Analisi delle sollecitazioni dinamiche di una torre eolica = Dynamic stress analysis of a wind tower

ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI DINAMICHE DI UNA TORRE EOLICA La produzione di elettricità sfruttando il potere del vento è una risorsa energetica pulita, rinnovabile e a basso impatto ambientale. La struttura snella e flessibile delle torri può però subire eccessivi livelli di vibrazione, per cui, in questo lavoro di tesi, si è deciso di eseguire un’analisi delle sollecitazioni di una turbina minieolica da 60 kW. Dopo aver definito le caratteristiche tecniche e meccaniche, si sono calcolati tutti i carichi a cui, durante la vita utile, la torre è soggetta, normati a livello nazionale, europeo e mondiale e si è definita la configurazione di forze da studiare. La dinamica della torre è stata analizzata utilizzando diversi modelli matematici. Dapprima è stato considerato un approccio non lineare, ricavando le equazioni del moto attraverso due metodologie: analisi multilink con pendoli inversi e utilizzando il principio variazionale di Hamilton. In seguito, si è passati ad un’analisi lineare, considerando dapprima la torre come un sistema SDOF massa-molla-smorzatore e successivamente come una trave continua incastrata ad un’estremità e con una massa, rappresentante navicella e rotore, all’altra (cantilever beam tip). Si sono ricavate le prime tre frequenze naturali del sistema e le relative forme modali, che sono state confrontate con quelle della trave incastrata-libera. Si è costruito, inoltre, un modello FEM utilizzando il metodo di discretizzazione di Galerkin e definendo delle funzioni di forma lineari. Il sistema di equazioni ricavato è stato implementato in un codice Matlab e usato per studiare la risposta dinamica del sistema quando soggetto a carichi periodici (analisi armonica). Inoltre, si è svolta un’analisi modale su quattro modelli costruiti in Ansys Workbench (torre a diametro costante con/senza massa e torre rastremata con/senza massa). Le frequenze modali di tutti i modelli considerati sono state comparate con quelle ottenute dai metodi analitici. Sul modello di torre rastremata con massa all’estremità, il più vicino alla realtà, si è svolta un’analisi armonica e si sono confrontati i risultati con l’analisi svolta su Matlab. Per completare lo studio, sono state svolte anche l’analisi transiente, per valutare la risposta del sistema a carichi non periodici, e l’analisi a fatica, al fine di scongiurare crolli dovuti a sollecitazioni cicliche. Infine, si è svolto uno studio sui principali metodi di controllo delle vibrazioni, atti a smorzare la risposta dinamica della torre e a garantire il corretto funzionamento della stessa. Due approcci sono stati considerati e confrontati: controllo con smorzatore di massa sintonizzato (TMD) e con smorzatore a molla elicoidale (CSD).