Gli organi di trasmissione nelle turbine eoliche

L’attenzione a livello mondiale verso il riscaldamento globale e le mutazioni climatiche, sta spingendo sempre di più verso la ricerca di fonti di energia prive di emissioni di CO2 come gli impianti idroelettrici, fotovoltaici e naturalmente le turbine eoliche.
Infatti, le emissioni di diossido di carbonio contribuiscono per il 66% alle emissioni di gas GHG (global greenhouse gas o gas effetto serra).
Tra le principali attività che maggiormente contribuiscono alle emissioni di GHG possiamo annoverare, ad esempio:

1. La produzione di energia elettrica da fonti fossili;
2. Il sistema dei trasporti;
3. I cementifici;
4. Le industrie del settore manifatturiero.

La lotta contro le variazioni climatiche dovrebbe costituire, alla luce di questa realtà, un fattore chiave di tutte le politiche energetiche. Purtroppo le implicazioni emerse, durante le iniziative messe in atto dalle nazioni impegnate su tale fronte, risultano spesso scoraggianti.

Gli obiettivi sulle emissioni promossi dalle nazioni partecipanti alla Convenzione Quadro delle Nazioni Unite (UNFCC) sono senz’altro meritevoli di apprezzamento, ma non sono ancora sufficienti per il raggiungimento, entro il 2035, del livello di riscaldamento globale fissato a 2°C in più di quello riferito al periodo di preindustrializzazione. Questo valore dell’incremento di temperatura, indicato per la prima volta nel 1996, fu proposto dai ministri dell’ambiente del Consiglio Europeo i quali dichiararono che “(…) le temperature medie globali non dovrebbero superare di 2°C quelle del livello pre-industriale”.
Bisogna arrivare al 2010, con la sottoscrizione dell’Accordo di Cancun, al fine di vedere il margine di 2°C sancito in un accordo internazionale sulle politiche energetiche. Tale accordo costituirà il fondamento della Conferenza di Durban del 2011.
Unitamente alle problematiche relative alla riduzione delle emissioni di CO2, vanno poi considerate tutte le iniziative relative alla riduzione del consumo energetico.
Anche queste costituiscono un obiettivo arduo da conseguire, specie per la sempre più crescente richiesta di energia legata agli attuali progressi nell’ambito delle tecnologie e delle comunicazioni.
Inoltre, i costi sempre più onerosi degli adeguamenti alla sostenibilità, nei vari comparti industriali, costituiscono un fattore di criticità molto elevato, specie per la discontinuità delle politiche di incentivazione e defiscalizzazione messe in atto dai governi delle Nazioni.

Cenni storici

L’estrazione dell’energia cinetica dal vento e la sua conversione in altre forme di energia utilizzabile (inizialmente meccanica e idraulica) è un’attività praticata da secoli. Si sostiene che i primi mulini a vento siano stati inventati dai Persiani circa 2000 anni fa. Di seguito viene mostrata una ricostruzione conservata nel Museo della Scienza e della Tecnica di Monaco.

Un esemplare con ben 1000 anni di storia e tuttora funzionante si trova a Nashtifan, nell’Iran nord-orientale.

Si noti la sensibilità progettuale dell’epoca nella realizzazione degli accoppiamenti cinematici. Questi mulini venivano impiegati nella macinazione del grano, per cui vi era la necessità di evitare eventuali fasi di arresto nella produzione.
Nello stesso periodo, nell’antica Cina venivano realizzati mulini simili, utilizzati per il sollevamento dell’acqua. Di seguito viene mostrata una recente ricostruzione.

Questi due esempi di mulini sono concettualmente simili alle due tipologie fondamentali di turbine eoliche ad asse verticale, ideate e brevettate nel 1925 da Savonius e nel 1926 da Darrieus, di seguito mostrate.

Le turbine eoliche ad asse verticale (sia del tipo Savonius che del tipo Darrieus) sono tuttora oggetto di attività di ricerca e sviluppo, finalizzate sia alla risoluzione delle varie problematiche di tipo meccanico che allo sfruttamento ottimale della loro insensibilità alla direzione del vento.
L’evoluzione delle turbine eoliche e l’attuale impiego nei parchi eolici (sia quelli on-shore e near-shore che quelli off-shore) ha riguardato, in maggior misura, le turbine ad asse orizzontale.
I primi esempi di utilizzo esteso e sistematico dei mulini a vento ad asse orizzontale fu messo in atto dagli Olandesi nel XIV secolo, al fine di realizzare le opere di prosciugamento e bonifica che si resero necessari per lo sviluppo del loro territorio.
Bisogna arrivare al XIX secolo, per assistere ad una svolta nel processo di trasformazione dell’energia cinetica ricavata dal vento.
In questo secolo, sia negli USA che nel resto del mondo, furono installati milioni di mulini a vento, per far fronte alle esigenze di approvvigionamento idrico delle fattorie e all’uso domestico.

Nello stesso periodo, nelle zone rurali degli USA, iniziarono a comparire anche i primi generatori eolici, concepiti per fornire potenze elettriche in corrente continua, comprese tra 0,3 e 3kW, a 32V.
Di seguito viene mostrato un esempio di tali generatori, concepito nel 1888 da Charles F. Brush.

Questa prima (e promettente) innovazione subì comunque una battuta d’arresto nel 1936, anno in cui, con la fondazione della Rural Electrification Administration, l’energia elettrica fu distribuita nella maggior parte delle comunità rurali grazie alla realizzazione delle prime reti di distribuzione.

Le prime reti di distribuzione di energia elettrica, prodotta esclusivamente tramite turbine eoliche, furono realizzate negli USA nel 1970.

L’estrazione dell’energia dal vento

L’estrazione dell’energia del vento, tramite le pale di una turbina eolica, è basata sullo stesso principio che fornisce la portanza (lift) alle ali di un aereo.

Il profilo alare di una pala di una turbina eolica è realizzato in modo da ottenere un differenziale di pressione tra la superficie superiore e quella inferiore, in modo dar origine ad una forza in direzione perpendicolare a quella del vento. L’angolo di calettamento delle pale del rotore di una turbina eolica verrà quindi fatto variare, al fine catturare l’energia del vento al variare della velocità dello stesso, come vedremo in seguito.

La portanza sarà quindi di maggiore entità della forza determinata dalla pressione dinamica del vento che agisce nella direzione del flusso d’aria, chiamata resistenza (drag). La rotazione del rotore verrà quindi realizzata tramite un’opportuna combinazione delle forze di resistenza e di portanza, come mostrato nell’immagine precedente. L’energia meccanica così generata, verrà convertita in energia elettrica dal generatore.
Le fasi di progettazione preliminare degli accoppiamenti cinematici tra rotore e generatore, partono da alcune considerazioni sulla stima della potenza generata da una turbina eolica.

Generalmente, la potenza generata da una turbina eolica può essere espressa da una relazione del tipo:

P = av3

dove:
P = potenza della turbina eolica, kW
a = costante (funzione dell’area della superficie palare investita dal vento e della densità dell’aria), kN
v = velocità del vento, m/s

Una formulazione alternativa della potenza di una turbina eolica, si ottiene considerando la sweep area, ovvero l’area spazzata delle pale del rotore:

P = br2

dove:
P = potenza della turbina eolica, kW
b = costante (funzione della sweep area, della densità dell’aria e della velocità del vento), kN/(s m)
r = lunghezza della pala, m 

Da quest’ultima relazione è evidente come al crescere delle dimensioni della pala aumenta la quantità di energia producibile. Ciò giustifica l’attuale tendenza verso la realizzazione di turbine eoliche dalle dimensioni sempre più grandi.
Le relazioni su riportate, costituiscono un dato iniziale per gli studi di fattibilità di una qualsiasi delle tipologie di parco eolico viste in precedenza.

Gli organi di trasmissione in una turbina eolica

Le discipline coinvolte nella progettazione di una moderna turbina eolica comprendono l’aerodinamica, la meccanica, la dinamica delle strutture, oltre a tutte le altre di supporto alla progettazione delle linee elettriche e delle infrastrutture di distribuzione e consegna dell’energia.
L’evoluzione delle tecnologie impiegate nella realizzazione delle turbine eoliche ha avuto un andamento continuo a partire dai primi anni ‘80. In quegli anni, è iniziato il processo di ricerca e sviluppo che ha determinato il passaggio dalla realizzazione di turbine di pochi kW a quelle attuali capaci di erogare potenze superiori ai 10 MW.

Alla base di questo progresso c’è stato il passaggio da un approccio progettuale convenzionale ad un altro basato sull’ottimizzazione dei vari processi di progettazione, tenendo conto di parametri quali la producibilità (legata al regime di funzionamento) ed i costi di realizzazione legati all’andamento del mercato energetico.
Si è così passati dalla realizzazione di turbine eoliche a velocità fissa, controllate passivamente e dotate di moltiplicatori di trasmissione a quella di turbine a velocità variabile, controllate attivamente, con o senza moltiplicatori di trasmissione e dotate delle più avanzate soluzioni nell’ambito dell’elettronica di potenza, dell’aerodinamica e della progettazione delle trasmissioni.

Una turbina eolica moderna consiste in una torre alla cui sommità viene montata una navicella, contenente il gruppo motore e tutti gli altri componenti che contribuiscono, con la loro specifica funzione, al processo di conversione dell’energia cinetica del vento catturata dal rotore in energia elettrica.
Nella figura accanto sono mostrati i componenti del gruppo rotore, moltiplicatore e generatore di una turbina eolica.

La turbina mostrata nell’immagine precedente, presenta la configurazione tipica delle turbine destinate al mini eolico.
I requisiti degli accoppiamenti cinematici per il mini-eolico sono la bassa inerzia rotazionale, la compattezza ed un’elevata rigidità torsionale, oltre che l’assenza di manutenzione. Ciò allo scopo di conseguire la producibilità prevista, mantenendo livelli di efficienza ottimali del generatore.
Questi stessi requisiti consentono, successivamente, di affrontare la principale criticità nell’impiego delle turbine di potenza pari al MW.
E’ stato infatti rilevato come, nelle turbine concepite per fornire una vita utile di 20 anni, i gruppi moltiplicatori (operanti a velocità del rotore comprese tra i 5 ed i 22 rpm, da convertire in velocità del generatore tra i 1000 ed i 1600 rpm) hanno una durata non superiore ai 5 anni. Per tale motivo non solo vengono considerati come l’anello debole di tutta la catena cinematica, ma anche come il primo dato tecnico che ha fatto sì che i parchi eolici siano considerati come un settore a rischio dalle principali compagnie di assicurazione.
Il rotore aerodinamico di una turbina eolica è composto da un hub e dalle pale, con le seconde collegate al primo tramite opportune giunzioni meccaniche. Nelle turbine eoliche moderne il numero delle pale può variare da due a tre.
Le pale eoliche vengono realizzate in materiale composito, dato da fibra di vetro o fibra di carbonio in matrice epossidica. Le criticità su indicate, relativa al gruppo motore, risultano legate anche ai requisiti progettuali delle pale, dati dal conseguimento di opportuni livelli di leggerezza e di stabilità dimensionale, oltre che di resistenza alla corrosione.
Le giunzioni delle pale del rotore di una turbina eolica all’hub, costituiscono un interessante ambito di ricerca che ha permesso l’introduzione di soluzioni progettuali innovative.

Nelle prime turbine eoliche, le giunzioni delle pale all’hub erano di tipo fisso, con conseguente valore prefissato dell’ angolo di calettamento. Nelle moderne turbine eoliche, le varie attività di ricerca e sviluppo hanno permesso la realizzazione di rotori con pale ad angolo di calettamento variabile.
Di seguito viene mostrata un esempio di tale soluzione.

La movimentazione che permette la variazione dell’angolo di calettamento, prevede una opportuna progettazione degli accoppiamenti cinematici, tale da conseguire elevati valori di rigidità torsionale ed assenza di giochi angolari, in modo da massimizzare l’efficacia degli encoder e di tutto il sistema di controllo.
Tale movimentazione, che consente rotazione delle pale intorno al loro asse longitudinale, ha favorito l’introduzione di altre innovazioni, tra cui:

• l’introduzione delle turbine a trazione diretta, in cui è stata eliminato il moltiplicatore ed introdotto un generatore anulare a poli multipli; ciò ha permesso la diminuzione del numero delle parti in movimento e dell’ammontare delle ore di intervento in caso di fermo della turbina. Di seguito viene mostrata un esempio di tale soluzione.
• relativamente alle esigenze di fermo, la possibilità di poter variare l’angolo di calettamento delle pale del rotore di 90° intorno all’asse longitudinale, consentendo di ottenere la funzionalità di frenatura aerodinamica che può assistere quella meccanica (o viceversa);
• un maggior feedback per le attività di progettazione dei moltiplicatori e degli accoppiamenti, specie considerando la funzionalità dei primi che convertono bassi valori di velocità di rotazione con alti valori di coppia in alti valori di velocità di rotazione con valori di coppia più bassi.

Sulle base delle precedenti osservazioni e della continua ricerca di elevati livelli di affidabilità, la progettazione dei moltiplicatori si è concentrata su due tipologie principali:

• moltiplicatori con ingranaggi a ruote cilindriche (sia a denti diritti che elicoidali) e assi paralleli;
• moltiplicatori con ingranaggi di tipo epicicloidale, costituiti da un treno di ingranaggi a planetario e dai satelliti imperniati su un portatreno.

Di fianco viene mostrato un moltiplicatore a planetario prodotto da Renk per la realizzazione di un laboratorio di test presso la Clemson University.
L’insieme di tutte le soluzioni fin qui esposte, ha determinato i recenti progressi nella progettazione e nella realizzazione di turbine eoliche di grandi dimensioni.
La turbina eolica più grande, attualmente realizzata, è la Haliade-X da 12 MW prodotta da GE. Nell’immagine seguente vengono mostrare le dimensioni complessive.

 

La gamma Haliade presenta soluzioni estremamente interessanti per la movimentazione dell’angolo di calettamento delle pale, oltre che per il sistema a trazione diretta che collega il rotore al generatore, come di seguito mostrato.

L’introduzione dei generatori anulari a poli multipli consente l’adattamento attivo della velocità del generatore a quella del rotore, modificando il numero delle coppie di poli attivi.
Questa innovazione ha reso possibile la rimozione del moltiplicatore nella catena cinematica, dato che gli attuali generatori anulari possono avere un numero di coppie superiori a 100.
La diminuzione delle parti in movimento nella catena cinematica, ha così permesso ai progettisti di concentrarsi maggiormente sul perfezionamento degli accoppiamenti cinematici elastici (necessari per lo smorzamento delle vibrazioni di natura aerodinamica) e sugli accoppiamenti cinematici nella movimentazione dell’angolo di calettamento delle pale del rotore.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come la progettazione delle turbine eoliche, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.
Nel settore delle turbine eoliche, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BK, giunti ad elastomero della serie EK, e limitatori di coppia della serie SK.