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L’Elettromeccanica CMC srl è stata partner industriale di un progetto di ricerca finanziato dal MIUR con i fondi FESR e FdR del PON R&C.

Denominato IN.TE.R.RA, il progetto ha avuto come obiettivo lo studio e lo sviluppo di innovazioni tecnologiche e di processo per il riutilizzo irriguo
delle acque reflue urbane e agro-industriali ai fini della gestione sostenibile delle risorse idriche.

Tra i partner del progetto, oltre ad altre realtà aziendali pugliesi, figurano l’Università di Foggia, l’Università di Bari, il Politecnico di Bari, l’Università
del Salento, il CRA Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura, L’Istituto Agronomico Mediterraneo e il CNR Consiglio Nazionale
delle Ricerche.

Nell’ambito del progetto la Elettromeccanica CMC srl si prefigge di innovare il proprio sistema DWS con un automazione più spinta, basata su metodi rigorosamente scientifici con il duplice risultato di:

1) ottimizzare e razionalizzare la distribuzione della risorsa idrica con prelievi dettati dalle reali esigenze delle colture;

2) fornire all’utilizzatore finale uno strumento in grado di gestire autonomamente l’irrigazione secondo le esigenze delle proprie colture, con conseguente ottimizzazione della gestione aziendale sia in termini economici che di tempo.

Nello specifico, l’Elettromeccanica CMC srl svilupperà un sistema automatico di distribuzione irriguo in grado di pianificare l’irrigazione aziendale monitorando i valori di umidità del suolo acquisiti attraverso sensori wireless opportunamente posizionati sul terreno interessato dalla coltura.

Le misure di umidità saranno integrate da una misura della temperatura delle colture mediante sensori ad infrarosso, anch’essi in grado di trasmettere le informazioni mediante sistema di trasmissione radio. Saranno affrontati gli aspetti tecnici relativi alla disposizione in campo dei sensori (topologia), nonché la verifica dei protocolli di comunicazioni più adeguati e l’impiego di soluzioni hardware e software in grado di assicurare le migliori condizioni di trasmissione dei dati rilevati, minimizzando al massimo i consumi di energia necessaria all’alimentazione dei dispositivi stessi.

Il progetto termodinamico solare di seconda generazione si realizza utilizzando tre tecnologie consolidate e sperimentate con ottimi risultati:

Le tre tecnologie sono:
a) Il solare a concentrazione con sistemi captatori dotato di specchi parabolici che riscaldano tubi riceventi idonei al trasporto di sali fusi;
b) Lo stoccaggio dei sali fusi in vasche isolate e dotate di un circuito idraulico per la circolazione dei sali fusi (T=550°C);
c) I motori esotermici denominati Stirling alimentati a sali fusi e raffreddati ad acqua, rendimento 24%-32% (il 24-32% dell’energia termica immessa si trasforma in energia elettrica).

L’uso di motori Stirling in accoppiamento a sali fusi provenienti da serbatoi a sali fusi ad oggi non è stato mai realizzato in nessun impianto per la produzione di energie rinnovabili.
Di fatto la tecnologia dei sali fusi è stata implementata dal Prof. Rubbia per alimentare impianti di potenza superiore ai 20 Mw accoppiando il circuito dei sali fusi all’utilizzo con un circuito idraulico con scambiatore di calore che genera vapore saturo da immettere in turbine a vapore collegate ad alternatori trifase. Questa tecnologia è caratterizzata da quattro limitazioni:

1) questi impianti sono idrovori sebbene dotati di condensatori e refrigeratori del tipo a torre di raffreddamento. Le perdite di acqua per vapore son pari al 27% del totale dell’acqua utilizzata.
2) il massimo rendimento dell’impianto non supera il 18%. (il 18% dell’energia termica immessa si trasforma in energia elettrica).
3) grandi perdite di trasformazione, pari a circa il 29% dell’energia termica nel circuito del vapore e dello scambiatore.
4) taglia degli impianti. Scendere sotto la taglia dei 20 Mw fa diventare poco conveniente economicamente la costruzione di questi impianti.

Innovazione di processo proposta nel progetto termodinamico solare di seconda generazione.
L’uso di motori Stirling consente innanzitutto di ridurre drasticamente le dimensioni della taglia, in quanto il sistema delle vasche di accumulo non è più concentrato ma distribuito. Cioè si usano delle vasche di accumulo interrate di base 8×3 mt e altezza 3mt che hanno un costo basso e consentono di accumulare 72 mc di sali fusi.
Le vasche non hanno bisogno di essere interconnesse tra di loro in quanto il sistema stand alone provvede ad alimentare per 48 ore i motori stirling per un potenza di produzione complessiva di 200 kw.
Il raffreddamento dei motori stirling è realizzato attraverso un circuito ad acqua chiuso che alimenta un radiatore e consente un salto termico da una temperatura di 80°C a 35°C.

La modularità dell’impianto consente di replicarlo senza aumentare in modo significativo la complessità dell’ impianto finale.
Le perdite di energia per calore disperso sono nell’ordine del 16%.
La complessità dell’impianto idraulico a sali fusi è contenuta grazie alla mancanza delle condutture di collegamento in parallelo che conducono all’unico serbatoio centralizzato di stoccaggio.
Innovazione di prodotto proposta nel progetto termodinamico solare di seconda generazione.

Sono stati studiati, progettati e innovati i seguenti prodotti.
a) La vasca di stoccaggio a sali fusi con diffusore e preriscaldatore in tubi di alluminio
b) Il sistema della struttura di supporto degli specchi e dei tubi riscaldanti ubicati nel fuoco delle parabole
c) Un motore stirling per la produzione di energia elettrica di potenza nominale pari a 35 Kw e del peso di 400 kg
d) Uno scambiatore di calore a sali fusi (T=550°C)
e) Uno scambiatore di calore ad acqua (T=300°C).
f) Un alternatore lineare trifase a magneti permanenti mobili operante alla temperatura di 350°C

Prototipazione del progetto termodinamico solare di seconda generazione

La prototipazione è stata divisa in due fasi:
La prima fase riguarda la costruzione del motore stirling, degli scambiatori e degli alternatori lineari trifase e delle prove di test e misura relative al funzionamento del sistema motore alternatore per 500 ore di funzionamento.
La seconda fase riguarda la costruzione di un impianto CSP con le vasche di accumulo per sali fusi, pompe, valvole e automazione degli organi di manovra delle valvole e della pompa, test e misura relative al funzionamento del sistema impianto CSP e vasche di accumulo per 500 ore di funzionamento.

Oggi il sistema eolico più diffuso è l’aerogeneratore, attualmente indicato come la macchina eolica per definizione.

Il grande problema di questi generatori, non è dato dalla scarsità di energia che le masse d’aria possono fornire, bensì dalla irregolarità che esse hanno. L’energia che le masse d’aria contengono, infatti, non aumenta linearmente con la velocità, ma con andamento esponenziale. Ciò significa che una velocità di 2 m/s produce una pressione sulle pale pari a circa 8 kg/m2 mentre se la velocità del vento sale a 3 m/s la pressione salta immediatamente a 27 kg/m2, o se la velocità diventa di 4 m/s la pressione arriva a 64 kg/m2, e così via.

Riflettendo un attimo su questi dati possiamo notare che, se la velocità del vento raddoppia (da 2 a 4 m/s), la pressione sulle pale diventa 23 volte maggiore (da 8 a 64 kg/m2). Se i venti fossero costanti, basterebbe calibrare le turbine eoliche sulla pressione esercitata, ma spesso i venti cambiano di direzione e di intensità, passando da raffiche potenti a leggere brezze. Il grande problema quindi, non è captare il vento bensì proteggere l’integrità dell’aerogeneratore, ed in particolare i rotori dei generatori, quando il vento soffia troppo forte o a raffiche, e manovrarlo in modo da tenerlo sempre nella direzione più conveniente.

Al primo problema, velocità del vento maggiori della velocità di “cut off”, si pone rimedio o facendo in modo che l’angolo d’imbardata delle pale sia nullo, oppure ruotando l’aeromotore in modo che non opponga resistenza al vento. Le altre velocità caratteristiche degli aerogeneratori, oltre alla velocità di “cut off”, sono la velocità nominale che è quella che permette al generatore di lavorare a pieno carico di progettazione; la velocità di “cut in”, che è la velocità minima del vento sotto la quale non vale la pena produrre energia, non si ottiene alcuna potenza dall’aerogeneratore.

La velocità limite, invece, è la velocità di sicurezza, ossia la velocità per la quale l’aerogeneratore è progettato strutturalmente, oltre tale velocità, la resistenza meccanica della struttura può collassare danneggiando irreparabilmente l’aerogeneratore.

Il sistema di controllo della potenza di una turbina eolica con stallo è quello della regolazione di imbardata.

I sistemi di controllo per imbardata degli aerogeneratori eolici prevedono una limitazione della potenza consequenziale alla rotazione della navicella così da tenere il rotore in una direzione non più ortogonale al flusso. Tale sistema di controllo “yawcontrolled” è in genere utilizzato solo per impianti di turbine ad asse orizzontale dotate di stallo. Va osservato che il sistema di controllo per stallo passivo è l’unico metodo di regolazione della potenza disponibile per turbine ad asse orizzontale. Tale tecnologia consente regolazioni meno precise rispetto ai sistemi attivi e in genere non può prescindere dall’utilizzo di freni meccanici o aerodinamici atti ad arrestare il rotore in caso di sicurezza.

Il sistema di regolazione dell’imbardata studiato può essere implementato su qualsiasi turbina eolica dotata di stallo e prevede l’utilizzo di un dispositivo di controllo elettronico della velocità e di un dispositivo motorizzato di controllo del sistema di riferimento banderuola-rotore aggiuntivo ed un sistema di controllo rotore aggiuntivo-navicella.

Il sistema di controllo rotore aggiuntivo- navicella è regolato e controllato direttamente dal sistema di controllo dell’aerogeneratore originario, mentre il sistema di controllo banderuola-rotore aggiuntivo è regolato e controllato da una dispositivo elettronico ad hoc che tiene conto delle limitazioni di potenza imposte dall’utilizzatore e della potenza elettrica prodotta dal generatore elettrico.

IN SINTESI

Il regolatore “cmc-yawc” di potenza con stallo attivo dell’aerogeneratore attraverso il controllo dell’imbardata della navicella è un sistema di regolazione universale a microprocessore, che consente la regolazione della potenza in funzione delle condizioni del vento, della densità dell’aria, etc. Viene aggiunto al sistema di controllo delle turbine eoliche originariamente prive di controllo del passo al fine di ridurre l’erogazione di potenza al valore desiderato, ad esempio alla potenza massima disponibile per l’immissione in rete.

Quando le condizioni del vento tendono a far superare la potenza impostata come soglia, il regolatore interviene comandando l’imbardata della turbina (yaw control) in modo da ridurre l’erogazione di potenza meccanica trasferita al generatore.

Il sistema funziona elettronicamente, senza l’installazione di dissipatori o altri dispositivi di potenza. Verrà fornito già programmato per la regolazione di potenza desiderata (es: generatore da 150 kW, potenza massima da erogare: 60 kW).

La prototipazione prevede:

1) la costruzione di un dispositivo in scala 1:5 di un aerogeneratore eolico di taglia tra i 3 e i 6 kw dotato di regolazione dell’imbardata, di un generatore asincrono trifase di un sistema di controllo della turbina eolica.

2) La costruzione di un sistema di controllo dell’imbardata separato dal controllo della turbina.

3) La verifica per 500 ore del sistema di controllo di imbardata e della regolazione della potenza elettrica in uscita al variare di tutte le condizioni ambientali.