Contesto

Il progetto di ricerca ET 4063, finanziato dal Ministero Federale Tedesco della Ricerca e Tecnologia ed Industria [1], ha chiaramente dimostrato che l'energia eolica può fornire un contributo alla salvaguardia dei nostri approvvigionamenti energetici. La Fig. 1 mostra l'intero impianto pilota utilizzato in quel tempo. 

Fig. 1: L'intera installazione comprendente la turbina ad alta velocità a tre pale, il pilone e l'edificio separato per le apparecchiature di prova e misura.
Fig. 2: Torsiometro T30FN fra rotore e generatore
Fig. 3: Diagramma Coppia / Velocità del vento

I torsiometri usati negli anni 80

Nel corso del progetto di ricerca, venne usato il torsiometro T30FN con coppia nominale di 10 kN•m.

La F nella denominazione si riferisce al metodo a modulazione di frequenza di trasmissione del segnale. Ciò significa che il segnale di misura e l'alimentazione senza contatto del rotore non hanno alcuna influenza sui fattori di accoppiamento, per esempio le variazioni del traferro. 

La N nella denominazione designa la misurazione magnetica integrata della velocità di rotazione. La potenza meccanica della grandezza d'ingresso del generatore può essere determinata dalla coppia e dalla velocità di rotazione. 

La Fig. 2 mostra il torsiometro installato in cima al pilone.

La Fig. 3 mostra chiaramente la relazione fra la velocità del vento e la coppia [2]. La coppia cresce all'aumentare della forza del vento - mentre la velocità di rotazione resta invariata. Il risultato: viene generata potenza meccanica addizionale. E ciò significa anche che il generatore può produrre più energia elettrica.

Status quo: L'energia eolica oggi

Oggi, l'energia eolica è una delle energie rinnovabili più importanti e continua ad essere un mercato del futuro con tassi di crescita interessanti. Inoltre, le richieste di energia sono cresciute rapidamente e la domanda per forme alternative di energia è virtualmente esplosa in seguito all'abbandono graduale del nucleare.

All'inizio degli anni 80, la potenza media di uscita delle turbine eoliche era di 200 kW. Oggi essa è di 2 MW. In poco meno di 15 anni la potenza di uscita è aumentata del fattore 10. Questo incremento è dovuto principalmente ai rotori di maggior diametro. Raddoppiando il diametro del rotore se ne quadruplica la superficie effettiva.

Grandezze di misura meccaniche della turbina eolica

L'uscita di un corpo rotante si ottiene dal prodotto della coppia con la velocità angolare.

P = Uscita in N•m/s (1N•m/s = 1 W = 0,00136 CV metrici)
M = Coppia in N m
ω = Velocità angolare in s-1
N = Velocità di rotazione in giri/minuto

La trasformazione ed alcuni altri passaggi forniscono la relazione per la coppia, la grandezza da misurare.

La coppia calcolata non deve essere in nessun caso usata direttamente quale base per la scelta del torsiometro a flangia, perché essa non tiene conto dei fattori di influenza addizionali, ad esempio le prestazioni alla partenza o le vibrazioni. Le informazioni generali sulla misurazione della coppia si trovano in [3].

Fig. 4: Torsiometro a flangia T10FM nel banco prova della Rexroth (Foto della Bosch Rexroth/Witten)

Unità di riduzione

Nelle turbine eoliche vi è un "conflitto di interessi" fra la velocità di azionamento del rotore, ad esempio limitata dalla velocità di avanzamento, e la necessaria velocità di rotazione del generatore. Con due coppie di poli, è necessaria una velocità rotazionale di 1500 giri/minuto per ottenere la frequenza di rete di 50 Hz. [4]

La soluzione è l'impiego di un riduttore. Le unità di riduzione convertono la velocità di rotazione e la coppia e trasmettono le alte potenze. Nelle moderne turbine eoliche da multi-megawatt [5], esse vengono impiegate per convertire la bassa velocità rotazionale del rotore di circa 14 giri/minuto nell'alta velocità rotazionale dell'albero del generatore di circa 1400-1650 giri/minuto. Questa conversione comporta la riduzione dell'alta coppia del rotore in base al rapporto della trasmissione. La Fig. 4 mostra un torsiometro a flangia tipo T10FM* della HBM con coppia nominale di 40 kN•m, usato all'estremità dell'ingresso del generatore.

I riduttori delle turbine eoliche pesano molte tonnellate e nella maggior parte dei casi sono delle unità con compatti ruotismi epicicloidali combinati. Anche se oggi sono in discussione delle turbine eoliche senza riduttori, la coppia generata dalle pale del rotore dovrà essere sempre molto alta per poter generare sufficiente energia elettrica.

* Il torsiometro a flangia T10FM non viene più prodotto dalla HBM. Il suo successore è il torsiometro digitale a flangia T40FM.

Coppia

La coppia da misurare spazia sovente dall'ordine dei kilonewton (kN•m) a quello di numerosi Mega-Newton (MN•m). Ciò si può illustrare con il seguente esempio:

Generatore:    P=2 MW
Riduttore:       1:100

Con generatore di potenza 2 MW e velocità di rotazione di 1500 giri/minuto, la seguente formula da:

(1)     MD=12,74 kN•m / n=1500 rpm

(2)     MD=1,3 kN•m / n=15 rpm

Si stanno discutendo dei generatori più grandi con velocità di rotazione più basse. Tuttavia anche i torsiometri raggiungeranno presto i loro limiti. La Fig. 5 mostra la realizzazione di un trasduttore da 1,5 MN e la struttura proposta per coppie nominali maggiori.

Fig. 5: Realizzazione di un torsiometro da 1,5 MN e struttura proposta

Comunque non è garantita la tracciabilità della taratura di questi enormi torsiometri. L'Istituto Nazionale di Metrologia Tedesco (PTB) di Brunswick, Germania, dispone della più grande macchina di taratura della coppia attualmente al mondo. Essa consente di tarare apparecchiature di prova fino alla coppia di 1,1 MN con incertezza di misura dello 0,1% [6]. La Fig. 6 mostra l'attuale offerta HBM per la taratura della coppia.

Fig. 6: Offerta HBM per la taratura della coppia

Conclusioni

Questo articolo mostra chiaramente come fosse importante la misurazione della coppia sulle turbine eoliche negli anni scorsi e come lo è ancora oggi. Non esiste generazione di energia senza rotazione, perciò non esiste potenza senza velocità angolare e coppia.

Referenze

[1]    Herbert Lauer: Die Windkraft meßtechnisch erfaßt (La forza del vento rilevata con tecniche di misura), Markt&Technik No. 44 dated October 30, 1981

[2]    MESSTECHNISCHE BRIEFE, MTB 17 (1981) Issue 2,  Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 64293 Darmstadt

[3]    Rainer Schicker, Georg Wegener: Measuring Torque Correctly (Misurare la Coppia Correttamente), ISBN 3-00-008945-4
    Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt

[4]    http://www.energiewelten.de/

[5]    Christian Scheer, Rainer Schicker: Energie wird knapp. Getriebe und moderne Drehmomentmesstechnik tragen zur Energieerzeugung aus Windenergie bei, Windkraftkonstruktion (L'energia diventa scarsa. I riduttori e la moderna tecnologia di misura della coppia contribuiscono a produrre energia dalla potenza del vento, costruzione degli impianti Eolici), http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/automation/articles/327594/

[6]    http://www.ptb.de/cms/index.php?id=2447

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