Centrali eoliche. gradualmente sospingendo verso l alto l aria calda, più leggera

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1 Centrali eoliche Una centrale eolica o wind farm consente di sfruttare l energia cinetica del vento per ottenere energia elettrica. Questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede alcune trasformazioni prima che l energia contenuta nelle masse d aria che si spostano, possa divenire elettricità. Ma cos è il vento? Il vento è lo spostamento di masse d aria tra zone con diversa pressione. In pratica la terra cede all atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene ceduto più calore, l aria diventa calda e la pressione dei gas diminuisce. Si formano così aree di alta pressione (aria fredda) e aree di bassa pressione (di aria calda). Quando diverse masse d aria vengono a contatto, la zona dove la pressione è maggiore tende a trasferire aria dove la pressione è minore. Oppure l aria fredda che, a parità di volume, è più pesante di quella calda scende gradualmente sospingendo verso l alto l aria calda, più leggera Tanto maggiore è questa differenza, tanto più veloce sarà lo spostamento d aria e quindi il vento. A queste bisogna anche unire l influenza esercitata sul fenomeno dalla rotazione terrestre. Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale eolica? La centrale eolica è costituita da una serie di aerogeneratori, sorta di mulini a vento progettati per sfruttare l Energia Cinetica contenuta nel vento. Questo, impattando sulle pale del rotore, lo costringe a muoversi ruotando sul proprio asse. In questo modo l energia cinetica del vento si trasforma in Energia Meccanica. La rotazione delle pale, impone una rotazione ad un rotore che è collegato ad un generatore elettrico (alternatore). In questo modo, l energia meccanica cambia il proprio stato e diventa Energia Elettrica.

2 Com è fatta una CENTRALE EOLICA? Schema di centrale eolica Un impianto eolico è costituito da una serie di torri metalliche che montano in cima una grande elica detti aerogeneratori. Questi possono essere di medie dimensioni o di grandi dimensioni (la dimensione è stabilita dalla quantità di energia che riescono a produrre: dai 600 ai 1000 chilowatt per i medi e oltre 1 megawatt per quelli grandi) e funzionare già con un vento di circa 3m/s (10km/h) e raggiunge la massima potenza quando arriva a circa 17m/s (50 60km/h). Questi sono collegati in serie tra di loro mediante cavi sotterranei. A conclusione di questa rete, si trova una cabina elettrica, chiamata stazione di consegna, che è collegata alla rete elettrica nazionale ed immette sulla stessa l energia prodotta dalla centrale. Un aerogeneratore, è costituito da una serie di elementi che sono: 1. navicella o gondola; 2. torre; 3. rotore; 4. anemometro; 5. moltiplicatore di giri; 6. generatore elettrico; 7. sistema di controllo; 8. supporto e cuscinetto; 9. trasformatore.

3 NAVICELLA o GONDOLA è il guscio metallico che contiene tutti gli apparati meccanici e di controllo dell aerogeneratore. E montato sopra la torre e ruota su di essa per seguire la direzione del vento, attraverso un meccanismo a ruote dentate detto deriva di rotta. Nella gondola sono contenuti l albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l albero veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari. All estremità dell albero lento e all esterno della gondola è fissato il rotore, costituito da un mozzo, sul quale sono montate le pale.

4 Interno della Torre Torre a traliccio TORRE struttura metallica di sostegno del tipo a traliccio o tubolare che porta alla sua sommità la gondola o navicella. Nei grandi e medi impianti la torre ha al suo interno sistemi di accesso verticale (scale o ascensori) che portano alla navicella per l ispezionabilità e la manutenzione. L altezza media di una torre e compresa tra i 40 e i 60 metri. E ancorata al terreno mediante strutture di fondazione. ROTORE è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale (di norma 2 o 3, con un diametro di circa 50m) che possono ruotare ad una velocità superiore ai 200 chilometri orari. Il mozzo è collegato ad un primo albero, detto albero di trasmissione lento, che ruota alla stessa velocità del rotore. Dato che i venti di intensità elevata si verificano per tempi molto brevi, non è economico adottare aerogeneratori con rotore a passo fisso. Questo aumento di costo può essere evitato limitando il processo di conversione di energia in regime di vento molto forte. Questa limitazione è di solito ottenuta adottando pale a passo variabile (cioè orientabili) la cui regolazione consente di ridurre il rendimento aerodinamico del rotore. Nelle macchine più recenti di grossa taglia viene adottato un tipo di pala orientabile soltanto nella parte più vicina alla punta. SISTEMA FRENANTE Costituito da due sistemi indipendenti di arresto delle pale: uno aerodinamico come freno di emergenza in caso di sovra velocità del vento e per arrestare il rotore uno meccanico per completare l arresto del rotore e come freno di stazionamento

5 ANEMOMETRO è uno strumento utilizzato per misurare la velocità o la pressione del vento ed è formato da un asse verticale e da tre coppette che catturano il vento. Comprende sensori di velocità e direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente il generatore qualora la velocità del vento sia superiore ai metri al secondo. MOLTIPLICATORE DI GIRI serve ad aumentare i giri di rotazione che vengono trasmessi al generatore. L albero lento è dirattamente connesso al rotore. Tramite un sistema di ruote dentate di differente diametro (come i rapporti nel cambio di una bici), trasmette questa rotazione, accelerandola, all albero veloce che è direttamente collegato con il generatore. GENERATORE è collegato all albero veloce ed è posizionato di norma dopo il sistema frenante. In genere si tratta di un alternatore collegato attraverso cavi elettrici che, scorrono dentro la torre fino a terra dove, prima di essere collegati alla rete elettrica, entrano in un trasformatore. SISTEMA DI CONTROLLO è formato da una serie di strumenti elettronici controllati da un computer che hanno la funzione di monitoraggio di tutte le parti dell aerogeneratore e del supporto-cuscinetto. Il sistema registra in ogni momento la piena funzionalità del sistema ed in caso di malfunzionamento blocca l aerogeneratore e invia un avviso di intervento ai tecnici della centrale. SUPPORTO e CUSCINETTO il moto della navicella (gondola) rispetto alla torre é realizzato mediante ingranaggi mossi da un attuatore che puo essere di tipo elettrico o idraulico.

6 PRO e CONTRO di una Centrale Eolica La centrale eolica utilizza come fonte energetica da trasformare, il vento. E facile intuire come si tratti di una fonte inesauribile, gratuita e non inquinante. Per contro, il vento è una forma di energia incostante, cambia spesso intensità e direzione. Le centrali per il suo sfruttamento, non producono polveri sottili, inquinamento atmosferico o radioattivo. Producono, però, un forte impatto ambientale (sia sotto l aspetto visivo che acustico), modificando permanentemente l aspetto del luogo sul quale sono realizzate, sono relativamente rumorose e la loro efficienza energetica è tale solo quando le torri installate sono molte e di grande dimensione. Sono le wind-farm costruite in mare. Rappresentano un utile soluzione per quei paesi densamente popolati e con forte impegno del territorio che si trovano vicino al mare. I PROGRESSI TECNOLOGICI Questa tecnologia è sicuramente una di quelle più promettenti e sono in corso di studio differenti nuove soluzioni atte a realizzare impianti sempre più efficienti e che riducono l impatto ambientale. A seconda dell ubicazione gli impianti possono essere: Impianti ONSHORE sul suolo terrestre Impianti NEAR SHORE su zone costiere per sfruttare il vento differente riscaldamento del suolo e del mare prodotto dal Impianti OFFSHORE Una dimostrazione sono gli impianti offshore, ossia installazioni che montano macchine da 1 MW ed oltre su sistemi galleggianti in mezzo al mare, (ad almeno 10Km dalla costa) dove più costante e frequente è l azione del vento. Si stima che gli impianti eolici nei mari europei protrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri. Attualmente sono operative 5 centrali costruite in Olanda, Svezia e Danimarca con una potenza totale di 30 MW. In Italia non esiste ancora alcun impianto offshore, ma è stato calcolato un potenziale sfruttabile di MW, pari a quello sulla terraferma, in grado di soddisfare il 4% degli attuali consumi di elettricità.

7 APPROFONDIMENTI P=1/2 Aρν 3 e densità ρ. è la potenza ottenibile da una massa d aria di area A, velocità ν P e = η P è la potenza elettrica che dipende dal rendimento (circa il 20 %) Esempio: v=10 m/s ρ= 1,225 Kg/m 3 pale in fibra di carbonio 50m di diametro descriventi un cerchio di area =πr 2 = 1963m 2 P=0,5*1963*1,225*10 3 = 1,2 MW L energia elettrica viene prodotta da un generatore asincrono e trasformata in c.a. alla frequenza voluta mediante un raddrizzatore (da c.a. a c.c. ) e da un inverter (da cc in ca nuovamente)