Eolico: teoria ed economicità degli impianti eolici

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2 Eolico: teoria ed economicità degli impianti eolici La teoria ingegneristica legata all eolico, oltre a fornire strumenti per la progettazione del generatore eolico, individua alcuni criteri per scegliere il sito d installazione; la prima premessa che facciamo è legata al fatto che i nostri generatori rientrano nella categoria Mini-eolico e quindi rispetto ai grandi impianti eolici risentono maggiormente della presenza di ostacoli nelle vicinanze e quindi richiedono una particolare attenzione nella scelta del sito d installazione. Ciò premesso i consigli che seguiranno hanno il solo scopo di individuare in via preventiva, quei siti che da un punto di visto tecnico-economico rendano l impianto altamente remunerativo. 1. Velocità media annuale: generalmente tale dato viene associato all altezza dell anemometro che ha rilevato i dati, in linea di massima tale valore può essere prelevato dall atlante eolico del CESI o attraverso uno studio anemometrico annuale. Tale dato è importante in quanto maggiore sarà la velocità media in m/s è maggiore saranno i kwh prodotti e quindi la remunerazione annuale (riduzione degli anni di ammortamento dell impianto). 2. Altezza della torre: tale dato gioca un fattore importante sulla redditività dell impianto, infatti si può dimostrare analiticamente che aumentando l altezza della torre si osserva un aumento esponenziale della velocità del vento e quindi un aumento della producibilità. 3. Presenza di ostacoli: ingegneristicamente tale parametro è detto Rugosità del suolo, è un valore che varia tra 0.1 e 0.4; tale parametro tiene conto della presenza nel sito d installazione di ostacoli quali alberi, silos, opifici, palazzine, mare e altro, che potrebbero ostacolare il passaggio del vento creando delle zone perturbate. In generale si cerca di preferire siti d installazione in vicinanza del mare o in zone con assenza di ostacoli alti. 4. Orografia del territorio: rappresenta un elemento rilevante ai fini delle potenzialità eoliche di un sito. Rilevazioni sperimentali sulla velocità del vento a monte e a valle di rilievi collinari hanno evidenziato come la velocità del vento misurata in corrispondenza della cresta delle colline possa risultare superiore del 50-80% rispetto alla velocità del vento misurata a sufficiente distanza dei rilievi. Inoltre tali rilevazioni hanno parimenti mostrato come viceversa la velocità del vento immediatamente a monte e a valle del rilievo risulta notevolmente inferiore (20-40%) alla velocità del flusso indisturbato.

3 5. Venti predominanti e direzione: conoscere la direzione dei venti predominanti è importante per determinare se in un sito ci sono degli ostacoli che durante l anno limitano il passaggio del vento, e quindi in alcune situazioni con il diagramma della direzione dei venti, si riesce a posizionare il generatore eolico in una zona dove la direzione dei venti è meno influenzata.

4 Scala dei venti (scala Beaufort): 6. Per una valutazione immediata dei valori di velocità del vento nella propria zona, si veda a livello indicativo la scala Beaufort qui riportata da questa tabella è possibile individuare l intervallo di venti tipici della propria zona. 7. Ore equivalenti nella zona: rappresenta il rapporto fra l energia annua prodotta e la potenza nominale del generatore eolico, generalmente varia nell intervallo ore/anno. Quindi maggiore è il numero di ore equivalenti nella zona, maggiore sarà la redditività dell impianto. Alla luce dei parametri sopra evidenziati, possiamo riassumere nella seguente tabella la producibilità in termini di kwh della nostra pala eolica GO200 da 20 kw in configurazione ottimale (torre da 24mt, rugosità 0.2): Si nota subito come il parametro velocità media del sito gioca un ruolo importante in termini di producibilità e quindi di remunerazione; in linea del tutto generale tutto il territorio del sud Italia, come dimostrato dall atlante eolico del CESI, ha una certa attitudine ad ospitare impianti eolici, in particolar modo le maggiori velocità medie del vento si osservano sulla costa e sui crinali (circa 5-6 m/s). Analizzando la tabella in alto si osserva che chiunque può diventare un imprenditore eolico, generando energia pulita e guadagnando per 20 anni una piccola retribuzione per l investimento effettuato.

5 Quale soluzione è più adatta per te? Rivolgiti a un esperto per guadagnarci! IL ROTORE E LE PALE DELLE TURBINE EOLICHE 1) IL ROTORE E LE SUE VARIE TIPOLOGIE Ogni turbina ha un rotore dotato di pale che ha la funzione di catturare energia dal vento. Il rotore è connesso all'albero motore principale, che lo collega al generatore elettrico solitamente tramite un sistema di trasmissione che moltiplica il numero di giri al minuto. Anche se nel grande eolico i moderni rotori commerciali sono praticamente tutti tripala, esistono diversi tipi di rotore utilizzabili dall'eolico orizzontale e verticale, e sperimentati soprattutto nel piccolo eolico: ad es., monopala, bipala, tripala, multipala. In generale, aumentando il numero di pale del rotore aumenta la sua efficienza aerodinamica, ma considerazioni relative soprattutto alla rumorosità del rotore e di tipo "estetico" (nel senso di dare l'idea di un movimento continuo delle pale) - oltre che alla superiore affidabilità data dal maggiore bilanciamento del rotore, che si traduce in minori costi di gestione e manutenzione - fanno di solito preferire, almeno nel grande eolico, i rotori a tre pale rispetto a quelli a due o ad una pala. Un raro esempio di grande rotore a 1 pala (a sinistra) e di rotore a 2 pale.

6 2) L'IMPORTANZA DELLE DIMENSIONI DEL ROTORE La dimensione di una pala è importante nel determinare la quantità di energia elettrica producibile, poiché più grande è la pala e maggiore è l'energia cinetica del vento che si può catturare. Spesso è difficile confrontare fra loro differenti tipi di turbine, dati i diversi criteri di valutazione adottati dai costruttori. Un modo per "tagliare la testa al toro" è quello di confrontare non la potenza nominale dichiarata dal produttore bensì l'area effettivamente ricoperta dalle pale. Quest'ultima è nota come superficie spazzata dal vento (la chiameremo "A") e può essere calcolata con la formula elementare: A = pigreco x R 2, dove pigreco è una costante che vale 3,14... ed R è il raggio del rotore, cioè la metà del diametro del rotore, che è un parametro normalmente fornito nella scheda descrittiva del prodotto qualora non sia fornita direttamente la lunghezza di una pala (che in pratica è il raggio del rotore). Ovviamente, in generale maggiore sarà la superficie spazzata e più grande sarà la producibilità della turbina. Illustrazione della superficie spazzata dal rotore di una turbina ad asse orizzontale. 3) LE PALE EOLICHE: I DUE PRINCIPALI DESIGN Le pale dei grandi rotori ad asse orizzontale utilizzano un design che sfrutta l'effetto di portanza, lo stesso usato dagli aerei. Pertanto il profilo della sezione di una pala eolica è simile a quello dell'ala di un aereo, e crea una spinta differenziale a causa della diversa pressione dell'aria fra il lato piatto ed il lato arrotondato della pala. Ma, se la pala è orientata con il giusto angolo, il "sollevamento" fa ruotare la pala,

7 anziché farla salire in alto. I rotori che sfruttano tale effetto hanno bisogno che il vento fluisca in modo dolce sulle pale, perciò di solito non hanno più di 2 o 3 pale, affinché fra queste vi sia una distanza tale da non creare effetti di turbolenza che perturberebbero il flusso d'aria diminuendo le prestazioni. Un altro design delle pale, usato nel piccolo eolico e in alcune turbine ad asse verticale - oltre che dai mulini a vento - è quello che sfrutta l'effetto di frenamento: il vento, cioè, "spinge" la pala, trasmettendo quindi alla turbina molta forza (utile, ad es., se si deve pompare acqua) ma poca velocità. Una pala eolica che sfrutta l'effetto di portanza (lift) grazie al profilo alare asimmetrico. 4) UN PARAMETRO UTILE: IL "TIP SPEED RATIO" (TSR) Un parametro importante nella progettazione del rotore è il TSR (Tip Speed Ratio), cioè il rapporto tra la velocità della punta di una pala e la velocità del vento: più questo rapporto è alto e più veloce risulta la rotazione del rotore a una determinata velocità del vento. Le turbine eoliche che sfruttano l'"effetto di portanza" illustrato in precedenza hanno TSR massimi di circa 10: in altre parole, questo tipo di pale hanno un'elevata velocità di rotazione (possono raggiungere velocità finanche di 500 km/h) e perciò risultano ottime per la produzione di elettricità. Al contrario, le turbine che sfruttano l'"effetto di frenamento" hanno valori del TSR prossimi a 1. Il valore ideale per il TSR dipende dal numero di pale del rotore: infatti, minore è il numero di pale e più il rotore deve girare velocemente per estrarre energia dal vento. Un rotore bipala ha un TSR ottimale di circa 6, un tripala di 5 e un quadripala di 3 (ma se, ad es.,

8 un tripala è ben progettato e altamente efficiente, può avere un TSR ottimale di 6 o 7). 5) I MATERIALI DELLE PALE Le pale del rotore sono normalmente fatte da materiali compositi rinforzati con la più economica fibra di vetro o la più resistente ma anche costosa fibra di carbonio, oppure realizzate - specie per i modelli più piccoli - in plastica o legno ricoperto da un opportuno rivestimento. Le pale, infatti, devono essere resistenti ma, al tempo stesso, il più leggere possibile per minimizzare gli stress strutturali, che contribuiscono alla loro usura: questo perché il peso di un rotore cresce con il cubo del suo raggio, diventando tanto più importante quanto più la turbina è grande. Proprio per tale motivo, negli ultimi anni la maggior parte dei produttori di pale eoliche hanno utilizzato materiali compositi, di solito la fibra di vetro. Con tali materiali oggi vengono fabbricate pale lunghe finanche 100 metri ed oltre. Le pale più piccole possono essere fatte pure con metalli leggeri, come ad es. l'alluminio. Il legno, invece, è usato per il basso costo e la facilità di lavorazione, ma di solito il profilo delle pale di legno è piatto e quindi poco efficiente.

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