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Sphericalvariator
Per turbine eoliche
Variatore continuo del rapporto di trasmissione
Il
variatore ha il vantaggio di poter fare lavorare a regime costante il
generatore elettrico e quindi in una zona dove ha il rendimento
migliore eliminando inoltre l'inverter. Anche con scarsa ventilazione
lo Spherical permette una alta efficienza dell’impianto eolico. Basso coso e alta affidabilità,grazie al basso numero di pezzi di cui il variatore è composto.
A fronte di un costo aggiuntivo minimo fornisce un maggiore quantitativo di energia che
giustifica un prezzo di vendita superiore al cliente finale
Info:
Cesare Mengoli cesare.mengoli@alice.it
Stefano Manara Mail: s.manara1@tin.it
INTRODUZIONE
Il
progetto di un nuovo variatore continuo del rapporto di trasmissione,
nasce dalla volontà di realizzare una soluzione finalmente semplice,
razionale e funzionale in un settore pieno di idee e brevetti ma con
poche realizzazioni valide di successo e quasi sempre con costi e
rendimenti meccanici non ottimali.
Da oltre dieci anni mi dedico
allo sviluppo del variatore in oggetto: grazie alla importante
collaborazione dell' amico e socio Cesare, degli ingegneri Bucci e
Calboli della Procomec engineering e allo studio Micali, sono arrivato
alla formulazione di uno studio approfondito e accurato mirato alle
macchine eoliche, uno dei mercati dalle prospettive più rosee, grazie a
un trend di netta e duratura crescita, legato all' esigenza e agli
incentivi del mercato delle energie rinnovabili.
PRESENTAZIONE
Si tratta di un variatore di numero di giri il cui funzionamento è facilmente descrivibile
facendo riferimento ai comuni scooter circolanti nelle nostre strade: scooter di qualsiasi
tipo che non potrebbero funzionare senza un variatore di giri, a causa dell' erogazione di
potenza del motore che non è costante ma in funzione del numero di giri, ciò è analogo
al funzionamento di un generatore eolico nel quale l' energia prodotta non è costante
ma in funzione del vento, il quale come il motore a scoppio non fornisce energia in modo
costante.
Stefano Manara
ANALISI PER APPLICAZIONI IN AMBITO DEI GENERATORI EOLICI
Un
settore meccanico in forte espansione negli ultimi anni è il settore
dei generatori eolici. Questo mercato che non ha conosciuto crisi è
previsto in forte espansione anche per il futuro. Sono numerosi i
costruttori di turbine eoliche di differenti taglie di potenza si va da
alcune centinaia di watt sino a diversi megawatt di potenza.
In
generale essendo questi dispositivi mossi dal vento attraverso pale
aerodinamiche hanno una velocità di rotazione in ingresso variabile in
funzione del regime di vento. Le velocità sono piuttosto basse da circa
10 rpm per i più grandi aereo-generatori fino a 300- 400 rpm per i
generatori più piccoli.
Questo implica che spesso il generatore è
connesso alle pale attraverso un moltiplicatore planetario per
aumentare il numero di giri in ingresso al generatore, infine un
sistema elettronico Trasformatore/inverter deve fare in modo si
stabilizzare la corrente in tensione e frequenza per poterla immettere
nella rete. Questo sistema elettronico si rende necessario per via del
fatto che il generatore non ruota a velocità costante.
Il variatore
ha il vantaggio di poter fare lavorare a regime costante il generatore
elettrico e quindi in una zona dove ha il rendimento migliore
eliminando in oltre l'inverter.
Da un approfondimento della
letteratura e del mercato, non esistono applicazioni mature di
variatori meccanici a questo settore in sostituzione dei sistemi
elettronici anche se sono in corso progetti in questa direzione.
Progetto “Voith Turbo Wind”:
Questa
azienda ha in fase di sperimentazione avanzata un dispositivo
fluido-meccanico di variatore di giri che si propone per applicazioni
nelle garndi taglie di potenza in sostituzione dei sistemi elettronici.
Dis eguito lo schema ed il principio di funzionamento:
L’albero
rosso è collegato alle pale del generatore eolico, un moltiplicatore
planetario (sezione rossa e blu) trasmette il moto all’albero del
generatore (blu), un sistema poma e turbina idraulica azioanta da olio
(giallo) attiva un ingranaggio (azzurro) che va fornire un moviemnto
relativo
alla corona esterna del sistema epiciloidale fornendo così un sistema
di auto-regolazione, un sistema di strozzature varaibili (verde)
permette di efefttuare
ulteriori regolazioni
Progetto “Sky Stream Energy”:
Si è passati ad analizzare le applicazioni “micro-eolico” caratterizzate da potenze molto
più contenute e comunque in forte espansione nel mercato.
Tra i svariati modelli disponibili si è scelta una taglia da 2,6 kW che trova applicazioni
anche in ambito civile di micro-generazione.
In
questa applicazione come avviene sempre nelle applicazioni connesse
alla rete elettrica è presente un dispositivo elettronico che permette
di immettere corrente a tensione e frequenza costante nonostante la
velocità del rotore sia variabile in funzione del vento (50-330 rpm).
Come riferimento di costo questa installazione si colloca su circa €. 10.000.
Si è analizzata l’applicazione ipotizzando l’utilizzo di un variatore sferico per verificarne la
fattibilità:
n generator 1500 rpm
Power 2,4 kW
Ø 5 m
n min 50 rpm
n max 330 rpm
Vp min 13 m/s
Vp max 86 m/s
gear ratio 10
n' min 500 rpm
n' max 3300 rpm
Variator ratio max 3,0
variator ratio min 0,5
Variator Ø 220 mm
C max 15 Nm
Considerando
questa applicazione di 2,4 kW di potenza si vede come è necessario un
moltiplicatore a singolo stadio (rapporto 10) e poi il variatore deve
garantire un range più
ampio di regolazione. La coppia è compatibile con variatore con dimensioni delle sfere
(in
acciaio) inferiori a 250mm. Dal punto di vista del lay-out si può ben
integrare con turbine ad asse orizzontale. Più critico potrebbe essere
ottenere un costo del sistema moltiplicatore + variatore inferiore a €.
800 (circa) che può essere preso come riferimento per un costo
industriale della parte di regolazione elettronica per questa potenza.
CONCLUSIONI
Dallo studio di fattibilità del sistema oggetto del brevetto e delle applicazioni potenziali si
può riassumere:
1. Il variatore sferico sfrutta il rotolamento di uno o più contatti volventi, la soluzione
che appare abbinare il miglior compromesso tra semplicità ed efficienza rimane
quella a 2 sfere.
2. Tra i materiali maggiormente indicati per ottenere buone prestazioni sul contatto
volvente c’è l’acciaio per il suo rapporto tra modulo di elasticità e resistenza.
3. Il sistema di precarico delle sfere evita che sia necessario un comando di potenza
ma solo di regolazione.
4. Fondamentale per avere efficienza e ridotta usura è l’impiego di lubrificanti
speciali denominati “fluidi di trazione”
5. Tra le applicazioni fisse si è analizzato l’ambito dei generatori eolici che
rappresenta un settore in forte crescita. Di seguito si riporta la conclusione su
questa potenziale applicazione.
Dagli studi effettuati l’applicazione più promettente per il dispositivo appare essere
quella dei generatori eolici ad asse orizzontale di potenze fino a circa 5kW. Coppie,
potenze e dimensioni sono compatibili per queste applicazioni. In questo caso il lay-out e
le caratteristiche del dispositivo che funziona a regimi variabili per via della variabilità del
vento possono suggerire il seguente impiego:
Come
supporto con rinvio angolare a 90° che integra moltiplicatore di giri
ad uno stadio epicicloidale, collegato all’albero lento con le pale e
all’albero veloce con il variatore sferico che a sua volta sarebbe
collegato in uscita al generatore. Il tutto potrebbe integrare sistemi
meccanici ausiliari come innesti e freni centrifughi.
I vantaggi di questa applicazione sono:
· Il rinvio a 90° e comunque necessario per questo tipo di generatori eolici
· Un sistema di variazione è necessario, attualmente viene utilizzato un inverter per la
regolazione della frequenza di corrente
· Un moltiplicatore tra pale e generatore permette di avere coppie al variatore e
generatore più basse ed avere maggiore efficienza del generatore elettrico che
compensa le perdite del moltiplicatore.
· Possibilità di integrare del corpo già i cuscinetti che sorreggono pale e la ralla di
rotazione.
· Possibilità di integrare nel gruppo moltiplicatore-variatore sistemi di frizione e
frenatura centrifughi per permettere la libera rotazione delle pale per venti di
leggera brezza, e per frenare le pale per venti di tempesta.
· Possibilità di implementare un controllo “centrifugo” dell’attuatore del variatore in
modo da mantenere costante la velocità al generatore.
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