Corso per Energy Manager
Ing. Fabio Fabbricatore
IMPIANTI EOLICI L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento ed il suo impiego come risorsa energetica risulta di antica applicazione. L’energia cinetica dell’aria in movimento può essere convertita, con opportuna tecnologia, in altra forma direttamente disponibile per soddisfare diversi utilizzi. In particolare le applicazioni tipiche sono quelle che consentono di convertire l’energia cinetica dell’aria, per mezzo di una macchina eolica, direttamente in energia meccanica di rotazione disponibile all’asse che può essere utilizzata in modo diretto da macchine operatrici o per produzione di energia elettrica con immissione in rete.
IMPIANTI EOLICI - Aspetti che rendono difficoltoso lo sfruttamento dell’energia eolica. Purtroppo il vento possiede talune caratteristiche: • Bassa concentrazione energetica; • Elevata variabilità nel tempo; • Elevata aleatorietà con cui essa è disponibile; - Aspetti che rendono attraente l’uso dell’energia eolica quale risorsa energetica: • è disponibile in grandissime quantità; • non produce sostanze inquinanti;
IMPIANTI EOLICI Sistemi eolici Si definisce sistema eolico un insieme di componenti, fluidi – meccanici - elettrici, che ha la funzione di convertire l’energia del vento in altra forma direttamente utilizzabile (elettrica, meccanica, idraulica); il vento si considera parte integrante del sistema. In particolare si riscontrano tre configurazioni tipo: — Sistemi eolici di pompaggio meccanico; — Sistemi eolici di pompaggio elettrico; — Sistemi eolici elettrici.
IMPIANTI EOLICI Sistemi di pompaggio eolico - meccanico
Sono sistemi che utilizzano l’energia del vento per convertirla direttamente in energia meccanica disponibile all’asse di una pompa. Questa tecnologia è diffusa specialmente in quelle aree rurali dei Paesi in via di sviluppo, dove l’approvvigionamento energetico comporta difficoltà e costi eccessivi. I sistemi di conversione diretta energia eolica – energia meccanica sono adoperati per la macinazione (mulini a vento).
IMPIANTI EOLICI Sistemi di pompaggio eolico - elettrico Si tratta di sistemi di applicazione dell’energia eolica mediante i quali si converte tale energia in energia elettrica e con questa si alimenta la pompa. Tale sistema è conveniente poiché l’efficienza complessiva del sistema è sicuramente maggiore rispetto al sistema eolico-meccanico.
IMPIANTI EOLICI Sistemi di conversione eolico - elettrico
Sistemi con i quali si converte l’energia del vento direttamente in energia elettrica ottenendo buoni rendimenti di conversione. Tali sistemi rappresentano l’applicazione di maggiore spicco della tecnologia eolica.
Numero di impianti in Europa
Nell’Unione Europea, la Germania è il paese con più impianti installati con una potenza complessiva di oltre 25000 MW, seguita dalla Spagna con più di 19000 MW e dall’Italia e Francia.
Numero di impianti in Italia Nelle regioni meridionali è installata il 98% della potenza eolica complessiva nazionale, di cui la Puglia e la Sicilia detengono il primato rispettivamente con il 23.5% ed il 23.4%, seguite dalla Campania con il 16.3% e dalla Sardegna con il 12.4%
IL VENTO Fisica e natura del vento Il vento è un fenomeno che viene creato dall’energia solare. La Terra cede in continuazione all’atmosfera il calore ricevuto dal Sole, ma non in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore (zone di aria fredda) la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene rilasciato più calore, l’aria si riscalda e la pressione dei gas diminuisce. Si crea pertanto una macrocircolazione dovuta ai moti convettivi: masse d’aria si riscaldano, diminuiscono la loro densità e salgono, richiamando aria più fredda che scorre sulla superficie terrestre. Questo moto di masse d’aria calde e fredde produce le aree di alta pressione e le aree di bassa pressione stabilmente presenti nell’atmosfera, influenzate anche dalla rotazione terrestre . Poiché l’atmosfera tende a ripristinare costantemente l’equilibrio di pressione, l’aria si muove dalle zone dove la pressione è maggiore verso quelle in cui è minore. Il vento è dunque lo spostamento di una massa d’aria, più o meno veloce, tra zone di diversa pressione. Tanto più alta è la differenza di pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria e quindi tanto più forte sarà il vento.
IL VENTO
IL VENTO Il vento risorsa energetica
Per poter sfruttare l’energia eolica, è molto importante tenere conto dei seguenti fattori: -Possono esserci forti variazioni di velocità tra località diverse, siti distanti tra loro pochi chilometri possono essere soggetti a condizioni di vento nettamente differenti e rivestire un interesse sostanzialmente diverso ai fini dell’installazione di turbine eoliche; -La forza del vento cambia su una scala di giorni, di ore o minuti, a seconda delle condizioni meteorologiche; - Formazioni di turbolenza che si verificano quando la direzione e l’intensità del vento fluttuano rapidamente intorno al valore medio. Essa determina fluttuazioni della forza esercitata sulle pale delle turbine, aumentandone così l’usura e riducendone la vita media.
IL VENTO Il vento risorsa energetica
Mappa eolica dell'Unione Europea
Mappa eolica dell‘Italia
MISURA DEL VENTO Quando si prende in considerazione un sito per l’installazione di una turbina eolica, è fondamentale valutare l’entità reale della risorsa eolica. Usualmente si installa quindi nel sito una torre anemometrica per diverso tempo, in modo da monitorare la velocità e la direzione del vento ed i livelli di turbolenza a quote diverse. I dati registrati consentono la valutazione sia della produzione futura di energia, sia della fattibilità economica del progetto.
Parametri fondamentali da misurare sono l’intensità (anemometri) e la direzione del vento (mulinello a coppe)
MISURA DEL VENTO Le torri anemometriche vengono utilizzate per le verifiche sul campo relative alla fattibilità di campi eolici di grande potenza. Le strutture sono completate da una serie di stralli in fune d'acciaio ancorati al terreno in più punti. I profili d'acciaio sono zincati a caldo. Le torri possono essere montate con altezze variabili fra 40 m e 80 m consentendo di installare inizialmente una parte della struttura ed in un secondo tempo la sopraelevazione garantendo così la massima flessibilità di impiego. In sommità viene montata un'asta per il supporto di parafulmini ed alla base della sono predisposti gli opportuni sistemi di messa a terra. A richiesta è possibile dotare le torri di sistema SOV notturno con luce rossa fissa alimentato da pannelli fotovoltaici.
MISURA DEL VENTO Le torri sono costituite in genere da moduli di 3 metri dal peso contenuto, che possono essere sollevati e montati in sequenza utilizzando un accessorio di sollevamento fissato direttamente alla torre. Il modulo di base è dotato di una cerniera sferica che appoggia sulla piastra di base a contatto con il terreno. Gli stralli vengono fissati al suolo con sistemi di ancoraggio che variano in funzione del tipo di terreno e possono essere costituiti da ancorette a perdere da infiggere nel terreno o da zavorre e picchetti in tubo d'acciaio. Le strutture sono in grado di resistere a venti fino a 160 km/h.
MISURA DEL VENTO La producibilità di un generatore eolico è in funzione del cubo della velocità del vento, per cui errori anche piccoli nella misura del vento si ripercuotono in grandi errori nella determinazione della producibilità media annua. E' assolutamente inutile usare stazioni meteorologiche o strumenti con errori del 5%. La campagna anemometrica deve essere condotta solo con strumenti professionali posti ad altezze opportune.
MISURA DEL VENTO Tutti gli anemometri forniscono una velocità media in un intervallo di tempo (5-10 min). Questa può essere indicata come velocità media elementare, Ve. In genere vengono elaborate e tabellate mensilmente le velocità medie orarie, Vh.Il sensore di intensità del vento ha un’inerzia molto bassa e risponde alle fluttuazioni di piccola scala (turbolenza) mentre il generatore eolico ha una più grande inerzia e risente principalmente delle velocità medie: maggiore è la taglia della macchina maggiore dovrebbe essere l’intervallo di tempo su cui si calcola la media. Si possono quindi calcolare le velocità medie giornaliere Vd, mensili Vm, annuali Va, nonchéla media storica, V.
MISURA DEL VENTO
MISURA DEL VENTO
MISURA DEL VENTO
MISURA DEL VENTO
MISURA DEL VENTO Anche per la direzione del vento si effettua una analisi statistica. Si calcolano le percentuali di tempo per cui il vento ha assunto una determinata direzione e si traccia la cosiddetta rosa dei venti.
IMPIANTI EOLICI Principio di funzionamento di un aerogeneratore
Una turbina eolica o aerogeneratore trasforma l’energia cinetica posseduta dal vento in energia elettrica senza l’utilizzo di alcun combustibile e passando attraverso lo stadio di conversione in energia meccanica di rotazione effettuato dalle pale. Le turbine eoliche possono essere a “portanza” o a “resistenza” in funzione di quale sia la forza generata dal vento e sfruttata come “forza motrice”. Nelle turbine a portanza il vento scorre su entrambe le facce della pala, che presentano profili geometrici differenti, creando così in corrispondenza della superficie superiore una zona di depressione rispetto alla pressione sulla faccia inferiore. Questa differenza di pressione produce sulla superficie della pala eolica una forza chiamata portanza aerodinamica analogamente a quanto accade per leali degli aerei.
IMPIANTI EOLICI Principio di funzionamento di un aerogeneratore La portanza sulle ali di un aereo è in grado di sollevarlo da terra e di sostenerlo in volo, mentre in un aerogeneratore, poiché le pale sono vincolate a terra, determina la rotazione attorno all’asse mozzo. Contemporaneamente si genera una forza di resistenza che si oppone al moto ed è perpendicolare alla portanza. Nelle turbine correttamente progettate, il rapporto portanza-resistenza è elevato nel campo del normale funzionamento.
IMPIANTI EOLICI Principio di funzionamento di un aerogeneratore
Nelle turbine a resistenza la forza motrice è la forza aerodinamica di resistenza.
IMPIANTI EOLICI Tipi di turbine eoliche
Le turbine eoliche possono essere suddivise in base alla tecnologia costruttiva in due macro-famiglie: • turbine ad asse verticale - VAWT (Vertical Axis Wind Turbine); • turbine ad asse orizzontale – HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine).
IMPIANTI EOLICI Tipi di turbine eoliche: Turbine ad asse verticale
Le turbine ad asse verticale (o con acronimo anglosassone VAWT - Vertical Axis Wind Turbine) possono essere distinte in tre classi a seconda dalla modalità principale con cui viene sviluppata la coppia di rotazione: • turbine di tipo a resistenza o Savonius; • turbine di tipo portanza Darrieus; • turbine ibride Darrieus-Savonius.
Turbine a resistenza
Turbine a portanza
Turbine ibride
IMPIANTI EOLICI Tipi di turbine eoliche: Turbine ad asse verticale
VANTAGGI •Le turbine ad asse verticale sono in grado di sfruttare l’energia eolica indipendentemente dalla direzione del vento; •Generatore, moltiplicatore ed altri organi soggetti a manutenzione sono disposti in basso favorendo gli interventi; •Sono poco rumorose.
SVANTAGGI •Sono posizionate generalmente al suolo dove il vento ha velocità inferiori; •Sono solitamente caratterizzate da una minore efficienza rispetto a quelle ad asse orizzontale; •La sostituzione dei cuscinetti richiede la rimozione dell’intera macchina;
IMPIANTI EOLICI Tipi di turbine eoliche: Turbine ad asse verticale a resistenza È il modello di turbina più semplice e si compone di due (o quattro) lamiere verticali, senza profilo alare e curvate a semicirconferenza Le principali caratteristiche della turbina Savonius sono: • basso valore di efficienza; • utilizzabile per bassi valori di velocità del vento; • necessità di un adeguato controllo della velocità per mantenere l’efficienza entro valori accettabili; • impossibilità di ridurre la superficie aerodinamica in caso di velocità superiore a quella nominale a causa delle pale fisse; • necessità di un dispositivo meccanico frenante per la fermata; • necessità di una struttura robusta per resistere a venti estremi (data l’elevata superficie delle pale esposta); • adatta solo per applicazioni di piccola potenza; • poco rumorosa.
IMPIANTI EOLICI Tipi di turbine eoliche: Turbine ad asse verticale a portanza Sono turbine ad asse verticale a portanza perchè le superfici disposte al vento possiedono un profilo alare in grado di generare una distribuzione di pressione lungo la pala e quindi una coppia disponibile all’asse di rotazione. Rispetto alla turbina a resistenza, quella offrono delle efficienze maggiori perché riducono le perdite per attrito. Questo tipo di turbina non è in grado di avviarsi autonomamente in quanto, indipendentemente dalla velocità del vento, la coppia d’avviamento è nulla, pertanto necessita di un dispositivo ausiliario di avviamento. Le principali caratteristiche della turbina Darrieus sono: • adattabilità alla variazione di direzione del vento; • utilizzabile per bassi valori di velocità del vento; • impossibilità di ridurre la superficie aerodinamica in caso di velocità superiore a quella nominale a causa delle pale fisse, pertanto necessita di un dispositivo di arresto; • utilizzabile per applicazioni di grande potenza, poco rumorosa e vibrazioni limitate.
IMPIANTI EOLICI Tipi di turbine eoliche: Turbine ad asse orizzontale Le turbine ad asse orizzontale possono essere del tipo sopravento e sottovento. Turbine sopravento: il vento incontra prima il rotore rispetto alla torre, hanno un’efficienza maggiore rispetto a quelle sottovento, poiché non vi sono interferenze aerodinamiche con la torre. Per contro presentano lo svantaggio di non essere auto allineanti rispetto alla direzione del vento e necessitano quindi di una pinna direzionale o di un sistema d’imbardata. (Pinna direzionale) Turbine sottovento: Le turbine ad asse orizzontale sottovento risentono degli effetti negativi dell’interazione torre-rotore, ma sono intrinsecamente autoallineanti ed hanno la possibilità di utilizzare un rotore flessibile per resistere ai venti forti.
IMPIANTI EOLICI Tipi di turbine eoliche: Turbine ad asse orizzontale La turbina eolica ad asse orizzontale possono essere a: - a tre pale, è modello piÚ diffuso, - modelli a due pale, - a singola pala munita di contrappeso, - multipala attualmente in disuso, quest’ultima utilizzata soprattutto nel microeolico.
IMPIANTI EOLICI
Rotori tripala Con tre pale montate a 120° l’una rispetto all’altra e con numero di giri caratteristico tra 30 e 60 giri/minuto, è la configurazione più usata perché, se pur a fronte di costi di trasporto e di costruzione maggiori, è quello con il miglior rapporto costo/potenza sviluppata;
IMPIANTI EOLICI Rotori bipala Con due pale montate a 180° l’una rispetto all’altra e con numero di giri caratteristico tra 40 e 70 giri/minuti (quindi superiore rispetto al caso precedente con incremento della produzione di rumore e di vibrazioni). Ha un costo minore dei tripala ma anche un peggiore impatto visivo e una efficienza minore risentendo maggiormente della presenza della torre e della variazione di velocità con la quota.
IMPIANTI EOLICI Rotori monopala Il rotore monopala presenta una sola pala munita di apposito contrappeso, è la soluzione meno costosa, di aspetto poco gradevole e più rumorosa in quanto è la più veloce tra i tre modelli esaminati; risulta indicata nel caso di siti poco accessibili; dato che l’ efficienza è minore delle due viste sopra. E’ soggetta a rottura più frequente rispetto alle altre.
IMPIANTI EOLICI Caratteristiche degli aerogeneratori Gli aerogeneratori possono essere classificati in base alla potenza: • micro-eolici per potenze inferiore a 20kW e costituito da impianti destinati principalmente all’alimentazione di utenze domestiche; • mini-eolici per potenze tra 20 e 200kW con impianti prevalentemente destinati alla produzione e vendita dell’energia elettrica; • eolici per potenze superiori a 200kW e prevalentemente costituiti da parchi eolici per l’immissione dell’energia prodotta nella rete di trasmissione.
IMPIANTI EOLICI Caratteristiche degli aerogeneratori Ogni aerogeneratore ha un funzionamento caratterizzato da precisi valori di velocità, riferite a diverse fasi: • Velocità di avvio - il rotore inizia a girare e l’alternatore produce una tensione, che aumenta con l’aumento della velocità del vento; • Velocità di cut-in o innesco (2-4 m/s) - quando la tensione è abbastanza elevata da essere utilizzabile nell’applicazione specifica, allora viene davvero prodotta energia e si attiva l’intero circuito, che diventa il carico dell’aerogeneratore; • Velocità nominale (10 - 14 m/s) - è la velocità alla quale viene prodotta la potenza nominale; • Velocità di cut-off (20 – 25 m/s) - è la velocità del vento oltre la quale il rotore deve essere fermato per evitare danni alla macchina; è il sistema di controllo che interviene adeguatamente, con opportuni sistemi attivi o passivi.
IMPIANTI EOLICI Principali componenti di un aerogeneratore I principali componenti che costituiscono un aerogeneratore ad asse orizzontale sono: 1. pala; 2. supporto della pala; 3. meccanismo di regolazione delle pale; 4. mozzo; 5. ogiva; 6. supporto principale; 7. albero principale; 8. luci di segnalazione aerea; 9. moltiplicatore di giri; 10. dispositivi idraulici di raffreddamento; 11. freni meccanici; 12. generatore; 13. convertitore di potenza e dispositivi elettrici di controllo, di protezione e sezionamento; 14. trasformatore; 15. anemometri; 16. struttura della navicella; 17. torre di sostegno; 18. organo di azionamento per l’imbardata.
IMPIANTI EOLICI Principali componenti di un aerogeneratore Rotore L’elemento fondamentale di un aerogeneratore è il rotore costituito da un mozzo sul quale sono fissate le pale. Queste sono solitamente realizzate, per aerogeneratori medio piccoli, in fibra di vetro, alluminio o in materiale composito per garantire solidità resistenza e leggerezza. Per aerogeneratori più grandi vengono utilizzate le fibre di carbonio nelle parti in cui si manifestano i carichi più critici. Le pale possono variare da un minimo di 1 (rotori monopala) fino a 20 e più, caratterizzando diversamente le prestazioni della macchina. Infatti all’aumentare del numero delle pale, diminuisce il numero di giri del rotore ed aumenta la coppia di spunto. I rotori con molte pale vengono impiegati solitamente per azionare direttamente le macchine operatrici come ad esempio le pompe. Esistono dei rotori nei quali l’angolo di inclinazione delle pale è regolabile in modo da controllare la potenza in uscita. La potenza della macchina eolica è proporzionale al diametro del rotore. All’aumentare della potenza, aumentano le dimensioni della macchina ed in relazione a questi due parametri si identificano aerogeneratori di grande taglia, media taglia e piccola taglia. Ad esempio un aerogeneratore di media taglia (200–300 kW di potenza) ha un diametro del rotore di circa 30 m, ed un aerogeneratore di grande taglia (da 1,5 MW) ha un rotore del diametro di circa 60 m.
IMPIANTI EOLICI Principali componenti di un aerogeneratore Il mozzo in una turbina eolica è il componente che connette le pale all’albero principale trasmettendo ad esso la potenza estratta. Esso è solitamente di acciaio o di ferro a grafite sferoidale ed è protetto esternamente da un involucro di forma ovale chiamato ogiva. Ci sono tre tipi principali di mozzo: • rigido, progettato per mantenere le principali parti che lo costituiscono in posizione fissa rispetto all’albero principale. • oscillante, utilizzato in quasi tutte le turbine a due pale ed è invece progettato per ridurre i carichi aerodinamici sbilanciati trasmessi all’albero tipici dei rotori bipala, consentendo al rotore di oscillare di alcuni gradi rispetto alla direzione perpendicolare all’asse di rotazione dell’albero principale. • per pale incernierate, una via di mezzo tra i primi due modelli ed è di fatto un mozzo rigido con vincoli a cerniera per le pale ed utilizzato dalle turbine sottovento per ridurre i carichi eccessivi durante i forti venti.
Pala
Mozzo
IMPIANTI EOLICI Principali componenti di un aerogeneratore Gondola o navicella. Si tratta sostanzialmente di una cabina all’interno della quale sono montati il moltiplicatore di giri, il generatore e i sistemi di controllo. Il moltiplicatore di giri, posizionato tra il rotore e il generatore, riceve il moto dall’albero del rotore e lo trasferisce al generatore con un numero di giri adeguato al suo funzionamento. Il generatore ruotando produce energia elettrica. Il sistema di controllo ha il compito sia di gestire automaticamente l’aerogeneratore nelle diverse situazioni sia di azionare i dispositivi di sicurezza nei casi di cattivo funzionamento e di velocità del vento elevate. La navicella o gondola è posizionata su una torre (traliccio o struttura tubolare) ed ha la possibilità di ruotare intorno all’asse verticale in modo da potersi sempre disporre in modo allineato alla direzione del vento. Per gli aerogeneratori di piccola taglia l’allineamento è realizzato tramite una pinna direzionale che fa da timone, mentre per gli aerogeneratori di media e grande taglia questo movimento avviene mediante un dispositivo di orientamento (Sistema di imbardata) costituito da un sensore che rileva la direzione del vento ed aziona un motore che fa ruotare la navicella allineandola alla direzione del vento.
IMPIANTI EOLICI Principali componenti di un aerogeneratore Moltiplicatore di giri. Il moltiplicatore di giri serve per trasformare la rotazione lenta delle pale eoliche in una rotazione più veloce in grado di far funzionare il generatore di elettricità. (in alcune turbine il rapporto del moltiplicatore può superare 1:100). Freni. Quasi tutte le turbine montano dei freni meccanici lungo l’albero di trasmissione, i freni meccanici sono in grado di arrestare il rotore in condizioni meteorologiche avverse.
Moltiplicatore di giri
Generatore elettrico. Il generatore trasforma l’energia meccanica in energia elettrica. La potenza del generatore viene indicata in chilowatt (kW) Freni Trasformatore. La potenza elettrica in uscita dal generatore è generalmente in bassa tensione e deve essere convertita in media tensione attraverso un trasformatore per ridurre le perdite di trasmissione mediante l’allacciamento alla rete di distribuzione in media tensione. Il trasformatore è installato nella navicella o alla base della torre.
IMPIANTI EOLICI Principali componenti di un aerogeneratore Torre. Sono tre i principali tipi di torri utilizzate per le turbine ad asse orizzontale: • a traliccio; • a tubolari; • a tiranti. Le prime turbine eoliche erano installate su torri a traliccio ed erano usualmente utilizzate fino alla metà degli anni ’80. Le turbine odierne sono per la maggior parte di tipo tubolare perché presentano diversi vantaggi rispetto a quelle a traliccio: in particolare le torri tubolari non necessitano di numerose connessioni tramite bulloni che devono poi essere controllate periodicamente; forniscono un’area protetta per l’accesso alla turbina e la salita sulla navicella più sicura ed agevole tramite scala interna o ascensore nelle turbine più grandi; inoltre sono esteticamente più piacevoli rispetto ai tralicci. La torre a tiranti poco utilizzata per gli impianti in media-grossa potenza. (Mini eolico)
Traliccio
tubolare
Tiranti
IMPIANTI EOLICI Potenza della vena fluida La produzione di potenza elettrica tramite turbine eoliche dipende dall’interazione tra le pale del rotore eolico ed il vento, trasformando dapprima l’energia cinetica posseduta dal vento in energia meccanica di rotazione e poi convertendo quest’ultima in energia elettrica. La potenza disponibile all’asse di un aeromotore è funzione della velocità del vento ed aumenta al crescere di questa con legge cubica.
in cui: • ρ è la densità dell’aria; • A è la sezione del tubo di flusso dell’aria considerata; • v è la velocità del vento. Teoria unidimensionale e legge di Betz Un modello semplificato, attribuito ad Albert Betz, è usualmente utilizzato per determinare la potenza estratta da una turbina eolica ideale avente a disposizione una potenza del vento incidente espressa dalla formula su menzionata.
IMPIANTI EOLICI Teoria unidimensionale e legge di Betz
La vena fluida dispone di una potenza Pd. Di tale potenza solo una parte può essere estratta Pmax . Il rapporto tra la potenza estratta e la potenza disponibile definisce il coefficiente di potenza Cp. Attraverso questa teoria si dimostra che La massima potenza che si può estrarre, in via teorica, da una corrente d’aria con un aerogeneratore ideale, non può superare il 59% della potenza disponibile del vento incidente.
IMPIANTI EOLICI Potenza aerodinamica e coefficiente di potenza Il coefficiente di potenza viene usualmente adoperato come indice di efficienza della turbina eolica: - dipende, con buona approssimazione, solo dalla forma della turbina e non dalla sua dimensione; - può essere misurato mediante test sperimentali; - può essere ricavato tramite opportuni modelli di calcolo. Effetto della altezza dal suolo sulla vene fluida A causa dell’attrito e delle turbolenze prodotte dagli ostacoli, le masse d’aria vengono rallentate in prossimità del suolo, formando un profilo di velocità che dipende dalla natura del terreno e dagli ostacoli presenti. Un modello molto utilizzato per stimare la velocità del vento Vz ad una quota z, nota la velocità del vento V0 ad una quota z0, è il modello logaritmico seguente: dove m (espresso in metri) è un coefficiente di scabrezza che dipende dalla natura del suolo e degli ostacoli presenti.
IMPIANTI EOLICI Potenza aerodinamica e coefficiente di potenza
IMPIANTI EOLICI Controllo della potenza
Nella figura sottostante è riportato l’andamento della potenza prodotta da un aerogeneratore in funzione della velocità del vento. Come si può notare, fino a quando la velocità del vento non raggiunge il valore della velocità di inserimento (cut–in) la macchina eolica non è in grado di funzionare, ma da questo punto in poi all’aumentare della velocità la potenza aumenta fino a raggiungere il valore nominale a cui corrisponde la velocità nominale.
IMPIANTI EOLICI Controllo della potenza
Da qui in poi per un aerogeneratore ideale la potenza si mantiene costante fino a quando la velocità del vento raggiunge il valore corrispondente alla velocità di fuori servizio. È a questo punto che, per evitare danni, l’aerogeneratore viene fermato e staccato dalla rete. Nel campo di velocità compreso tra il valore nominale e quello di fuori servizio, la potenza viene controlla nei seguenti modi:
— Regolazione tramite stallo; — Regolazione a passo variabile; — Controllo dell’imbardata.
IMPIANTI EOLICI Controllo della potenza
Regolazione tramite stallo
Nel primo caso si è in presenza di piccole macchine che sono realizzate con delle pale fisse montate in modo tale che all’aumentare della velocità del vento aumenta la resistenza aerodinamica fino al punto in cui la vena fluida si stacca dalla superfice delle pale (stallo), provocando una brusca diminuzione della potenza. Questo è un sistema semplice ed economico che però comporta una minore efficienza, maggiori spinte sulle pale quando sono ferme e la necessità di un motore di avviamento iniziale.
IMPIANTI EOLICI Controllo della potenza
Regolazione a passo variabile In questo caso siamo in presenza di rotori con le pale che controllano la potenza variando l’angolo caratteristico della pala. Tale sistema presenta: — un maggiore controllo della potenza; — maggiore efficienza; — minori spinte sulle pale a rotore fermo; — non necessita di motori per l’avviamento; — maggiori costi rispetto ai precedenti. Controllo dell’imbardata La regolazione con il controllo dell’imbardata viene realizzato facendo ruotare la navicella intorno al proprio asse, mediante lo stesso sistema di allineamento presente nella navicella, in modo da disallineare la macchina eolica rispetto alla direzione del vento creando lo stesso effetto della regolazione del passo.
IMPIANTI EOLICI Producibilità energetica
Per stimare la producibilità energetica di una turbina eolica non è sufficiente conoscere la velocità media del vento in un determinato sito. Altrettanto importante è avere a disposizione dei dati che riportino, per un determinato periodo (es. 1 anno), l’istogramma della durata percentuale delle diverse velocità del vento, che sono generalmente il valore medio misurato nei 10min attraverso anemometri installati su torri anemometriche.
IMPIANTI EOLICI Producibilità energetica
La distribuzione temporale della velocità del vento per un sito viene solitamente descritta utilizzando la funzione di distribuzione statistica di Weibull in quanto è quella che meglio approssima la frequenza di distribuzione delle velocità medie del vento dell’istogramma precedente
IMPIANTI EOLICI Producibilità energetica La producibilità è data dall’interfacciamento di due dati: - dati di ventosità del sito; - la curva di potenza; Dai dati di ventosità del sito possiamo avere le ore di ventosità ad una data velocità. Ad esempio quante ore in un anno in un dato sito abbiamo la velocità di 4m/s. Dalla curva caratteristica della turbina possiamo desumere la potenza prodotta dalla turbina per quella data velocità media. Moltiplicando quindi il numero di ore per la potenza prodotta dalla macchina otteniamo la produzione di energia, in kilowattora, per quella data velocità. Dobbiamo ripetere tale processo per tutte le velocità da 0 a 25 m/s. Sommando i kilowattora ottenuti per le varie velocità otterremo la produzione di energia elettrica annua.
IMPIANTI EOLICI Incentivi Attualmente le modalità di incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti eolici, collegati alla rete elettrica, sono stabilite dal DM 6 luglio 2012. Gli incentivi sono riconosciuti sulla produzione di energia elettrica netta immessa in rete dall’impianto. L'energia elettrica autoconsumata non ha accesso agli incentivi. In base alla potenza dell'impianto sono previsti due distinti meccanismi incentivanti: • una tariffa incentivante omnicomprensiva (To) per gli impianti di potenza fino a 1 MW, determinata da una tariffa incentivante base il cui valore è individuato per ciascuna fonte, tipologia di impianto e classe di potenza nell'Allegato 1 del Decreto. L’energia immessa in rete dagli impianti che accedono alla tariffa onnicomprensiva risulta nella disponibilità del GSE e non del produttore. • un incentivo (I) per gli impianti di potenza superiore a 1 MW e per quelli di potenza fino a 1 MW che non optano per la tariffa omnicomprensiva, calcolato come differenza tra la tariffa incentivante base e il prezzo zonale orario dell’energia (riferito alla zona in cui è immessa in rete l’energia elettrica prodotta dall’impianto). L’energia prodotta dagli impianti che accedono all’incentivo (I) resta nella disponibilità del produttore.
IMPIANTI EOLICI Incentivi
Il Decreto stabilisce che Il costo indicativo cumulato di tutte le tipologie di incentivo riconosciute agli impianti a fonte rinnovabile, diversi dai fotovoltaici, non può superare complessivamente il valore di 5,8 miliardi di euro annui.
GRAZIE PER L’ATTENZIONE