Regolazione di un generatore eolico

La regolazione ha lo scopo di ottimizzare la trasformazione dell’energia che le pale ricevono dal vento in energia elettrica, mantenendo costanti e tensione e frequenza.
Ci sono diversi tipi di alternatore: asincroni e sincroni, dipende principalmente dalla potenza dell’aerogeneratore.

I piccoli aerogeneratori ad uso familiare, sono sincroni a magneti permanenti, quindi brushless.

Le potenze superiori usano gli asincroni, mentre per potenze sull’ordine dei MW si usano i sincroni (ad esempio nel Mare del Nord).

Generatore sincrono:

Il sincronismo riguarda la velocità di rotazione del campo magnetico rispetto a quella del rotore.

Nei generatori di potenza maggiore, il rotore è di tipo avvolto ed è alimentato dall’esterno in corrente continua da un apposito sistema di eccitazione. Lo statore è collegato alla rete elettrica tramite un trasformatore che porta la tensione da 690 V a 20 kV o altre tensioni dello stesso ordine di grandezza.

Per mantenere costante la velocità di rotazione del mozzo (che è collegato all’asse del generatore con un moltiplicatore di giri) viene variato il passo delle pale. Se la velocità del vento scende, scende anche quella del mozzo, quindi vengono orientate le pale in modo da avere più incidenza e quindi generare più coppia.

La potenza istantanea che entra in rete non è sempre costante, ma chiaramente dipende dalla disponibilità di vento.

Per regolare la potenza in uscita dal generatore, si varia la tensione indotta nelle fasi statoriche, la quale dipende dal flusso magnetico, il quale dipende dalla corrente di eccitazione.

I generatori sincroni di potenza minore impiegano rotori a magneti permanenti, l’uscita viene raddrizzata e inviata su due conduttori ad un inverter che provvede a fornire la frequenza desiderata, per carichi monofase o trifase.

Generatore asincrono:


E’ un tipo di generatore dove la velocità di rotazione del campo magnetico è diversa da quella meccanica del rotore. Questo consente di avere una maggiore flessibilità nella regolazione della turbina perché le consente di lavorare bene anche con venti molto discontinui.

La velocità del mozzo può oscillare tra 14 e 32 giri/min, oscilla anche quella dell’alternatore, ma la frequenza di uscita rimane costante a 50Hz. Questo è possibile perché il rotore è alimentato in corrente alternata a frequenza variabile.

La frequenza della tensione in uscita è la stessa di quella del campo magnetico rotante, quindi per avere f costante bisogna mantenere costante la velocità del campo.

Il rotore gira a velocità non costante, quindi se è troppo lento viene modulata la corrente di eccitazione in modo da generare un campo a velocità costante. Più lento va il rotore più alta sarà la frequenza della corrente che viene mandata degli avvolgimenti rotorici.

In questo caso il sistema di eccitazione prende il nome di “convertitore di frequenza”.

Curva di potenza di un tipo di aerogeneratore


Dai 4 ai 12 m/s la potenza erogabile aumenta con l’aumentare del vento. Raggiunta la massima potenza, con l’aumentare del vento, viene ridotto il passo delle pale, fino a portarle a fileggiare (angolo zero) quando la velocità del vento supera i 25 m/s.

Per venti più forti l’aerogeneratore non può funzionare perché andrebbe incontro a rotture meccaniche.

(la curva è riferita alla turbina Vestas V52)

 

Considerazione finale

Mentre i generatori sincroni possono anche funzionare in isola (stand alone), gli asincroni necessitano di un collegamento alla rete per assorbire l’energia reattiva necessaria. E’ possibile far funzionare gli asincroni in isola impiegando dei condensatori, ma il sistema e’ molto critico nella messa a punto e non accetta forti variazioni di carico.

Per migliorare il rendimento della trasmissione si aggiungono dei filtri per armoniche che limitano il passaggio negli stessi cavi delle inutili correnti armoniche, riducendo quindi la caduta di tensione.

 

Update del 2015: Questo articolo lo scrissi a 19 anni!

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