Mauro Menegazzo, 1020312 Tesi Magistrale, Aprile 2014 Metodo Innovativo per la Valutazione delle Prestazioni di una Turbina Eolica Darrieus ad Asse Verticale utilizzando Simulazioni Bidimensionali di Fluidodinamica Computazionale (CFD) Relatore: Prof. Ernesto Benini, Ph.D. Dipartimento di Ingegneria Industriale Facoltà di Ingegneria Aerospaziale Indice Prima parte: Energia eolica 1.1 Introduzione .............................................................................................................................. 5 1.2 Storia ........................................................................................................................................ 6 1.2.1 I primi sfruttamenti per generare potenza elettrica ............................................................... 7 1.3 L'energia eolica ......................................................................................................................... 8 1.3.1 Distribuzione della velocità del vento.................................................................................. 9 1.3.2 Venti d’alta quota ............................................................................................................... 9 1.4 Parchi eolici ............................................................................................................................ 10 1.4.1 Eolico on-shore e near-shore ............................................................................................. 11 1.4.2 Eolico off-shore ................................................................................................................ 12 1.4.3 Minieolico e microeolico .................................................................................................. 13 1.4.4 Eolico d'alta quota............................................................................................................. 13 1.5 Turbina eolica ......................................................................................................................... 14 1.5.1 Generatore ad asse orizzontale .......................................................................................... 15 1.5.2 Principali componenti ....................................................................................................... 16 1.5.2.1 Rotore ........................................................................................................................ 16 1.5.2.2 Navicella o gondola .................................................................................................... 16 1.5.2.3 Torre .......................................................................................................................... 17 1.6 Generatore ad asse verticale .................................................................................................... 18 1.7 Eolico magnetico ..................................................................................................................... 18 1.8 Capacità di energia eolica e produzione ................................................................................... 18 1.8.1 Trend di crescita ............................................................................................................... 20 1.8.2 Fattore di capacità ............................................................................................................. 21 1.8.3 Penetrazione ..................................................................................................................... 22 1.8.4 Variabilità ......................................................................................................................... 24 1.8.5 Prevedibilità...................................................................................................................... 25 1.8.6 Affidabilità ....................................................................................................................... 25 1.8.7 Accumulo dell'energia ...................................................................................................... 25 1.8.8 Effetti sull'ambiente .......................................................................................................... 26 1.8.9 Efficienza ......................................................................................................................... 27 1.9 Economia ................................................................................................................................ 27 1 1.9.1 Trend dei costi .................................................................................................................. 28 1.9.2 Incentivi e benefici di comunità ........................................................................................ 29 1.10 Politica .................................................................................................................................. 29 1.10.1 Governi centrali .............................................................................................................. 29 1.10.2 Opinione pubblica ........................................................................................................... 30 1.10.3 Comunità ........................................................................................................................ 31 1.11 Costi mini-eolico ................................................................................................................... 31 1.12 Costi micro-eolico ................................................................................................................. 32 Seconda parte: Turbine eoliche 2.1 Introduzione ............................................................................................................................ 37 2.2 Turbine ad asse orizzontale ..................................................................................................... 38 2.2.1 Legge di Betz .................................................................................................................... 38 2.2.2 Coefficiente di potenza Cp ................................................................................................ 42 2.2.3 Momento torcente medio .................................................................................................. 43 2.3 Turbine ad asse verticale ......................................................................................................... 44 2.3.1 Turbine a resistenza .......................................................................................................... 44 2.3.2 Turbine a portanza ............................................................................................................ 45 2.3.3 Turbina Darrieus ............................................................................................................... 46 2.3.4 Turbina Savonius .............................................................................................................. 47 2.3.5 Turbina Gorlov ................................................................................................................. 48 2.4 Comparazione tra HAWT e VAWT......................................................................................... 48 2.4.1 Meccanismo di Yaw ......................................................................................................... 48 2.4.2 Direzione dell’asse ............................................................................................................ 49 2.4.3 Azionamento diretto ......................................................................................................... 49 2.5 Costruzione ............................................................................................................................. 49 2.6 Meccanica strutturale .............................................................................................................. 50 2.7 Aerogeneratori di piccola potenza ........................................................................................... 50 2.8 Turbine ad asse verticale in ambiente urbano ........................................................................... 51 2.9 Turbina analizzata in questo lavoro ......................................................................................... 51 2.10 Principio di funzionanento di una VAWT .............................................................................. 52 2 Terza parte: Fondamenti di fluidodinamica computazionale 3.1 Introduzione ............................................................................................................................ 57 3.2 La fluidodinamica computazionale .......................................................................................... 57 3.3 Metodi di discretizzazione ....................................................................................................... 58 3.3.1 Procedura di analisi ........................................................................................................... 58 3.4 La strategia della CFD ............................................................................................................. 59 3.5 Metodo delle differenze finite .................................................................................................. 60 3.6 Discretizzazione attraverso il metodo dei volumi finiti ............................................................ 61 3.6.1 Assemblaggio del sistema discreto e applicazione delle