IMPIANTI EOLICI L energia eolica è l L’energia eolica è l’energia energia posseduta dal vento ed il suo impiego 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 g ,p 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
IMPIANTI EOLICI Aspetti che rendono difficoltoso lo sfruttamento dell Aspetti che rendono difficoltoso lo sfruttamento dell’energia energia eolica: • Bassa concentrazione energetica • Elevata variabilità nel tempo • Elevata aleatorietà con cui essa è disponibile Aspetti che rendono attraente l’uso dell’energia eolica quale Aspetti che rendono attraente l uso dell energia eolica quale risorsa energetica: • è disponibile in grandissime quantità • non produce sostanze inquinanti • consente la diversificazione delle fonti d’energia
IMPIANTI EOLICI I sistemi che utilizzano l’energia del vento vengono definiti d fi i i Sistemi Eolici, ed in particolare Si i E li i d i i l si riscontrano tre configurazioni tipo: — Sistemi eolici di pompaggio meccanico; Si i li i di i l i — Sistemi eolici di pompaggio elettrico; — Sistemi eolici elettrici.
Numero di impianti in Europa
Nelle regioni meridionali è installata il 98% della installata il 98% della potenza eolica complessiva nazionale, di cui la Puglia e , g la Sicilia detengono il primato rispettivamente con il 23.5% ed il 23.4%, seguite dalla Campania con il 16 3% e dalla Sardegna il 16.3% e dalla Sardegna con il 12.4%
Il Vento Il vento è un fenomeno che viene creato dall’energia solare. Infatti il sole cede più calore in alcune zone, quindi l’aria si riscalda e la pressione dei gas diminuisce, e meno calore in altre, aria più i d i di i i l i l i iù fredda avente pressione dei gas più alta. Tra queste due zone si creano quindi dei moti convettivi: masse d’aria si riscaldano, diminuiscono la loro densità e salgono, richiamando aria più fredda che scorre sulla superficie terrestre. Q Questo moto di masse d’aria calde e fredde produce le aree di di d’ i ld f dd d l di alta pressione e le aree di bassa pressione stabilmente presenti nell’atmosfera nell atmosfera, influenzate anche dalla rotazione terrestre influenzate anche dalla rotazione terrestre
Il Vento
ATLANTE EOLICO
http://atlanteeolico.rse‐web.it/viewer.htm
Misura del vento IlIl vento si origina per via delle differenze di temperatura tra una vento si origina per via delle differenze di temperatura tra una zona e l’altra della terra. Parametri fondamentali da Parametri fondamentali da misurare sono l’intensità ( (anemometri) e la direzione ) del vento (mulinello a coppe)
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 ll l d ll ed in un secondo tempo la sopraelevazione garantendo così la massima flessibilità di i i impiego. In sommità viene montata un'asta per il supporto di parafulmini ed alla base della sono predisposti gli opportuni sistemi di messa a 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 alimentato da pannelli fotovoltaici.
http://www.calzavara.it/
Le torri sono costituite in genere da moduli di 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 pp gg p 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. http://www.calzavara.it/
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La producibilità di un generatore eolico è in funzione del cubo della 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. d ibilità di E' assolutamente inutile usare stazioni meteorologiche o stazioni meteorologiche o strumenti con errori del 5%. La campagna anemometrica deve essere condotta solo con strumenti professionali posti ad altezze opportune opportune.
Tutti gli anemometri forniscono una velocità media in un intervallo di tempo (5‐10 min). Questa può essere indicata i t ll di t (5 10 i ) Q t ò i di t come velocità media elementare, Ve. In genere vengono elaborate e tabellate mensilmente le mensilmente le In genere vengono elaborate e tabellate 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 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; possono quindi calcolare le velocità medie giornaliere, Vd; mensili, Vm; annuali, Va; nonchéla media storica, V.
Tutti gli anemometri forniscono una velocità media in un intervallo di tempo (5 10 min) Questa può essere indicata 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 èla taglia della taglia della principalmente delle velocità medie: maggiore èla macchina maggiore dovrebbe essere l’intervallo di tempo su cui si calcola la media. Si possono quindi calcolare le velocitàmedie p q giornaliere, Vd; mensili, Vm; annuali, Va; nonchéla media storica, V.
Un aspetto che non va dimenticato è che le misure di velocità del vento vengono solitamente prese ad altezze diverse da quelle di vento vengono solitamente prese ad altezze diverse da quelle di installazione dei rotori degli aerogeneratori. Pertanto bisogna tener conto in maniera opportuna del profilo di velocità.
Per tener conto della variazione del vento in funzione P t t d ll i i d l t i f i dell’altezza possiamo utilizzare la legge della potenza
Anche per la direzione del vento si effettua una analisi statistica. Si calcolano le percentuali di tempo per cui il vento ha assunto una p p p determinata direzione e si traccia la cosiddetta rosa dei venti.
La disponibilità di vento è sicuramente un ottimo dato di partenza. Tuttavia dobbiamo convertire tale energia cinetica, che il vento possiede, in energia di pressione e quindi di rotazione ed infine convertire questa energia meccanica in energia elettrica. Dobbiamo stimare quindi quanta energia posseduta dalla massa d’aria può essere convertita in energia meccanica prima ed elettrica poi. può essere convertita in energia meccanica prima ed elettrica poi. La legge di Betz ci mostra la possibile massima energia possibile — conosciuta come limite di Betz — che si potrebbe ricavare tramite che si potrebbe ricavare tramite un rotore infinitamente sottile da un fluido che scorre ad una certa velocità.
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 parte può essere estratta Pmax Il rapporto tra la potenza estratta e la potenza disponibile definisce il coefficiente di potenza Cp.
Le turbine eoliche possono essere a “portanza” o a “resistenza” in funzione di quale sia la forza generata dal vento e sfruttata come q g “forza motrice”. Nelle turbine a portanza il vento scorre su entrambe le p 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. ll ll f f
Il Coefficiente di potenza Cp varia in funzione del fattore di i di interferenza a. f IlIl coefficiente di potenza coefficiente di potenza massimo lo si ha quando a assume il valore di circa 0,3 . Per tale valore Cp vale circa 0,6. Ciò significa che noi, qualsiasi sia la turbina qualsiasi sia la turbina possiamo estrarre massimo il 60% della potenza disponibile del vento.
Nelle turbine a resistenza la forza motrice è la forza aerodinamica di resistenza. resistenza Il coefficiente di potenza risulta di molto inferiore rispetto alle turbine a portanza.
Come si può notare il valore massimo teoricamente raggiungibile da Cp i ibil d C nelle ll turbine a resistenza è decisamente inferiore a quello raggiungibile nelle turbine a portanza soggette al limite di Betz (Cpmax=0.59): ciò rappresenta il principale limite, in termini di efficienza di estrazione di efficienza di estrazione di potenza dal vento, delle turbine a resistenza rispetto a quelle a portanza.
La turbina eolica (rotore) è la macchina fluidodinamica che La turbina eolica (rotore) è la macchina fluidodinamica che converte l’energia cinetica del flusso d’aria (vento) in energia meccanica all’asse. La turbina eolica può essere ad asse orizzontale (casi più diffusi) o verticale (non molto diffuse). HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine VAWT = Vertical Axis Vertical Axis Wind Turbine Wind Turbine VAWT A causa della bassa densità dell’aria che investe la turbina, la concentrazione energetica è modesta. Pertanto per avere potenze significative le turbine devono avere dimensioni molto grandi.
HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine
TURBINE ASSE ORIZZONTALE Come abbiamo già accennato, in sintesi i sistemi eolici sono un C bbi ià t i i t i i i t i li i insieme di elementi tutti concorrenti al raggiungimento di un unico obiettivo quale quello della produzione di energia elettrica obiettivo quale quello della produzione di energia elettrica.
TURBINE ASSE ORIZZONTALE LL’elemento elemento fondamentale di un aerogeneratore è il rotore fondamentale di un aerogeneratore è il rotore costituito da un mozzo sul quale sono fissate le pale. Queste sono solitamente realizzate in fibra di vetro o in materiale composito p per garantire solidità resistenza e leggerezza. Possono variare da un minimo di 1 (rotori monopala) fino a 20 e più, caratterizzando diversamente le prestazioni della macchina. La potenza della macchina eolica è proporzionale al diametro del rotore All’aumentare della potenza aumentano le dimensioni rotore. All aumentare della potenza, aumentano le dimensioni della macchina. Ad esempio un aerogeneratore di media taglia (200–300 Ad esempio un aerogeneratore di media taglia (200 300 kW di 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.
TURBINE ASSE ORIZZONTALE
TURBINE ASSE ORIZZONTALE Rotori tripala Con tre pale montate a 120° l’una rispetto all’altra e con numero di giri caratteristico tra 30 e 60 ii i i 30 60 giri/minuto, è la configurazione più usata perché se pur a fronte di usata perché, se pur a fronte di costi di trasporto e di costruzione maggiori, è quello con il miglior rapporto costo/potenza sviluppata;
Rotori bipala
TURBINE ASSE ORIZZONTALE
Con due pale montate a 180° l’una rispetto all’altra rispetto all altra e con numero di giri 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 Ha un costo minore dei tripala ma anche un peggiore impatto visivo e una efficienza minore risentendo efficienza minore risentendo maggiormente della presenza della torre e della variazione di velocità con la quota.
TURBINE ASSE ORIZZONTALE Rotori monopala Rotori monopala Il rotore monopala presenta una sola pala munita di apposito contrappeso, è la soluzione meno costosa di aspetto poco gradevole e costosa, di aspetto poco gradevole e più rumorosa in quanto è la più veloce tra i tre modelli esaminati; risulta 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 rispetto alle altre.
VAWT = Vertical Axis Wind Turbine LLe turbine ad asse verticale (o con acronimo anglosassone t bi d ti l ( i l VAWT ‐ Vertical Axis Wind Turbine) possono essere distinte in due classi a seconda dalla modalità principale con cui in due classi a seconda dalla modalità principale con cui viene sviluppata la coppia di rotazione:
‐ Turbine a resistenza ‐ Turbine a portanza
VAWT = Vertical Axis Wind Turbine Nelle turbine a resistenza la forza motrice è la forza aerodinamica di resistenza. Il coefficiente di potenza risulta di molto inferiore rispetto alle turbine a portanza.
VAWT = Vertical Axis Wind Turbine VANTAGGI •Le turbine ad asse verticale sono in grado di sfruttare l’energia eolica indipendentemente dalla direzione del vento li i di d t t d ll di i d l t •Generatore, moltiplicatore ed altri organi soggetti a manutenzione sono disposti in basso favorendo gli interventi manutenzione sono disposti in basso favorendo gli interventi •Nei sistemi di pompaggio è favorita la trasmissione della coppia
SVANTAGGI •Sono posizionate generalmente al suolo dove il vento ha velocità inferiori •Sono solitamente caratterizzate da una minore efficienza rispetto a quelle •Sono solitamente caratterizzate da una minore efficienza rispetto a quelle ad asse orizzontale •La sostituzione dei cuscinetti richiede la rimozione dell’intera macchina
Turbine a resistenza
Turbine a Portanza In questo caso le pareti sono dei profili aerodinamici disposti in un In questo caso le pareti sono dei profili aerodinamici disposti in un piano orizzontale e liberi di ruotare intorno ad un asse verticale. Queste tipologie di turbine vengono analizzate con le stesse teorie Queste tipologie di turbine vengono analizzate con le stesse teorie aerodinamiche utilizzate per l’analisi delle turbine ad asse orizzontale. Lo studio di queste turbine risulta tuttavia molto più complesso a causa del fatto che durante la rotazione nel piano orizzontale la causa del fatto che durante la rotazione nel piano orizzontale la disposizione dei profili alari rispetto al vento cambia ciclicamente e g p di conseguenza cambia periodicamente l’incidenza della pala rispetto alla direzione della velocità relativa W.
IMPIANTI EOLICI La turbina eolica è la macchina che La turbina eolica è la macchina che converte l’energia del vento in energia meccanica. g Tuttavia la turbina eolica deve essere studiata come componente primario di un sistema eolico piuttosto che come macchina a sé. Per sistema eolico si intende Per sistema eolico si intende l’insieme di componenti integrati al fine di convertire l’energia del g vento in altre forme direttamente utilizzabili (elettrica, meccanica, idraulica). d l )
Controllo della potenza La potenza disponibile all La potenza disponibile all’asse asse di un aeromotore è funzione della di un aeromotore è funzione della velocità del vento ed aumenta al crescere di questa con legge cubica.
Controllo della potenza Da qui in poi per un aerogeneratore ideale la potenza si mantiene D ii i id l l i i costante fino a quando la velocità del vento raggiunge il valore corrispondente alla velocità di fuori servizio È a questo punto che 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 f i ii l t i t ll i ti di fuori servizio, la potenza viene controlla nei seguenti modi: — Regolazione tramite stallo; Regolazione tramite stallo; — Regolazione a passo variabile; — Controllo dell’imbardata.
Controllo della potenza Nel primo caso si è in presenza di piccole macchine che sono realizzate con delle pale fisse montate in modo tale che all’aumentare all aumentare della velocità del vento aumenta la resistenza della velocità del vento aumenta la resistenza aerodimanica fino al punto in cui la vena fluida si stacca dalla p delle pale (stallo), provocando una brusca diminuzione p ( ), p superficie della potenza. Questo è un sistema semplice ed economico che però comporta una minore efficienza, maggiori spinte sulle pale d f l àd d quando sono ferme e la necessità di un motore di avviamento iniziale.
Controllo della potenza Nel secondo caso siamo in presenza di rotori con le pale a passo variabile che controllano la potenza variando l’angolo caratteristico della pala. Tale sistema presenta: — un maggiore controllo della potenza; un maggiore controllo della potenza; — maggiore efficienza; — minori spinte sulle pale a rotore fermo; minori spinte sulle pale a rotore fermo; — non necessita di motori per l’avviamento; — maggiori costi rispetto ai precedenti. La regolazione con il controllo dell’imbardata viene realizzato facendo ruotare la navicella intorno al proprio asse, mediante lo 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 p creando lo stesso effetto della regolazione del passo
Curva della potenza Ogni turbina ha una propria caratteristica curva di potenza. La curva di g p p p potenza di una macchina eolica mostra il rapporto tra la velocità del vento e la potenza elettrica istantanea erogata dal generatore.
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 l è d d d h un determinato periodo (es. 1 anno), l’istogramma della durata percentuale delle diverse velocità del vento che sono generalmente il percentuale delle diverse velocità del vento, che sono generalmente il valore medio misurato nei 10min attraverso anemometri installati su torri anemometriche.
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 l à d d l d ll’ d
Producibilità
La producibilità è data dall’interfacciamento di due dati: ‐ dati di ventosità del sito 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. D i d ti di t ità d l it i l di t ità d d t l ità 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 Sommando i kilowattora ottenuti per le varie velocità otterremo la produzione di energia elettrica annua.
Producibilità Molte case produttrici di Molte case produttrici di generatori eolici ci forniscono direttamente tali dati. Ovvero la produzione di energia elettrica, in kilowattora, in b ll t ità di d l base alla ventosità media del sito di installazione.
ESEMPI SCHEDE TECNICHE TURBINE
ESEMPI SCHEDE TECNICHE TURBINE
ESEMPI SCHEDE TECNICHE TURBINE
Curva di potenza certificata