L'alluminio è presente nelle turbine eoliche soprattutto nelle parti non-strutturali e secondarie-strutturali della macchina: pannelli di copertura e recinzione, estrusioni di telai, alloggiamenti di generatori e riduttori, telai di scambiatori di calore, passerelle per cavi, scale e griglie per piattaforme, sbarre collettrici e cavi e parti del percorso di protezione dai fulmini. Il motivo è la massa. Ogni chilogrammo risparmiato all'interno della navicella riduce il carico-della testa della torre, il che riduce la massa della torre e i costi delle fondazioni, e tale risparmio si ripete in ogni caso di carico nell'involucro di progettazione.
Dove viene utilizzata ciascuna lega di alluminio
| Componente | Lega e temperamento tipici | Forma del prodotto | Motivo della selezione |
|---|---|---|---|
| Tettuccio della navicella e pannelli di recinzione | EN AW-5754 H22 o 5052 H32 | Foglio e bobina | Resistenza alla corrosione, formabilità e saldabilità di grado marino- |
| Telaio interno ed estrusi di supporto | EN AW-6082 T6, 6063 T6 | Profilo estruso | Massima resistenza tra gli estrusi 6xxx, buona estrudibilità, telai saldati |
| Alloggiamenti per generatore, convertitore e cambio | 6xxx gradi lavorati e fusi | Piastra, estrusione, fusione | Riduzione della massa ed elevata conduttività termica per la dissipazione del calore |
| Passerelle, scale e griglie | Foglio 6063 T6, 3003 e 5052 | Estrusione e lastra | Leggero, resistente alla corrosione, non-magnetico |
| Sbarre e cavo di alimentazione | 1050A, 1350 | Conduttore a barra e a trefolo | Conduttività elettrica nell'ordine del 61% IACS per 1350 |
| Conduttori e ricevitori per la protezione contro i fulmini | 1050, 6061 | Barra, lamiera, estrusione | Conduttività, resistenza all'erosione da sovratensione |
I requisiti di proprietà meccanica per le estrusioni sono specificati nella EN 755-2 o ASTM B221, per fogli e piastre nella EN 485-2 o ASTM B209 e la composizione chimica nella EN 573-3. La selezione del grado normalmente inizia dall'ambiente di corrosione, perché i siti offshore e costieri richiedono le leghe per fogli 5xxx anche dove una lega 6xxx sarebbe più resistente.
Come si bilanciano massa e rigidità
La sostituzione dell’acciaio con l’alluminio non comporta automaticamente un risparmio di peso, poiché la progettazione è solitamente governata dalla rigidità piuttosto che dalla resistenza. Il modulo dell'alluminio è di circa 70 GPa contro i 210 GPa dell'acciaio, un rapporto di un terzo. Per eguagliare la rigidezza alla flessione di un pannello di acciaio, un pannello di alluminio deve essere circa 1,44 volte più spesso, poiché la rigidezza aumenta con il cubo dello spessore e solo linearmente con il modulo. A parità di rigidità, l’alluminio pesa circa 0,95 rispetto al pannello d’acciaio. I vantaggi reali si ottengono laddove prevalgono la resistenza, la tolleranza alla corrosione o il peso di movimentazione: una staffa regolata dalla resistenza-nel 6082 T6 pesa circa un terzo dell'equivalente in acciaio, e un pannello per tettoia costiera nel 5754 non necessita di alcun rivestimento protettivo, a differenza dell'acciaio verniciato o zincato. Per le macchine offshore, l’eliminazione della manutenzione del rivestimento spesso vale più del risparmio diretto di massa.
Regole di progettazione per l'alluminio nelle strutture di turbine
La progettazione strutturale segue la norma EN 1999-1-1, l'Eurocodice per le strutture in alluminio. La fatica viene valutata secondo la norma EN 1999-1-3, che assegna categorie di dettaglio alle connessioni saldate e bullonate, e la turbina stessa è progettata secondo i requisiti di progettazione IEC 61400-1, con protezione contro i fulmini coperta da IEC 61400-24. Seguono quattro regole pratiche.
La deviazione governa per prima. Scegli la sezione relativa alla rigidità, quindi controlla lo stress.
Le saldature costano resistenza alla fatica. Un dettaglio in alluminio saldato ha una classe di fatica molto più bassa rispetto al metallo base e nelle leghe 6xxx la zona interessata dal calore perde gran parte della sua resistenza T6, quindi i valori ammissibili di progettazione sono comunemente considerati a circa la metà del valore principale.
Tenere l'alluminio lontano dal rame e isolarlo dall'acciaio. L'alluminio è anodico nella serie galvanica, quindi una giunzione a umido con acciaio o acciaio inox concentra l'attacco sull'alluminio. Utilizza rondelle isolanti, elementi di fissaggio rivestiti e sigillante ed evita del tutto i componenti con cuscinetti in rame-.
Non consentire tasche che trattengano acqua o sale. I dettagli di drenaggio e ventilazione determinano la durata di un pannello per tettoia più di quanto non faccia il tipo di lega.
Domande frequenti
Q:Perché l’alluminio viene utilizzato nelle gondole delle turbine eoliche?
R: Per ridurre la massa-della testa della torre. Una massa inferiore della gondola significa un carico inferiore sulla torre, una torre più leggera e una fondazione più piccola, oltre ad eliminare la necessità di un rivestimento anticorrosivo sui pannelli esterni.
Q:Le torri delle turbine eoliche sono in alluminio?
R: No. Le torri sono in acciaio o cemento, perché la rigidità e il costo per unità di rigidità favoriscono l'acciaio su quella scala. L'alluminio viene utilizzato per la struttura secondaria, gli involucri e i componenti elettrici.
Q:Quali leghe di alluminio vengono utilizzate nelle turbine eoliche?
A: Lastra EN AW-5754 e 5052 per pannelli esposti agli agenti atmosferici, estrusi EN AW-6063 e 6082 per telai e passerelle, 6061 per pezzi meccanici e 1050A o 1350 per conduttori e sbarre collettrici.
Q:Come viene controllata la corrosione sulle turbine offshore?
R: La selezione del grado è il primo passo, poiché le leghe in fogli 5xxx resistono all'acqua salata senza rivestimento. I giunti sono isolati per prevenire attacchi galvanici e, laddove viene utilizzata un'estrusione 6xxx all'aperto, viene anodizzata secondo ISO 7599 o verniciata, quindi verificata mediante test in nebbia salina secondo ASTM B117.
Q:Come viene gestita la fatica nei componenti delle turbine in alluminio?
R: Con le categorie di dettaglio della norma EN 1999-1-3 e lo spettro di carico della norma IEC 61400-1, che insieme definiscono la vita utile di progetto. I giunti saldati e la zona interessata dal calore sono i punti critici e spesso vengono scelti giunti bullonati o adesivi per evitarli.
Q:L’alluminio riciclato viene utilizzato nei componenti delle turbine?
R: Sì. L'alluminio secondario richiede solo una piccola frazione dell'energia necessaria per fondere il metallo primario e viene sempre più utilizzato per contenitori e vassoi non-critici.
