I parchi eolici off-shore sono, tra le fonti di energia rinnovabile, una risorsa da cui si attendono enormi sviluppi nel prossimo futuro. La tendenza è quella non solo di incrementare il numero di parchi eolici, ma anche di aumentare la taglia delle turbine eoliche impiegate. Attualmente le potenze unitarie installate non superano la decina di MW ma si prevede che, nel prossimo futuro, potenze di decine di MW possano essere realizzate. Ciò pone enormi sfide tecnologiche non solo per quanto riguarda la turbina, ma anche e soprattutto relativamente al generatore elettrico ad essa accoppiato. Infatti, esigenze di affidabilità suggeriscono e spesso impongono l’eliminazione di riduttori (componenti soggetti a frequenti guasti e dalla manutenzione impegnativa). Di conseguenza il generatore elettrico, nella configurazione ad accoppiamento diretto, deve ruotare a velocità bassissime, che sono tipicamente dell’ordine di 10-15 giri al minuto e, conseguentemente, sviluppare coppie gigantesche, dell’ordine del milione di Nm.

Poichè il volume della macchina elettrica cresce all’aumentare della coppia, ne consegue la necessità di generatori elettrici che, se progettati secondo criteri convenzionali, avrebbero dimensioni e pesi tali da impedirne l’installazione in cima alla torre eolica. Per ovviare al problema, sono allo studio tecnologie innovative che consentano, nello stesso tempo, di sviluppare i livelli di coppia richiesti ma anche di contenere le dimensioni del generatore, oltre che il suo costo per renderne competitiva la costruzione. Un ulteriore obiettivo di progetto è quello di aumentare il più possibile l’affidabilità del generatore elettrico, viste le ovvie difficoltà di manutenzione e di riparazione proprie degli impianti off-shore.

Il Dip. di Ingegneria ed Architettura - DIA dell'Università degli Studi di Trieste ha collaborato con Nidec-ASI nella realizzazione di un prototipo innovativo di generatore eolico off-shore (Fig. 2). Il prototipo ha una potenza nominale di 780 kW a 14 giri/min. Il progetto è però tale che, solo aumentando la lunghezza assiale L (Fig. 2) da 0.4 m a 1 m, è possibile realizzare una potenza di 2 MW, senza alcuna modifica alla sezione trasversale della macchina.

Al fine di rendere la macchina tollerante ai guasti, lo statore è stato progettato come costituito da quattro lobi del tutto indipendenti, collegati ad una coppia di convertitori elettronici di interfacciamento alla rete elettrica. Nel caso di guasto ad un lobo statorico, ovvero ad un convertitore, la macchina mantiene la sua continuità di servizio, seppure a potenza massima ridotta, ma senza alcun degrado nelle prestazioni.

Nell’ottica della modularità come strumento essenziale non solo per aumentare l’affidabilità, ma anche per semplificare la costruzione della macchina e quindi ridurne i costi di produzione, ciascun lobo è ulteriormente suddiviso in “moduli” elementari, ciascuno composto da un settore statorico con sei denti avvolti.

Il progetto dei moduli è tale che essi risultano disaccoppiati dal punto di vista elettromagnetico, cosichhè un guasto in un modulo non ha effetti significativi sugli altri. Ogni modulo può inoltre essere separatamente costruito, nonchè smontato e rimontato in modo relativamente semplice.

Nel complesso, la macchina presenta 156 denti statorici e 136 poli rotorici (Fig. 5). La scelta di questa configurazione a cave frazionarie ha richiesto una ottimizzazione multi-obiettivo, realizzata mediante simulazioni agli elementi finiti, allo scopo di ridurre le pulsazioni di coppia massimizzando nel contempo la coppia utile.

L’esigenza di ridurre i costi di produzione e aumentare le prestazioni ha inoltre condotto alla scelta di una configurazione rotorica basata su magneti permanenti interni a magnetizzazione tangenziale.

Vista l’enorme quantità di configurazioni di progetto da prendere in considerazione ai fini dell’ottimizzazione, è stato necessario mettere a punto strumenti ad hoc che consentissero di calcolare alcune grandezze senza lanciare simulazioni agli elementi finiti di tipo transitorio, che richiedono lunghi tempi di esecuzione. Sono state messe a punto, allo scopo, procedure analitiche o analitico-numeriche capaci di prevedere con accuratezza molte grandezze (quali le perdite addizionali negli avvolgimenti di statore) senza il ricorso (o con ricorso limitato) a simulazioni agli elementi finiti.

Il prototipo della macchina è stato costruito e collaudato con successo presso lo stabilimento Nidec-ASI (Fig. 6).

Ulteriori informazioni sul progetto di ricerca sono reperibili consultando le seguenti pubblicazioni:

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7112937

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6317167

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6317168

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6184297

Per altri dettagli, è possibile rivolgersi al prof. Alberto Tessarolo.