UNO SGUARDO DIETRO LE QUINTE: LA PALA PER TURBINE EOLICHE

Prima di illustrare la progettazione e lo sviluppo delle pale, é importante premettere che, captando l’energia del vento, esse sono il principale responsabile dei carichi agenti sull’intera struttura della turbine eolica.
L’obiettivo costante nella loro progettazione e nella loro produzione è la riduzione del costo dell’energia prodotta, connessa in questo caso con tre sfide principali:
  • La massimizzazione delle prestazioni aerodinamiche e dunque della produzione energetica;
  • La minimizzazione del costo della sua struttura;
  • La mitigazione dei carichi generati dalla pala sul resto della turbina e del loro impatto sul suo costo;

L’AERODINAMICA
La fase preliminare della progettazione aerodinamica della pala prevede la verifica del marco dati della turbina, quali potenza nominale, diametro del rotore e classe di vento del sito. Analizzando queste informazioni si possono già definire le prime caratteristiche della pala, quali la lunghezza, la forma in pianta o distribuzione di corda, il diametro della radice, la scelta dei profili aerodinamici e con esso le distribuzioni di spessore relativo e l’angolo di svergolamento.

LA STRUTTURA
Una volta definita la forma aerodinamica della pala, si passa alla progettazione della struttura interna. Il processo è di tipo iterativo perché richiede che siano forniti i carichi agenti sulla pala che dipendono a loro volta dalla struttura della pala, in particolar modo dalla massa e dalla rigidezza. La struttura interna della pala deve essere progettata e verificata per garantire i margini di sicurezza richiesti dalla normativa, rispetto ai seguenti scenari:
  • Collissione pale con torre
  • Rottura di fibra e/o matrice
  • Instabilità globale
  • Instabilità locale
  • Cedimento degli incollaggi
  • Cedimento a fatica
Il modello strutturale elementare, che viene utilizzato nella progettazione della struttura interna della pala, realizzata come una trave a parete sottile, che deriva dal mondo aeronautico ed è costituita da una struttura sostanzialmente cava, realizzata in comparti longitudinali adiacenti separati da diaframmi detti longheroni. La particolarità della soluzione LEITWIND è la prefabbricazione, garanzia di bassissima difettosità e controlli efficaci.

La struttura è realizzata in materiale composito, in infusione sotto vuoto. La sequenza di laminazione dei vari componenti, che arriva anche a 100 strati, i materiali utilizzati e la tipologia della sezione pala, come la lunghezza del longherone principale e il numero di anime, sono gli elementi fondamentali che definiscono la struttura.

La scelta dei materiali utilizzati, che varia in base alle diverse applicazioni, ricade su tessuti di fibra di vetro standard o ad alte prestazioni, resina e colla epossidica o materiale riempitivo come legno di balsa e schiuma PVC.

LA PRODUZIONE
La produzione avviene all’interno di stampi riscaldati costituiti da una parte in materiale composito con all’interno il sistema di riscaldamento e da un telaio in acciaio che garantisce la rigidezza dello stampo stesso. Quando le attrezzature sono pronte, si passa alla prototipazione della nuova pala. Il processo produttivo viene testato al 100% in tutti i particolari e la pala prodotta, se ritenuta idonea, verrà sottoposta al test strutturale e certificazione.

IL TEST DELLA PALA
Il test ha lo scopo principale di confermare la validità del design della struttura della pala, verificando che quella reale, opportunamente strumentata e severamente sollecitata, ha un comportamento statico e dinamico coerente con il progetto.
Portiamo ad esempio un testo effettuato nel novembre 2017, la pala LS44 per la turbina LTW90 è stata sottoposta ad un carico distribuito lungo la sua lunghezza di 28.000 kg (pari al peso di 20 autovetture, quasi il doppio dei normali carichi di esercizio) flettendosi di oltre 12 metri, senza danneggiarsi.

Superati i test, generalmente si procede con la produzione dd un primo set di pale destinate ad equipaggiare una turbina prototipo, su cui si verificano le prestazioni aerodinamiche (ovvero la curva di potenza) e il comportamento aeroelastico atteso (i carichi e le vibrazioni).

Eccoci dunque arrivati alla produzione seriale della pala: si apre così la fase di Product Care, dove si mira a tre obiettivi fondamentali:
  • L’ottimizzaziione del processo produttivo
  • La riduzione dei costi
  • Il mantenimento degli elevatissimi standard qualitativi richiesti
I processi di produzione e qualità della pala prevedono infatti la completa tracciabilità dei materiali utilizzati, dei tempi e modi di ciascuna fase di produzione e svariati controlli.
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