Quanta energia producono le turbine eoliche e come è possibile incrementarla

L'energia prodotta dalla turbina eolica corrisponde alla quantità di energia elettrica generata da una turbina eolica. Questa energia rinnovabile viene di solito misurata in megawatt (MW) per le turbine sulla scala dei servizi di pubblica utilità nei parchi eolici. I fattori che influiscono sull'energia generata da una turbina eolica sono diversi, come la velocità del vento, la densità dell'aria, la progettazione delle pale e l'efficienza dei componenti della turbina.

L'energia prodotta dalla turbina eolica può essere calcolata con la formula: P = 0,5 * ρ * A * Cp * v3, dove P è la potenza in Watt, ρ è la densità dell'aria (in kg/m3), A è l'area spazzata in metri (calcolata da pi R² o πR² dove R è la lunghezza della pala), Cp è il coefficiente di potenza e v è la velocità del vento in metri/secondo.

La capacità di produzione di energia può variare in modo significativo per le turbine eoliche sulla scala dei servizi di pubblica utilità. Tuttavia, un range tipico per le turbine onshore è da 2 a 5 megawatt (MW), mentre le turbine offshore rientrano spesso nel range da 8 a 12 MW, con alcune turbine di nuova generazione che raggiungono i 26 MW. 


Una volta che la turbina è installata, messa in funzione e funzionante, il metodo principale per aumentare la produzione di energia di un generatore a turbina eolico consiste nell'apportare significativi aggiornamenti hardware all'unità. Questo processo può essere lungo, difficile e costoso per molti operatori nel settore eolico che potrebbero non disporre delle risorse per intraprendere un tale sforzo o sentirsi sicuri dei risultati che produrrebbe. Fortunatamente, l'impiego di strategie di controllo moderne e avanzate può migliorare la produzione di energia delle turbine eoliche, senza alterare alcun componente meccanico, rendendole altamente efficaci ed efficienti dal punto di vista dei costi.

Il miglioramento dell'efficienza della turbina eolica porta spesso a un aumento della potenza erogata, poiché una parte maggiore dell'energia eolica viene convertita in elettricità. La discussione che segue si concentra principalmente sull'aumento della produzione annua di energia (AEP) attraverso tecnologie di controllo avanzate su misura.

Soluzione di controllo avanzata - Power Boost
L'algoritmo Power Boost migliora il fronte della porzione nominale della curva di potenza aumentando il setpoint di potenza durante la transizione da un valore inferiore a quello nominale. La spinta momentanea aggiunge una frazione di punto percentuale di AEP a ogni transizione ed è più frequente in condizioni di vento. È importante notare che l'utilizzo di questa funzione di controllo avanzata non comporta compromessi significativi.

Soluzione di controllo avanzata - Power Uprate
La soluzione Power Uprate è progettata per aumentare la potenza delle turbine eoliche attraverso due approcci distinti: Uprate massimizzato e Uprate bilanciato. Entrambi i metodi mirano ad aumentare la produzione annua di energia, ma comportano considerazioni specifiche e compromessi. Una caratteristica importante di questa opzione è la possibilità di attivare manualmente o automaticamente questa funzione quando determinate condizioni di mercato e/o di funzionamento sono ideali per contrastare il compromesso sull'usura meccanica. Si noti che per ciascuno di essi può essere necessaria una capacità elettrica ausiliaria aggiuntiva per gestire la maggiore potenza.

Uprate massimizzato Uprate massimizzato consente di aumentare significativamente la potenza erogata, in funzione della temperatura dei componenti critici, operando al di sopra della curva di potenza nominale per tutte le velocità nominali del vento. Questo metodo richiede una copertura sia meccanica che elettrica per gestire il miglioramento delle prestazioni. Il vantaggio di questo approccio è un sostanziale aumento potenziale dei guadagni, con un incremento fino al 7% dell'AEP, a seconda del livello di uprate e delle condizioni del sito. Tuttavia, questo metodo può ridurre la durata complessiva della turbina a causa della maggiore usura operativa. Uprate bilanciato Anche Uprate bilanciato si concentra sull'aumento della potenza, ma lo fa in base alla velocità del vento prevalente e alle temperature dei componenti. Come Uprate massimizzato, questo algoritmo fa funzionare l'unità al di sopra della curva di potenza nominale, ma solo in un intervallo di velocità del vento selezionato. In quanto tale, non richiede lo stesso compromesso meccanico di Uprate massimizzato. Il potenziale aumento dei guadagni con Uprate bilanciato è fino al 2,5% in AEP, a seconda del livello di uprate e delle condizioni del sito.

Soluzione di controllo avanzata - interruzione estesa
La soluzione di interruzione estesa è progettata per migliorare il campo di lavoro operativo delle turbine eoliche, consentendo loro di continuare a funzionare anche a velocità del vento superiori alla normale soglia di interruzione. Ciò si ottiene diminuendo la curva di potenza oltre la normale velocità di interruzione. In questo modo, in condizioni di vento elevato, l'unità viene gradualmente declassata per proteggere la turbina da potenziali danni, prolungando al contempo il funzionamento oltre la precedente velocità del vento di interruzione.

Uno dei principali vantaggi del declassamento della potenza è l'eliminazione delle interruzioni improvvise, che migliora notevolmente la stabilità della rete. Questa transizione più fluida riduce l'usura dei componenti principali, in quanto si riducono gli arresti e le ripartenze alle alte velocità del vento. Di conseguenza, questo porta a una produzione di energia più stabile e affidabile.

Inoltre, la funzione di interruzione estesa può comportare un aumento dei guadagni, in particolare nei siti con vento forte, dove la velocità del vento supera spesso i normali limiti di interruzione. Estendendo il campo di lavoro operativo, le turbine eoliche possono catturare più energia, aumentando così la produzione energetica annuale.

Tuttavia, è importante considerare che questo approccio comporta un compromesso. Il funzionamento prolungato a velocità del vento più elevate causa un'ulteriore sollecitazione dei componenti, che può portare a una riduzione della durata complessiva della turbina eolica.

Controllo dell'imbardata autocalibrante
Gli algoritmi di controllo dell'imbardata autocalibrante sono progettati per identificare e regolare costantemente i disallineamenti statici dell'imbardata, migliorando così le prestazioni della turbina assicurando che la gondola sia rivolta verso il vento. Utilizzando l'apprendimento automatico, questi algoritmi richiedono generalmente una breve fase di autocalibrazione dopo l'installazione. Se si verificano cambiamenti o peggioramenti nella calibrazione dell'imbardata o nel raddrizzatore di filetti del vento, il sistema si regola automaticamente. Ciò consente un allineamento preciso del rotore e migliora la potenza del generatore della turbina, aumentando potenzialmente la produzione annua di energia del 3-5%.

Correzione automatica dello squilibrio del rotore
I sistemi di controllo avanzati delle turbine moderne incorporano algoritmi di rilevamento dello squilibrio del rotore per identificare e correggere il disallineamento tra le pale. Quando rileva un disallineamento del passo, il sistema regola autonomamente i setpoint del passo per assicurare il corretto allineamento delle pale. Questa tecnologia non solo aumenta la produzione annuale di energia fino allo 0,7%, ma riduce anche i carichi di fatica sui rotori delle turbine eoliche.

Adattare la potenza delle turbine alle esigenze operative
Soluzioni di controllo avanzate come il power boost, il power uprate e l'interruzione estesa, insieme alle tecniche di efficienza delle turbine eoliche, possono aumentare significativamente la produzione annuale di energia con un impatto minimo sul carico.

Emerson offre una gamma di soluzioni di retrofit per turbine eoliche, studiate su misura per aumentare la produzione di energia delle turbine in base agli specifici requisiti operativi.