mini- e micro-eolico scambio sul posto e incentivazione in conto energia con tariffa...

MINI- E MICRO-EOLICOMINI- E MICRO-EOLICOScambio sul posto e incentivazione in conto energiaScambio sul posto e incentivazione in conto energiacon “tariffa onnicomprensiva”: le novità normativecon “tariffa onnicomprensiva”: le novità normative

Tecnologie, prestazioni, prodotti sul mercatoTecnologie, prestazioni, prodotti sul mercato

Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e

con integrazione nell’ambiente costruito urbanocon integrazione nell’ambiente costruito urbano

Mauro Andriollo,Università di Padova,Mauro Andriollo,Università di Padova,DIE - Dipartimento di Energia ElettricaDIE - Dipartimento di Energia Elettrica

e-mail: [email protected]: [email protected]

Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e

con integrazione nell’ambiente costruito urbanocon integrazione nell’ambiente costruito urbano

Mauro Andriollo,Università di Padova,Mauro Andriollo,Università di Padova,DIE - Dipartimento di Energia ElettricaDIE - Dipartimento di Energia Elettrica

e-mail: [email protected]: [email protected]

Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di Panoramica della tecnologie di micro- e mini-generazione eolica, in ambito rurale, di mini-grid per aree industriali e con integrazione nell’ambiente costruito urbanomini-grid per aree industriali e con integrazione nell’ambiente costruito urbano

M. Andriollo – Laboratorio di Macchine ElettricheM. Andriollo – Laboratorio di Macchine Elettriche

• Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità, ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità, riduzione perdite trasmissione,…)riduzione perdite trasmissione,…)

• Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola, Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola, integrazione con sistemi di accumulo)integrazione con sistemi di accumulo)

• Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili)Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili)• Rumorosità in molti casi più limitataRumorosità in molti casi più limitata• Collegamento alla rete (dove presente) più immediatoCollegamento alla rete (dove presente) più immediato• Manutenzione più facileManutenzione più facile

• Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione Contributo alla micro-generazione distribuita (produzione ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità, ed utilizzo delocalizzato e quindi più capillare, modularità, riduzione perdite trasmissione,…)riduzione perdite trasmissione,…)

• Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola, Maggiore versatilità (possibilità di funzionamento in isola, integrazione con sistemi di accumulo)integrazione con sistemi di accumulo)

• Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili)Minore impatto visivo e di infrastruttura (opere civili)• Rumorosità in molti casi più limitataRumorosità in molti casi più limitata• Collegamento alla rete (dove presente) più immediatoCollegamento alla rete (dove presente) più immediato• Manutenzione più facileManutenzione più facile

Perché il mini- micro eolico?Perché il mini- micro eolico?



• Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali ed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppoed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppo

• Crescita dell’interesse per sistemi con Crescita dell’interesse per sistemi con PPnn≤40 kW in molti Paesi ≤40 kW in molti Paesi (Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati (Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati Uniti).Uniti).

nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW (+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA)(+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA)

• Esigenze di quality e safety labeling Esigenze di quality e safety labeling • Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA)Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA)• Integrazione in sistemi per produzione di energia Integrazione in sistemi per produzione di energia

elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira)elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira)

• Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali Rapido incremento della domanda di energia elettrica in aree rurali ed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppoed isolate nei Paesi emergenti (Cina, India) ed in via di sviluppo

• Crescita dell’interesse per sistemi con Crescita dell’interesse per sistemi con PPnn≤40 kW in molti Paesi ≤40 kW in molti Paesi (Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati (Canada, Irlanda, Italia, Portogallo, Spagna, Regno Unito e Stati Uniti).Uniti).

nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW nel 2007, crescita di circa il 20% negli USA per potenze <100 kW (+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA)(+9.7 MW, arrivando a 55 MW – fonte IEA)

• Esigenze di quality e safety labeling Esigenze di quality e safety labeling • Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA)Progetti in ambito urbano T-URBan (Portogallo), SkyStream (USA)• Integrazione in sistemi per produzione di energia Integrazione in sistemi per produzione di energia

elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira)elettrica/idrogeno in aree isolate (Norvergia-Utsira)

Le prospettive del mini- micro eolico?Le prospettive del mini- micro eolico?



Crescita del minieolico negli USA e nel mondo Crescita del minieolico negli USA e nel mondo

USAUSAn° unità al 2008n° unità al 2008 0-0.9kW0-0.9kW 1-10kW1-10kW 11-20kW11-20kW 21-100kW21-100kW TotaliTotali

In isolaIn isola 6,7066,706 696696 00 00 7,4027,402In reteIn rete 00 2,8252,825 7272 8787 2,9842,984TotaliTotali 6,7066,706 3,5213,521 7272 8787 10,38610,386

kW al 2008kW al 2008 0-0.9kW0-0.9kW 1-10kW1-10kW 11-20kW11-20kW 21-100kW21-100kW TotaliTotaliIn isolaIn isola 2,7842,784 980980 00 00 3,7643,764In reteIn rete 00 6.6196.619 1,3311,331 5,6605,660 13,61013,610TotaliTotali 2,7842,784 7,5997,599 1,3311,331 5,6605,660 17,37417,374

Nel mondo al 2008Nel mondo al 2008 unitàunità kWkW

In isolaIn isola 13,90213,902 7,5367,536

In reteIn rete 49924992 26,06526,065

TotaliTotali 18,89418,894 33,60133,601

(FONTE: AWEA 2008)(FONTE: AWEA 2008)(FONTE: AWEA 2008)(FONTE: AWEA 2008)



Il minieolico negli USAIl minieolico negli USA(FONTE: AWEA 2008)(FONTE: AWEA 2008)(FONTE: AWEA 2008)(FONTE: AWEA 2008)

0

5000

10000

15000

20000

20082007200620052004200320022001

Vendite (x 10000 $)kWunità

14% crescita

78% crescita

73% crescita

In reteIn isola

0

2000

4000

6000

8000

10000 kW venduti negli USA

Taglia delle turbine0-0.9kW

2784

980

6,619

1331

5,660

1-10kW 11-20kW 21-100kW

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

21-100kW11-20kW1-11kW0-0.9kW

200620072008

Nuove installazioni (kW)

Taglia delle turbine



Il minieolico nel Regno Unito Il minieolico nel Regno Unito (fonte BWEA)(fonte BWEA)



Impianti nei Paesi Bassi da www.urbanwind.org

Applicazioni in ambito urbanoApplicazioni in ambito urbano• Installazione sul tetto di edifici o in spazi aperti Installazione sul tetto di edifici o in spazi aperti

(centri commerciali, parchi, scuole, …)(centri commerciali, parchi, scuole, …)• Installazione sul tetto di edifici o in spazi aperti Installazione sul tetto di edifici o in spazi aperti

(centri commerciali, parchi, scuole, …)(centri commerciali, parchi, scuole, …)

Tozzi NordTozzi NordRopatecRopatec



EolPowerEolPowerGaia-Wind A/SGaia-Wind A/S

• Occupazione di spazio limitataOccupazione di spazio limitata• Vicinanza alle utenzeVicinanza alle utenze• Occupazione di spazio limitataOccupazione di spazio limitata• Vicinanza alle utenzeVicinanza alle utenze

Applicazioni per aree rurali o isolateApplicazioni per aree rurali o isolate

Fortis MontanaFortis Montana

Jonica ImpiantiJonica Impianti



Fonte: Zephyr Corporation

Piccole utenze pubbliche Utenze in aree remote

Alimentazione autonoma dalla rete

Integrazione con pannelli fotovoltaici, sistemi di accumulo (batterie) o di produzione acqua calda

Altre applicazioni per …Altre applicazioni per …



Integrazione con altre fonti (rinnovabili) per Integrazione con altre fonti (rinnovabili) per utenze isolateutenze isolate

regolazione &conversione

utenza

turbinaeolica

panneli fotovoltaici

gruppo elettrogeno

collegamento

CA o CC

Small Wind Electric Systems U.S. Department of Energy -Energy Efficiency and Renewable Energy



‘‘Mini-grids’ per aree commerciali o industrialiMini-grids’ per aree commerciali o industriali

Fonte: Cruz (CIEMAT) - EWEC 2007 3 ~

Utenza 1

Utenza 2

Rete

Utenza n

• Studio di sistemi di distribuzione che utilizzano Studio di sistemi di distribuzione che utilizzano un’unica linea DC (DC bus) ed un unico inverterun’unica linea DC (DC bus) ed un unico inverter

• Studio di sistemi di distribuzione che utilizzano Studio di sistemi di distribuzione che utilizzano un’unica linea DC (DC bus) ed un unico inverterun’unica linea DC (DC bus) ed un unico inverter



Integrazione con altre fonti e sistemi di Integrazione con altre fonti e sistemi di accumulo accumulo ((S.PapathanassiouS.Papathanassiou E. Karamanou S. PapaefthymiouE. Karamanou S. Papaefthymiou M. Papadopoulos M. Papadopoulos

“Operating policies for hybrid wind-hydro power stations in island grids” EWEC 2008“Operating policies for hybrid wind-hydro power stations in island grids” EWEC 2008))

D D D

Bacino a monte

Bacino a valle

Chiuse

Turbine Pompe

parco eolico HPSParco eolico

Gruppi elettrogeni

diesel

Rete isolata

Hybrid Power Station (HPS)



Integrazione con altre fonti e sistemi di Integrazione con altre fonti e sistemi di accumuloaccumulo

SOLUZIONE IMPIANTISTICA PER PICCOLE COMUNITÀ SOLUZIONE IMPIANTISTICA PER PICCOLE COMUNITÀ

~~~

H2

H2

G

V,I,arm.

sistema disupervisione

~~~

FUEL CELLFUEL CELLELETTROLIZZATOREELETTROLIZZATORE

GS3~M

3~

DC-link ±500 Vcavo bipolare

X

X X X X X

X

X

LINEA MT

GS3~

STOCCAGGIO STOCCAGGIO IDROGENOIDROGENO

POMPAGGIOPOMPAGGIOIDROELETTRICOIDROELETTRICO(REVERSIBILE)(REVERSIBILE)

MICROMICROTURBINETURBINE

FOTOFOTOVOLTAICOVOLTAICO

EOLICOEOLICO

~~~ ~~~



Vantaggio economico dell’energy storage: Vantaggio economico dell’energy storage: minore impatto delle condizioni meteominore impatto delle condizioni meteo

Andamento del prezzo spot dell’energia elettrica in Danimarca nel gennaio 2005Andamento del prezzo spot dell’energia elettrica in Danimarca nel gennaio 2005(“(“Renewable Electricity and the Grid”, ed. da G. Boyle –EARTHSCAN)Renewable Electricity and the Grid”, ed. da G. Boyle –EARTHSCAN)

v≤25 m/sv≤25 m/sv>25 m/sv>25 m/s



Ad impulso (‘drag’)Ad impulso (‘drag’) Aerodinamiche (‘lift’)Aerodinamiche (‘lift’)

SavoniusSavonius

• Asse Asse verticaleverticale• Pale distribuite su Pale distribuite su tutta tutta

l’area spazzatal’area spazzata• Massima resistenzaMassima resistenza al al

vento incidentevento incidente• Bassa efficienzaBassa efficienza ( (19%)19%)

DarrieusDarrieus GiromillGiromill TripalaTripala

• Asse Asse orizzontale o verticaleorizzontale o verticale (tipo Darrieus o sue varianti) (tipo Darrieus o sue varianti)• Pale che coprono solo Pale che coprono solo una piccola parte dell’areauna piccola parte dell’area spazzata spazzata• Forza verticaleForza verticale prodotta dal flusso del vento attorno le pale prodotta dal flusso del vento attorno le pale• Alta efficienzaAlta efficienza di conversione (max teorica 59%) di conversione (max teorica 59%)• Asse Asse verticaleverticale applicato in genere per applicato in genere per piccole potenzepiccole potenze

Turbine eoliche - classificazioneTurbine eoliche - classificazionefatta in base al meccanismo di trasformazione dell’energia cinetica del vento fatta in base al meccanismo di trasformazione dell’energia cinetica del vento

(definisce le prestazioni ed il campo di applicazione)(definisce le prestazioni ed il campo di applicazione)



A

t

v1 v2

• Frazione della potenza incidente che viene catturata (rimanente persa Frazione della potenza incidente che viene catturata (rimanente persa a valle)a valle)

• Valore massimo teorico (limite di Betz) Valore massimo teorico (limite di Betz) C CpM0 pM0 = 0.59= 0.59

• A causa di molteplici fattori (es.vA causa di molteplici fattori (es.v11cost) cost) C CpM pM < C< CpM0pM0

• Dipendenza anche da: Dipendenza anche da: velocità di rotorevelocità di rotore, , angolo di passo delle pale angolo di passo delle pale (asse orizzontale)(asse orizzontale)

Coefficiente di potenza CCoefficiente di potenza Cpp

• Area spazzata dalla turbinaArea spazzata dalla turbina Asse orizzontale Asse orizzontale A = A = R R2 2 (R: raggio della pala)(R: raggio della pala) Asse verticale (Darrieus) Asse verticale (Darrieus) A A 2/3 R H 2/3 R H ((RR: max raggio, : max raggio, HH: altezza del rotore): altezza del rotore)

• Densità dell’ariaDensità dell’aria (-20% di resa ad un’altezza di 2000 m rispetto al livello del mare) (-20% di resa ad un’altezza di 2000 m rispetto al livello del mare)• AltezzaAltezza del rotore (effetto suolo sulla distribuzione verticale della velocità) del rotore (effetto suolo sulla distribuzione verticale della velocità)• Presenza di Presenza di ostacoli ostacoli (condizioni di turbolenza)(condizioni di turbolenza)

Altri fattoriAltri fattori

Potenza estraibile da una turbinaPotenza estraibile da una turbina1

pt CvAP 31

2



Coefficiente CCoefficiente Cpp per diversi tipi di turbina per diversi tipi di turbinaCurva limite di BetzCurva limite di Betz

• Solo le turbine ad asse Solo le turbine ad asse orizzontale si avvicinano orizzontale si avvicinano ai limiti massimi teorici ai limiti massimi teorici dell’efficienzadell’efficienza

• Rotori Savonius o Rotori Savonius o multipala americana multipala americana forniscono alte coppie a forniscono alte coppie a bassa velocità (rinforzo bassa velocità (rinforzo materiali, peso)materiali, peso)

• Correlazione Correlazione ott ott

(corrispondente al max (corrispondente al max CCpp) e rumorosità della ) e rumorosità della turbinaturbina

= vp / v = ·R / v

Velocità di rotazione [rad/s]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Tip speed ratio

Coeffi

cien

te d

i pot

enza

0.0SavoniusSavonius

DarrieusDarrieus

Tri-palaTri-pala

Bi-palaBi-pala

Mono-palaMono-pala

Multi-pala Multi-pala (americana)(americana)



• 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 Darrieus

Rendimento rotore [%]

19-23 30-40

Densità di potenza [W/m2]

175 (Windside)

470 (Turby)

Emissione sonora TrascurabileApprezzabile per quella ‘tradizionale’

Velocità massimaNon dipendente dalla turbina

Limiti stringenti sulla forza centrifuga

Tipo avviamento Auto-avvianteAvviamento da rete o con turbina ausiliaria

Zona favorevole

[m/s]

Edifi

cio

Fonte: Delft Outlook

Turbine ad asse verticaleTurbine ad asse verticale



Rotore tripala

Generatoreelettrico

Torre (eventualmente reclinabile)

Coda con meccanismo di imbardata

• 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’

Sopravento

Assenza effetto ombra della torre

(minor rumore, sollecitazioni sulle pale, erogazione potenza più stabile)

Sotto-vento

Assenza di meccanismo d’imbardata

(maggiore semplicità costruttiva, maggiore flessibilità delle pale, minor peso)

Turbine ad asse orizzontaleTurbine ad asse orizzontale



% p

oten

za n

omin

ale

% p

oten

za n

omin

ale

velocità del vento vvelocità del vento v

100100

8080

6060

4040

2020

00

vvcut-incut-in

vvnomnom

vvcut-outcut-out

• vvcut-incut-in = velocità di inizio funzionamento = velocità di inizio funzionamento

(‘cogging’, bassa efficienza con bassi (‘cogging’, bassa efficienza con bassi carichi, meccanismo lancio turbina…)carichi, meccanismo lancio turbina…)

• vvcut-outcut-out = velocità di esclusione dell’aero-= velocità di esclusione dell’aero-

generatore per proteggere rotore ed generatore per proteggere rotore ed componenti elettrici (frenatura elettrica su componenti elettrici (frenatura elettrica su resistenza o cortocircuito, frenatura resistenza o cortocircuito, frenatura meccanica, ‘furling’)meccanica, ‘furling’)

1)1) Funzionamento a Funzionamento a CCpp=C=Cp,maxp,max=cost. =cost. (variazione (variazione proporzionale a v, regolazione corrente e coppia proporzionale a v, regolazione corrente e coppia e.m., P e.m., P v v33))

2)2) Funzionamento con Funzionamento con =cost. (=cost. (CCpp < C < Cp,maxp,max potenza cresce con tasso inferiore, corrente e coppia e.m. potenza cresce con tasso inferiore, corrente e coppia e.m. crescenti)crescenti)

3)3) Funzionamento sopra la velocità nominale a potenza Funzionamento sopra la velocità nominale a potenza P=cost.P=cost. o o decrescentedecrescente per proteggere per proteggere generatore ed elettronica di potenza generatore ed elettronica di potenza uso di uso di sistemi attivisistemi attivi (regolazione passo, regolazione (regolazione passo, regolazione imbardata, frenatura) o imbardata, frenatura) o passivipassivi (stallo aerodinamico con pale flessibili o tilt-up) (stallo aerodinamico con pale flessibili o tilt-up)

33

CCp p = cost= cost

11 22

= cost= cost

Caratteristica potenza-velocità del ventoCaratteristica potenza-velocità del vento



Frequenza velocità del vento [h/anno/(m/s)]

Frequenza densità di energia [kWh/anno/(m/s)]

Velocità nominale9.45 m/s

Velocità media6.35 m/s

Velocità vento [m/s]

[h/anno] • Velocità nominaleVelocità nominale corrispondente alla corrispondente alla punto di punto di max densità max densità di energiadi energia

• Basso contributo Basso contributo energetico alla energetico alla velocità mediavelocità media

• Anche se meno Anche se meno probabili, le probabili, le alte alte velocità danno un velocità danno un significativo significativo contributo energeticocontributo energetico

• Misure della velocità del vento su un Misure della velocità del vento su un arco temporale ampioarco temporale ampio (>1 anno per (>1 anno per variazioni climatiche stagionali)variazioni climatiche stagionali)

• Distribuzione statistica di Weibull: Distribuzione statistica di Weibull: h(v) = (n.ore annue in cui v* h(v) = (n.ore annue in cui v* v v v* + v* + v) / v) / vv

Valutazione della resa energeticaValutazione della resa energetica



GeneratoreGeneratore sincronosincrono

caricocarico

controllocontrollo

ACACDCDC

DCDCACAC

ConvertitoreConvertitorebi-stadiobi-stadio

Generatore sincrono Generatore sincrono a magnete permanente a magnete permanente (MP)(MP) accoppiatoaccoppiato direttamente alla turbinadirettamente alla turbina e e interfacciato al carico-rete attraverso un interfacciato al carico-rete attraverso un convertitore bi-stadio (eventualmente back-convertitore bi-stadio (eventualmente back-to-back) che gestisce l’intera potenzato-back) che gestisce l’intera potenza

• Sistemi a velocità variabileSistemi a velocità variabile massimizzazione della potenza di uscitamassimizzazione della potenza di uscita controllabilità delle grandezze di uscita (generazione più uniforme, controllabilità delle grandezze di uscita (generazione più uniforme,

minori sollecitazioni meccaniche)minori sollecitazioni meccaniche)• Assenza del moltiplicatore (migliore rendimento, minor numero di Assenza del moltiplicatore (migliore rendimento, minor numero di

componenti nella catena cinematica, maggiore affidabilità, minore componenti nella catena cinematica, maggiore affidabilità, minore manutenzione)manutenzione)

• Impiego di magneti permanenti a terre rare (migliore efficienza, maggiore Impiego di magneti permanenti a terre rare (migliore efficienza, maggiore densità di potenza e robustezza)densità di potenza e robustezza)

Sistemi di generazione ‘direct-drive’Sistemi di generazione ‘direct-drive’



Turby

Aeromax

Linee di flusso uscenti radialmente dai MP sul rotore Linee di flusso uscenti radialmente dai MP sul rotore che si richiudono nello statore in piani paralleli alla che si richiudono nello statore in piani paralleli alla direzione di rotazionedirezione di rotazione

• Rotore interno o esternoRotore interno o esterno

• Magneti superficiali o interniMagneti superficiali o interni

• Avvolgimento tradizionale a passo raccorciato o Avvolgimento tradizionale a passo raccorciato o a passo frazionario (bobine concentrate)a passo frazionario (bobine concentrate)

• Statore laminato con cave aperte o semichiuseStatore laminato con cave aperte o semichiuse

• Rotore massiccio o laminato (attenuazione Rotore massiccio o laminato (attenuazione perdite causate dalla reazione d’indotto)perdite causate dalla reazione d’indotto)

©Sachs

Generatore a MP a flusso radialeGeneratore a MP a flusso radiale



Linee di flusso uscenti dai MP sul rotore che si sviluppano parallelamente all’asse di rotazioneLinee di flusso uscenti dai MP sul rotore che si sviluppano parallelamente all’asse di rotazione

rotor

End-windings

MProtor

Tipo N-STipo N-N

• A singolo rotore e statore, a doppio rotore esterno o a A singolo rotore e statore, a doppio rotore esterno o a doppio statore esternodoppio statore esterno

• Statore toroidale (tipo N-N) o a disco (tipo N-S)Statore toroidale (tipo N-N) o a disco (tipo N-S)• Nucleo di statore con cave, senza cave (slotless) o non Nucleo di statore con cave, senza cave (slotless) o non

magnetico (ironless)magnetico (ironless)• Costruzione ed assemblaggio in genere più complicati Costruzione ed assemblaggio in genere più complicati

rispetto al flusso radiale e problema forze di attrazione rispetto al flusso radiale e problema forze di attrazione assiale (con cave)assiale (con cave)

• Possibilità di configurazioni a più moduliPossibilità di configurazioni a più moduli Tipo N-N (40 kW)

415 mm

Generatore a MP a flusso assialeGeneratore a MP a flusso assiale



• Dimensionamento elettromagnetico Dimensionamento elettromagnetico ottimizzato di generatori sincroni a ottimizzato di generatori sincroni a magneti permanenti con configurazioni innovativemagneti permanenti con configurazioni innovative

• Simulazione sistema turbina – generatore – convertitore Simulazione sistema turbina – generatore – convertitore Caratteristica della potenza in funzione della velocità del ventoCaratteristica della potenza in funzione della velocità del vento Definizione della strategia di controllo (con e senza anemometro)Definizione della strategia di controllo (con e senza anemometro) Analisi con turbolenzaAnalisi con turbolenza

• Misure e test Misure e test su prototipi di piccola potenzasu prototipi di piccola potenza

• Partecipazione Partecipazione progetti di ricerca nazionali progetti di ricerca nazionali (PRIN 2005 con Politecnico di (PRIN 2005 con Politecnico di Milano, Università di Napoli e Cassino)Milano, Università di Napoli e Cassino)

• Contratti di ricerca Contratti di ricerca con aziende con aziende (progettazione, consulenza sviluppo (progettazione, consulenza sviluppo prodotto, redazione cataloghi, corsi formazione, ricerche bibliografiche)prodotto, redazione cataloghi, corsi formazione, ricerche bibliografiche)

Attività del Laboratorio Macchine Elettriche Attività del Laboratorio Macchine Elettriche Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE)Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE)



Generatore Generatore a MPa MP

DC linkDC link

Controllo Controllo lato generatorelato generatore

Controllo Controllo lato retelato rete

Turbina ad Turbina ad asse verticaleasse verticale

Convertitore bi-stadio ‘back-to-back’Convertitore bi-stadio ‘back-to-back’

ReteRete

Progettazione e sviluppo affidato al Laboratorio Progettazione e sviluppo affidato al Laboratorio Macchine Elettriche del DIE (UniPD) in Macchine Elettriche del DIE (UniPD) in collaborazione con Magnetic SpA (costruttore)collaborazione con Magnetic SpA (costruttore)

Collaborazione con Tozzi Nord Wind TurbinesCollaborazione con Tozzi Nord Wind Turbines



Generatore a rotore internoGeneratore a rotore internoElevata automazione a livello costruttivoElevata automazione a livello costruttivoBasso ‘cogging’Basso ‘cogging’Raffreddamento aria naturaleRaffreddamento aria naturalePeso ridottoPeso ridotto

Generatore per turbina Tozzi NordGeneratore per turbina Tozzi Nord



Test su banco delle prestazioni del generatoreTest su banco delle prestazioni del generatore

Prove con:Prove con:carico nominale simulatocarico nominale simulatocollegamento ad invertercollegamento ad inverterfrenatura reostaticafrenatura reostaticacollegamento in cortocirc.collegamento in cortocirc.



Flusso radiale a rotore esterno

Rotore (anello)Rotore (anello)

MPMP

BobineBobine

Analisi di configurazioni magnetiche innovativeAnalisi di configurazioni magnetiche innovative

Flusso assiale double-side

Rotori (disco)Rotori (disco)

MPMP

BobineBobine



• Analisi turbina ad asse orizzontale di potenza Analisi turbina ad asse orizzontale di potenza 20 kW 20 kW• Valutazione influenza delle Valutazione influenza delle dimensioni dei MPdimensioni dei MP sull’ sull’energia erogata Wenergia erogata WLL e e

sull’sull’energia Wenergia Wemem che deve smaltire il sistema di raffreddamento che deve smaltire il sistema di raffreddamento

4.0

5.0

6.0

7.0

Spes

sore

mag

nete

[mm

]

33 34 35 36 37 38 39Larghezza magnete [mm]

A

B

C

58

56

54

5210.0

9.4

8.8

8.2

7.6

WL [MWh/anno] Wem/WL [%]

fino a +13.5% di energia netta erogata

fino a +3% di efficienza energetica

Convenienza incremento spessore dei MP

Valutazione produzione energeticaValutazione produzione energetica



• Utilizzo di uno Utilizzo di uno schema circuitale integratoschema circuitale integrato (modello turbina + modello del (modello turbina + modello del generatore + modello convertitore/carico)generatore + modello convertitore/carico)

• Tecnica Tecnica MPPT MPPT (‘maximum power point tracking’) per il (‘maximum power point tracking’) per il controllo della corrente controllo della corrente erogataerogata (bilancio delle coppie nel punto di massimo coefficiente di potenza) (bilancio delle coppie nel punto di massimo coefficiente di potenza)

• Controllo Controllo dell’angolo di passo dell’angolo di passo (turbina ad asse orizzontale) per avere (turbina ad asse orizzontale) per avere minime minime sollecitazioni sull’attuatore sollecitazioni sull’attuatore (maggiore affidabilità)(maggiore affidabilità)

• Algoritmo ‘sensorless’ che Algoritmo ‘sensorless’ che non richiede l’uso di anemometronon richiede l’uso di anemometro Stima delle grandezze meccaniche e della velocità del vento misurando Stima delle grandezze meccaniche e della velocità del vento misurando solosolo

grandezze elettrichegrandezze elettriche (riduzione costo e incertezza segnali di misura) (riduzione costo e incertezza segnali di misura)

0

10

20

30

40

v* vM

4 6 8 10 12 14 16 18 20Velocità del vento [m/s]

Potenza turbina [kW]

con anemometrosenza anemometro

Potenza erogata [kW]

Velocità rotore [s-1]

0

10

20

30

40

v* vM

4 6 8 10 12 14 16 18 20Velocità del vento [m/s]

Potenza turbina [kW]

con anemometrosenza anemometro

Potenza erogata [kW]

Velocità rotore [s-1]

0

5

10

15

20

25

con anemometro

senza anemometro

0 50 100 150 200 250

[s]

Ve

loci

tàro

tore

[s-1]

Velocità rotore di riferimento

Curve a regimeCurve a regime Risposta al gradinoRisposta al gradino

Strategia di controlloStrategia di controllo



Attività nel megaeolicoAttività nel megaeolico• Dimensionamento preliminare di generatori a flusso radiale ed assiale Dimensionamento preliminare di generatori a flusso radiale ed assiale • Avvolgimenti a stella multipla e n° cave/polo-fase frazionarioAvvolgimenti a stella multipla e n° cave/polo-fase frazionario• Valutazione degli sforzi assiali e della coppia torcente in macchine a flusso Valutazione degli sforzi assiali e della coppia torcente in macchine a flusso

assiale in presenza di asimmetrieassiale in presenza di asimmetrie

Induzione a vuoto, a carico ed in corto Induzione a vuoto, a carico ed in corto circuito in un generatore a flusso radialecircuito in un generatore a flusso radiale



• Potenzialità di sfruttamento della fonte eolica su Potenzialità di sfruttamento della fonte eolica su impianti di potenza medio-impianti di potenza medio-piccolapiccola (miglioramento della tecnologia, evoluzione della normativa e (miglioramento della tecnologia, evoluzione della normativa e certificazione, nuove forme di incentivazione)certificazione, nuove forme di incentivazione)

• Diffusione applicazioni anche in Diffusione applicazioni anche in ambito urbano ambito urbano (produzione/consumo ‘on-site’, (produzione/consumo ‘on-site’, riduzione ‘bolletta’, nuova taglia certificati verdi 1 MWh)riduzione ‘bolletta’, nuova taglia certificati verdi 1 MWh)

• Miglioramento affidabilità Miglioramento affidabilità (qualità ed innovazione dei componenti, integrazione (qualità ed innovazione dei componenti, integrazione ottimizzata turbina-generatore-convertitore non semplice assemblaggio)ottimizzata turbina-generatore-convertitore non semplice assemblaggio)

• Ricerca in ambito accademico a livello avanzatoRicerca in ambito accademico a livello avanzato

Configurazioni innovativeConfigurazioni innovative del generatore del generatore

Simulazione preventivaSimulazione preventiva del funzionamento dell’impianto e della produzione del funzionamento dell’impianto e della produzione energeticaenergetica

Definizione della Definizione della strategia di controllostrategia di controllo

ConclusioniConclusioni

mini- e micro-eolico scambio sul posto e incentivazione in conto energia con tariffa...

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