Il campo eolico sperimentale di Trento - Sistema di acquisizione dati da sensori distribuiti su turbine eoliche

Author(s):
R. Fedrizzi - UNIVERSITÀ DI TRENTO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA

Industry:
Energy/Power, University/Education, Research, Machines/Mechanics

Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module, Real-Time Module

The Challenge:
Monitorare ed analizzare l’efficacia di particolari soluzioni tecnologiche progettuali utilizzate in sistemi di conversione energetica (da eolica ad elettrica) con potenze nominali fino a 20 kW. In particolare, il progetto di ricerca si propone di valutare l’efficienza energetica e il comportamento funzionale-strutturale di due mini-turbine eoliche (rispettivamente 11 kW e 20kW) e di una micro-turbina di potenza nominale pari a 1 kW.

The Solution:
Si è deciso di strumentare le due turbine di taglia maggiore con una rete di sensori e acquisitori distribuiti sulle macchine (rotore, navicella, struttura di sostegno). Il comportamento di ciascun generatore eolico è analizzato con riferimento alle condizioni anemologiche ed ambientali acquisite mediante sensoristica installata su due pali anemometrici. I dati prodotti dagli acquisitori sono inviati prima a PC installati presso il campo eolico e quindi spediti per l’elaborazione ed analisi al server del Laboratorio di Macchine del Dipartimento di Meccanica Strutturale dell’Università di Trento.

Breve riassunto
Il progetto di ricerca gestito dall’Università di Trento prevede di analizzare il comportamento energetico, strutturale e funzionale di tre macchine eoliche. In fase di progettazione del campo eolico sono stati studiati i fenomeni che maggiormente incidono su tali aspetti e le grandezze ad essi correlati (quali ad esempio deformazioni, posizione azimuthale e velocità angolare delle pale, accelerazioni, potenza elettrica, ecc). Le specifiche del sistema di acquisizione dati richiedevano elevata accuratezza e frequenza di acquisizione in relazione a sensoristica molto eterogenea, resistenza a shock dinamici, dimensioni contenute, possibilità di remotizzazione e di comunicazione via ethernet e RS-485. Le specifiche dell’applicazione software richedevano determinismo nell’acquisizione dati e nella pre-elaborazione in tempo reale. La scelta è ricaduta su CompactRIO di National Instruments per l’acquisizione dati dagli strumenti sulle macchine e su datalogger Ammonit per l’acquisizione dagli strumenti sui pali anemometrici.
L’integrazione tra i diversi sistemi è stata realizzata con LabVIEW di National Instruments.

Articolo
Introduzione e Stato dell’Arte
Negli ultimi anni siamo stati messi di fronte ad un imponente incremento delle richieste energetiche mondiali. Ciò, da una parte ha richiesto lo sviluppo di strategie per che portino nella direzione di una parziale indipendenza delle tecnologie di produzione dalle fonti tradizionali (combustibili fossili), alla cui disponibilità sono legati i prezzi di produzione; dall’altra ha reso evidente la necessità di rendere disponibile l’energia alle varie attività, in maniera sostenibile per l’ambiente.
Sotto queste premesse e mediante l’impiego di ingenti finanziamenti pubblici, è stata data nuova pulsione allo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili “tradizionali”, quali la risorsa idrica, ed è stato intrapreso un considerevole impiego di quelle che fino a qualche anno fa erano considerate “alternative”, quali la fonte solare e quella eolica. A tale scopo già da alcuni decenni è stato avviato un processo di ricerca e sviluppo industriale per rendere tecnicamente e commercialmente competitive le tecnologie per la conversione dell’energia da tali fonti.
Considerando nello specifico l’impiego della fonte eolica mediante turbine, intese come sistemi per la conversione dell’energia del vento in energia elettrica, si può dire che ad oggi la tecnologia è pienamente matura e commercialmente sostenibile per quanto riguarda le macchine di grande taglia (con potenza nominale attorno a 1 MW o maggiore). Al contrario, si assiste ancora ad una limitata penetrazione sul mercato di macchine di piccola taglia (fino a qualche decina di kW di potenza nominale), a causa del ritardo nello sviluppo industriale, a sua volta legato alla difficoltà di utilizzare tecnologie avanzate e costose in relazione a macchine che permettono fatturati modesti una volta installate.
Con l’attuazione del D.L. n. 387/2003 tuttavia è stato introdotto anche per la fonte eolica un meccanismo di cessione dell’energia elettrica (il net-metering o scambio sul posto), dal sistema di conversione energetica alla rete, secondo una tariffa incentivante stabilita dall’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas. Tale disposizione, valida per impianti di potenza nominale fino a 20 kW, dovrebbe contribuire a dare avvio stabile allo sviluppo della cosiddetta generazione diffusa di energia elettrica operata da privati.
Perciò l’Università di Trento ha avviato in collaborazione con APE (Agenzia Provinciale per l’Energia) e Interbrennero SpA un progetto di ricerca per monitorare l’efficacia di particolari soluzioni tecnologiche utilizzate nel caso di sistemi di conversione con potenze nominali fino a 20 kW. A tale scopo è stato installato alla periferia della città un Campo Eolico Sperimentale (www.eolicotrento.ing.unitn.it) che nel corso di un biennio di progetto di ricerca permetterà di esaminare il comportamento di alcune turbine eoliche, con diverse caratteristiche costruttive. In particolare, valuterà l’efficienza energetica e il comportamento funzionale e strutturale di due mini-turbine eoliche - una da 11 kW e l’altra da 20 kW di potenza nominale – oltre a una microturbina di potenza nominale pari a 1 kW (Fig. 1). Allo scopo, le due turbine eoliche di taglia maggiore sono state strumentate con una rete di sensori distribuiti.
Il sistema di acquisizione ed elaborazione dati è costituito da:
1. Rete di sensori distribuiti a bordo macchina e sui pali anemometrici e sistema di acquisitori.
2. Unità di archiviazione e trasferimento dati (presso Campo Eolico – Trento Nord).
3. Sistema di elaborazione dati (presso Laboratorio di Macchine).

Rete di sensori e acquisitori distribuiti:
La sensoristica usata sulle macchine si compone di:
• estensimetri per la rilevazione delle deformazioni flessionali di pale e torre e per l’analisi
delle deformazioni torsionali (e quindi della coppia meccanica) all’albero primario delle
macchine;
• encoder assoluti per lo studio della posizione angolare istantanea e velocità di rotazione di rotore e navicella;
• accelerometri piezoelettrici per la misura delle accelerazioni subite dalla navicella della
macchine;
• analizzatori di rete per la misura delle caratteristiche dell’energia elettrica immessa in rete.
Le informazioni provenienti dai sensori distribuiti sulle macchine sono acquisite da tre NI CompactRIO dotati di opportuni moduli d’ingresso analogici e digitali (Fig. 2). L’applicativo a bordo di CompactRIO è stato realizzato con LabVIEW FPGA e LabVIEW RealTime. Esso permette di definire la frequenza di acquisizione, di gestire e salvare temporaneamente i dati sull’acquisitore, di sincronizzare gli acquisitori con l’orologio dell’Istituto Galileo Ferraris di Torino e di gestire la comunicazione coi PC-server installati presso il campo eolico mediante protocollo TCP/IP (Fig. 3 e 4).
Oltre alla strumentazione sulle macchine sono stati installati anche due torri anemometriche per la misura di velocità e direzione del vento, temperatura e pressione ambiente, in modo tale da poter correlare le caratteristiche di funzionamento delle turbine con quelle della risorsa eolica. I dati provenienti dai sensori sui pali anemometrici sono acquisiti medianti data-logger Ammonit X-Win32 e inviati via RS-485 (protocollo ModBUS) ai PC-server.

Unità di archiviazione e trasferimento dati
I PC-server a base torre (uno per turbina) eseguono un applicativo realizzato in LabVIEW che gestisce la connessione con le unità di acquisizione distribuite, la ricezione dei dati e il salvataggio direttamente su disco rigido. Ai dati sono applicati i rispettivi coefficienti di taratura e conversione. Lo stesso applicativo si occupa di spedire, con frequenza 0.1 Hz, un set di dati al Laboratorio di Macchine, da dove è ritrasmesso al server di Facoltà per essere pubblicato su sito web.
Un secondo applicativo gira a bordo dei PC a base torre e si occupa della gestione dei file salvati sul disco rigido, spedendoli via internet al Laboratorio di Macchine (Fig. 5) ed eliminando quelli “vecchi”. Vista la mole di dati acquisiti, si è deciso di spedire solo i file ritenuti interessanti per una successiva elaborazione. La scelta è stata fatta secondo criteri legati alla qualità della risorsa (es. velocità del vento maggiore di una certa soglia stabilità) ed al funzionamento delle macchine (es. velocità di rotazione rotore maggiore di zero).

Sistema di elaborazione dati
L’elaborazione dei dati viene gestita presso il Laboratorio di Macchine. I dati provenienti dal campo eolico sono salvati su un’unita di memoria esterna dalla quale sono prelevati per essere successivamente elaborati. L’applicativo software di elaborazione è stato realizzato con LabVIEW. Fig. 6 riporta un tipico esempio di elaborazione dei dati di macchina, messi a confronto con i dati di vento L’interfaccia utente riporta in verde la curva di potenza di una delle macchine, ovvero il diagramma che mette in relazione la potenza elettrica immessa in rete con la velocità del vento. Essa rappresenta in realtà una condizione “media” di funzionamento, in quanto è determinata mediante una ricostruzione matematica che parte da valori di velocità del vento e potenza attiva sperimentalmente acquisiti (punti in azzurro). La turbina eolica, infatti, non si trova mai in condizioni di funzionamento stazionarie a causa della natura variabile delle condizioni del vento (in termini di velocità e di turbolenza); sul grafico potenza-velocità del vento si rileva perciò una nuvola di punti sperimentali. Poiché però il costruttore ha l’effettiva necessità di ridurre al minimo il numero di dati trattati e di fornire all’acquirente una correlazione univoca tra potenza e velocità, i dati relativi ad un elevato numero di ore di funzionamenti sono mediati, secondo normativa, per ottenere appunto la curva di potenza.

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roberto.fedrizzi@ing.unitn.it

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