Obiettivo formativo principale

Il corso si propone di fornire le nozioni fondamentali utili alla comprensione dei principi di funzionamento degli aerogeneratori ed alla loro progettazione. In particolare, il corso affronta argomenti relativi al vento, all’aerodinamica ed aero-elasticità delle turbine eoliche, al calcolo della risposta dinamica e l’analisi di stabilità, alla progettazione di leggi di controllo ed al progetto multi-disciplinare. Accanto a lezioni teoriche, vengono svolte esercitazioni numeriche ed attività complementari di laboratorio, in cui lo studente applica i concetti appresi a problemi semplici ma rappresentativi.

Obiettivi formativi metodologici

Comprensione dei principi di funzionamento degli aerogeneratori e visione multidisciplinare sulle principali problematiche relative alla progettazione di queste macchine.

Obiettivi formativi secondari

Rafforzamento di concetti già studiati negli anni precedenti, con riferimento a problemi applicativi.

Lo studente durante il corso acquisisce competenze teoriche e pratiche relative agli aerogeneratori eolici e, più in generale, a macchine dotate di rotori.

In particolare dal punto di vista teorico:

1) acquisisce competenze teoriche sull'aerodinamica di un rotore e sulla progettazione aerodinamica di una pala, attraverso lo studio di modelli teorici-matematici che descrivono i fenomeni fisici;

2) acquisisce competenze teoriche sulla dinamica di un rotore, attraverso modelli semplificati di dinamica di flappeggio e di ritardo;

3) acquisisce competenze teoriche sul controllo, attraverso lo studio di modelli di controllo di base (PID) e avanzati ("model based");

4) acquisisce competenze teoriche sulle strutture, materiali, accoppiamenti aeroelastici e progettazione di pale.

Dal punto di vista pratico:

1) acquisisce competenze pratiche sui principi di funzionamento di un aerogeneratore, attraverso lezioni teoriche/pratiche con presentazione di casi reali;

2) acquisisce competenze pratiche sull'uso di strumenti di analisi aero-servo-idro-elastica, attraverso l'utilizzo di strumenti numerici adottati durante il corso;

3) acquisisce competenze pratiche sull'utilizzo di norme di certificazione, attraverso l'applicazione di normative di certificazione durante il corso;

4) acquisisce competenze pratiche sui materiali e progettazione di pale attraverso lezioni teoriche/pratiche con presentazione di casi reali durante le lezioni.

Alla fine del corso lo studente sviluppa un progetto di gruppo che permette di:

1) sintetizzare le competenze acquisite durante il corso stesso;

2) migliorare la capacità di lavorare in gruppo;

3) elaborare i concetti di base appresi durante il corso in modo tale da produrre un progetto preliminare unico;

4) utilizzare in modo indipendente strumenti di calcolo aero-elastici per l'analisi di aerogeneratori o macchine ad ala rotante.

Introduzione: il vento e l’energia eolica, le diverse tipologie di aerogeneratori; descrizione dei principali sotto-componenti; cenni agli aspetti elettrici.

Aerodinamica dei generatori eolici: aerodinamica del rotore; teoria impulsiva assiale e limite di Betz; teoria impulsiva vorticosa; profili aerodinamici; la teoria dell’elemento di pala, influsso dinamico; correzioni non stazionarie, perdite di estremità, stallo dinamico, ritardo nello stallo ed effetti tridimensionali; modelli deterministici e stocastici di vento.

Dinamica ed aero-servo-elasticità: equazioni di flappeggio e ritardo della pala rigida e flessibile; caratteristiche di filtraggio del rotore, smorzamento aerodinamico, flutter, oscillazioni ciclo-limite; carichi; analisi di stabilità; modelli aero-servo-elastici di aerogeneratore; cenno ai modelli aero-servo-idro-elastici per applicazioni off-shore.

Controllo di generatori eolici: scopo ed architettura generale dei sistemi di controllo di aerogeneratori; sensori di bordo; tecniche di supervisione; strategie di regolazione; regolazione di potenza, riduzione dei carichi, smorzatori; osservatori dei carichi e del vento.

Progetto di generatori eolici: panoramica sui criteri di progetto e sulle norme di certificazione; progetto aerodinamico del rotore; progetto strutturale delle pale; progetto e scelta di sotto-sistemi e componenti. 

Sono richieste le seguenti conoscenze di base:

1. concetti fondamentali della fluidodinamica e dell'aerodinamica;

2. concetti di base della meccanica delle strutture e nozioni di base sulle tecnologie ed i materiali adottati nelle costruzioni aerospaziali; 

3. concetti di base di modellistica dinamica dei sistemi sottoposti a regolazione e controllo.

Modalità didattiche: Il corso prevede lezioni che discutono gli argomenti teorici, esercitazioni che presentano strumenti pratici, e lo sviluppo di un progetto originale sviluppato da ciascuno studente autonomamente od in collaborazione con colleghi su temi inerenti il corso. Nell’ambito del corso potrebbero venire anche offerti seminari specialistici tenuti da esperti del settore, prevalentemente di provenienza industriale.

Modalità di verifica: Le modalità di verifica consistono in una prova scritta comprendente domande di teoria atte alla valutazione del risultato dell’apprendimento, ed nella valutazione del progetto sviluppato e presentato dallo studente singolarmente o in gruppo.