Crosswind Kite energy
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PRODUZIONE DI POTENZA DA FONTI RINNOVABILICROSSWIND KITE
Docente: prof. Manzolini Giampaolo
Relazione di:
Vitali Andrea
Pitscheider Luca
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INTRODUZIONE 2
RICERCA DI TECNOLOGIE IN GRADO DI SFRUTTARE ENERGIA EOLICA AD
ELEVATE ALTITUDINI
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INQUADRAMENTO STORICO 3
1980 - TRATTAZIONE DI LOYD: CROSSWIND KITE POWER
Conversione di energia eolica in energia meccanica affidata ad una vela, solidale ad un sistema di conversione dell’energia tramite funi
• Sfruttamento della porzione più esterna e quindi più produttiva dell’area spazzata dalle tradizionali HAWT
• Supporto meccanico della struttura non richiesto
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KITEGEN PROJECT 4
2007 - POLITECNICO DI TORINO RIPRENDE LA TRATTAZIONE DI LOYD
Modellizzazione di 2 configurazioni per la tecnologia crosswind kite:
KE – YOYO• Potenza nominale: 2-5MW• Impianti pilota in Italia (Sommariva Perno, CN)
KE – CAROUSEL• Potenza nominale (stimata): 250-300MW• In fase di studio, data la complessità costruttiva
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KE-YOYO: COMPONENTI IMPIANTO
• KITE• 2 FUNI• SENSORI ON BOARD WIRELESS:
GPS ACCELEROMETRI
• 2 CILINDRI ROTANTI• 2 GENERATORI SINCRONI A MAGNETI PERMANENTI• SENSORI A TERRA:
TRACKING OTTICO MISURATORE VELOCITA FUNI CELLE DI CARICO SULLE FUNI
• CONTROL UNIT: HARDWARE SOFTWARE PER IL CALCOLO DI VELOCITA E TRAIETTORIA DEL KITE
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PARTE MOBILE
PARTE FISSA: KSU*
*KITE STEERING UNIT
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KE-YOYO: CICLO DI POTENZA 6
2 FASI
FASE DI TRAZIONE (TRACTION PHASE): GENERAZIONE DI POTENZA
FASE PASSIVA (PASSIVE PHASE):ASSORBIMENTO DI POTENZA
TRAMITE 3 SUBFASI
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KE-YOYO: FUNZIONAMENTO IMPIANTO 7
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TRACTION PHASE 8
OBBIETTIVO: massimizzare la produzione di energia elettrica• Partenza da posizione prestabilita (coordinate GPS, altitudine, lunghezza
cavo r0)• Svolgimento funi con velocità r’ref ottimizzata• Traiettoria “a 8”, controllata dal KSU tramite diversa tensione dei due cavi,
per impedire aggrovigliamento dei cavi e caduta del kite• Conclusione fase al raggiungimento di una lunghezza dei cavi prestabilita
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PASSIVE PHASE: 3 SUBFASI 9
OBBIETTIVO: minimizzare il dispendio di energia per riportare il kite nella posizione iniziale della traction phase
1° SUBFASE: • Si dirige il kite verso lo zenith della KSU, zona in cui la sua
sezione vista dal vento è minima.• Si rallenta velocità di svolgimento dei cavi fino ad annullarla
2° SUBFASE: • Una volta che il kite è “in bandiera”, si riavvolgonoi cavi fino a che raggiungono la lunghezza iniziale della traction phase
3° SUBFASE:• Si ripristina la velocità di svolgimento dei cavi, riportando il kite
nella posizione iniziale della traction phase
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SISTEMA DI RIFERIMENTO LOCALE 10
Sistema di coordinate sferiche, formulazione utile per esprimere la velocità dell’aquilone e le forze agenti sul kite
VELOCITÀ DEL VENTO
EFFETTIVA LOCALE AQUILONE
con
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FORZE AGENTI SUL KITE 11
PESO DEL KITE E DELLE FUNI
FORZA INERZIALE DI ROTAZIONE
FORZA DI CORIOLIS
FORZA CENTRIFUGA
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FORZE AGENTI SUL KITE 12
FORZA DI LIFT E DI DRAG DEL KITE
FORZA DI DRAG DELLE FUNI
FORZA DI TRAZIONE SULLE FUNI
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EQUAZIONI RELATIVE AL CICLO DI POTENZA 13
Potenza nominale del ciclo KE-YOYO
Potenza istantanea:
IPOTESI
1) Il volo del kite è in condizioni crosswind2) Forze inerziali e apparenti trascurabili3) Velocità relativa del kite costante4) Angolo di attacco costante
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EQUAZIONI RELATIVE AL CICLO DI POTENZA 14
Potenza nominale del ciclo KE-YOYO
Con:
Altitudine media del kite durante il ciclo
Parametro caratteristico dell’impianto
Efficienza aerodinamica equivalente
Coefficiente di drag equivalente, che tiene conto della resistenza del kite e dei cavi
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SIMULAZIONE NUMERICA 15
Effettuata dal Politecnico di Torino, per un impianto di 2MW stimati:
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SIMULAZIONE NUMERICA 16
Nel range di utilizzo previsto del KE-YOYO(15-25 m/s per impianti di piccola potenza, 50 m/s per impianti di grande potenza) si ottengono coefficienti di prestazione paragonabili a quelli delle moderne HAWT (0.35-0.45)
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ANALISI ECONOMICA 17
COSTI TECNOLOGIE A CONFRONTO
KITE HAWTCOMPONENTI ELETTRICHE + +
O&M ++ +FONDAZIONI E TORRE ++
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CONCLUSIONI 18
VANTAGGI
• Generazione da venti ad alta quota• Elevato numero di ore equivalenti di funzionamento• Maggiore densità energetica• Manutenzione più semplice
SVANTAGGI
• Costi (stimati) maggiori di O&M• Necessità di una no-fly zone sopra l’impianto• Malfunzionamento del sistema di tracking ottico
del kite in caso di nuvolosità
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RINGRAZIAMENTI
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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RIFERIMENTI
• High Altitude Wind Power Generation – Fagiano, Milanese, Piga (2010)
• Power Kites for Wind Energy Generation: Fast Predictive Control of Tethered Airfoils – Canale,Fagiano, Milanese (2007)
• Crosswind Kite Power – Loyd (1980)• Atlas of high altitude wind power – Archer, Caldeira (2008)
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