che il kite è “in bandiera”, si riavvolgonoi cavi fino a che raggiungono la lunghezza iniziale della traction phase

3° SUBFASE:• Si ripristina la velocità di svolgimento dei cavi, riportando il kite

nella posizione iniziale della traction phase

XXXXXXXXXXXXXX

SISTEMA DI RIFERIMENTO LOCALE 10

Sistema di coordinate sferiche, formulazione utile per esprimere la velocità dell’aquilone e le forze agenti sul kite

VELOCITÀ DEL VENTO

EFFETTIVA LOCALE AQUILONE

con

XXXXXXXXXXXXXX

FORZE AGENTI SUL KITE 11

PESO DEL KITE E DELLE FUNI

FORZA INERZIALE DI ROTAZIONE

FORZA DI CORIOLIS

FORZA CENTRIFUGA

XXXXXXXXXXXXXX

FORZE AGENTI SUL KITE 12

FORZA DI LIFT E DI DRAG DEL KITE

FORZA DI DRAG DELLE FUNI

FORZA DI TRAZIONE SULLE FUNI

XXXXXXXXXXXXXX

EQUAZIONI RELATIVE AL CICLO DI POTENZA 13

Potenza nominale del ciclo KE-YOYO

Potenza istantanea:

IPOTESI

1) Il volo del kite è in condizioni crosswind2) Forze inerziali e apparenti trascurabili3) Velocità relativa del kite costante4) Angolo di attacco costante

XXXXXXXXXXXXXX

EQUAZIONI RELATIVE AL CICLO DI POTENZA 14

Potenza nominale del ciclo KE-YOYO

Con:

Altitudine media del kite durante il ciclo

Parametro caratteristico dell’impianto

Efficienza aerodinamica equivalente

Coefficiente di drag equivalente, che tiene conto della resistenza del kite e dei cavi

XXXXXXXXXXXXXX

SIMULAZIONE NUMERICA 15

Effettuata dal Politecnico di Torino, per un impianto di 2MW stimati:

XXXXXXXXXXXXXX

SIMULAZIONE NUMERICA 16

Nel range di utilizzo previsto del KE-YOYO(15-25 m/s per impianti di piccola potenza, 50 m/s per impianti di grande potenza) si ottengono coefficienti di prestazione paragonabili a quelli delle moderne HAWT (0.35-0.45)

XXXXXXXXXXXXXX

ANALISI ECONOMICA 17

COSTI TECNOLOGIE A CONFRONTO

KITE HAWTCOMPONENTI ELETTRICHE + +

O&M ++ +FONDAZIONI E TORRE ++

XXXXXXXXXXXXXX

CONCLUSIONI 18

VANTAGGI

• Generazione da venti ad alta quota• Elevato numero di ore equivalenti di funzionamento• Maggiore densità energetica• Manutenzione più semplice

SVANTAGGI

• Costi (stimati) maggiori di O&M• Necessità di una no-fly zone sopra l’impianto• Malfunzionamento del sistema di tracking ottico

del kite in caso di nuvolosità

XXXXXXXXXXXXXX

RINGRAZIAMENTI

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

19

XXXXXXXXXXXXXX

RIFERIMENTI

• High Altitude Wind Power Generation – Fagiano, Milanese, Piga (2010)

• Power Kites for Wind Energy Generation: Fast Predictive Control of Tethered Airfoils – Canale,Fagiano, Milanese (2007)

• Crosswind Kite Power – Loyd (1980)• Atlas of high altitude wind power – Archer, Caldeira (2008)

20