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Studio preliminare del comportamento dinamico di un aerogeneratore off-shore su supporto galleggiante

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Studio preliminare del comportamento dinamico di un aerogeneratore off-shore su supporto galleggiante

Il presente rapporto descrive attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito dell’Area “Produzione e Fonti Energetiche”, relativamente al Progetto 8: “Sviluppo e potenziamento della produzione di energia da fonte eolica”. La fonte eolica rappresenta una risorsa su cui il Paese fa affidamento per poter raggiungere l’obiettivo nazionale di copertura al 2020 del 20% del fabbisogno energetico con le fonti rinnovabili. L’eolico in acque profonde potrebbe costituire un’opportunità, anche se i suoi costi pongono un problema di competitività con altre fonti da affrontare e superare. Diverse tipologie e configurazioni di sistema sono allo studio in questo settore specifico, anche in Italia, ma non sono ancora ben identificate le soluzioni promettenti nelle diverse tipologie di sito. Per contribuire allo sviluppo di queste valutazioni comparative ancora di carattere generale, è stato sviluppato nell’ambito del presente lavoro uno strumento modellistico flessibile che consente, in modo semplificato ma completo sui diversi aspetti, l’analisi del comportamento delle varie strutture oggetto di studio. Questo modello matematico per l’analisi di aerogeneratori installati su strutture galleggianti posizionati in mare aperto e ancorati al fondale (impianti eolici offshore) è stato sviluppato ex novo a partire dagli elementi di base attraverso la stesura delle equazioni dinamiche del sistema e l’approntamento di un codice Fortran per la loro implementazione e soluzione, tenendo conto di esigenze di flessibilità e velocità di calcolo. Il programma è stato predisposto in modo da consentire facilmente la variazione dei parametri di input previsti per definire le caratteristiche fisiche e geometriche dell’aerogeneratore, del galleggiante e dei dispositivi di ancoraggio al fondale marino. Analoga possibilità è stata prevista anche in riferimento alle condizioni operative di ventosità, del moto ondoso e di profondità del fondale. L’intendimento finale è di conferire al codice la capacità di simulare un’ampia gamma di soluzioni e condizioni operative. Per esempio, il codice stima il comportamento di strutture galleggianti differenti, con riferimento ad analoghe condizioni di funzionamento, offrendo quindi la possibilità di confrontare le risposte del sistema (galleggiante e aerogeneratore) alle sollecitazioni in funzione di tali diversità. Sempre per la configurazione individuata, è anche possibile procedere al confronto di tipi diversi di ancoraggio della struttura galleggiante al fondale marino e, in particolare, all’ancoraggio con tiranti e con catene. Ancora si può analizzare il comportamento della stessa struttura in condizioni ambientali ordinarie o estreme del sito in cui il sistema è chiamato ad operare. Il codice consente inoltre di simulare il comportamento del sistema sia in situazioni di funzionamento in erogazione di potenza dell’aerogeneratore, sia in situazioni di macchina non operativa. Per quanto riguarda infine le situazioni di funzionamento dell’aerogeneratore, nel codice sono stati implementati algoritmi in grado di simulare sia il controllo della potenza generata sia il controllo di imbardata, vale a dire l’allineamento al vento della navicella. I profili di vento ed onde accettati in input dal codice possono essere variabili sia nello spazio che nel tempo in modo da consentire di simulare condizioni sempre più complesse. E’ anche possibile (bloccando opportunamente un certo numero di gradi di libertà) simulare il comportamento di aerogeneratori nell’ipotesi di installazione sulla terraferma (impianti eolici onland) e consentire quindi un’analisi comparativa con la condizione di lavoro offshore. Per quanto riguarda lo svolgimento dell’intera attività modellistica essa si è articolata in diverse fasi descritte nel presente Rapporto. La prima fase dell’attività, i cui risultati sono sintetizzati nel Capitolo Errore. L’origine riferimento non è stata trovata., è consistita in un’analisi bibliografica riguardante attività similari sviluppate in campo internazionale. Questa fase ha riguardato l’intero periodo di sviluppo del codice poiché la produzione di letteratura relativa a questo argomento si è intensificata negli ultimi anni (ed anche negli ultimi mesi) in tutto il mondo, a conferma dell’interesse e dell’attualità dell’argomento affrontato in questa ricerca.

Nel Capitolo Errore. L’origine riferimento non è stata trovata.. è descritto lo sviluppo fisico del modello con le sue caratteristiche, l’analisi nel dominio del tempo delle grandezze di interesse (posizioni, velocità, accelerazioni, energie, carichi, momenti ecc…), la scelta delle impostazioni fisiche e geometriche del sistema da simulare, nonchè le equazioni che governano i processi che si vogliono descrivere e quindi implementare nel codice di calcolo Nel Capitolo Errore. L’origine riferimento non è stata trovata. è descritta l’implementazione del modello in ambiente Fortran con la costruzione del codice denominato BM (BETEP-MOPE: Blade Element To Energy Production – Model for Offshore Performance Estimate). A causa della diversità e numerosità dei fattori in gioco, il codice ha un livello di complessità piuttosto elevato, perciò sono state eseguite numerose verifiche durante vari stadi del suo sviluppo. I risultati di alcune verifiche eseguite sono riportati nel Capitolo 5, mentre nel Capitolo 6 sono riportati i risultati più significativi dell’applicazione del modello ad alcuni casi di studio, nel corso dei quali si è potuto verificare per diversi aspetti la congruenza dei risultati e l’efficacia del modello. Fa eccezione al momento l’area “marina”, cioè la risposta del modello per quanto riguarda la presenza dell’acqua e delle onde, per la quale la verifica è al momento solo qualitativa, mentre si prevede un confronto più puntuale con codici di calcolo specialistici. Quest’ultima attività si dovrebbe integrare infatti con il prosieguo del lavoro a contenuto più ingegneristico [34], riguardante le configurazioni proposte in campo internazionale, già in corso nell’ambito del presente Progetto. Dalle indicazioni di questa attività emergono anche spunti per estendere la casistica delle configurazioni di galleggiante trattate dal codice.

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