Prof.ssa Matilde Pietrafesa DIIES - Università Mediterranea Reggio Calabria IMPIANTI EOLICI

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1 Prof.ssa Matilde Pietrafesa DIIES - Università Mediterranea Reggio Calabria IMPIANTI EOLICI

2 Il vento e l energia eolica Comunemente con il nome di vento si indica il movimento di masse d aria generato da differenze di pressione L'energia eolica è l energia ottenuta dal vento

3 Origine dell energia eolica Essa è stata largamente utilizzata nell'antichità: di fatto è stata la prima forma di energia rinnovabile, assieme a quella idraulica, scoperta dall'uomo ed utilizzata sotto forma di energia meccanica (ad esempio nella navigazione a vela)

4 Principi fisici del moto dell aria Se una porzione di superficie terrestre è riscaldata uniformemente, le masse d aria sovrastanti si trovano a temperatura e pressione costante, le isobare risultano parallele al suolo e non si avrà formazione di vento

5 Moto dell aria conseguente ad un riscaldamento Se è presente un riscaldamento in una parte della superficie, che genera una differenza di temperatura con la zona periferica, nella zona più calda l aria, riscaldandosi, diminuirà di densità, tendendo a portarsi verso l alto

6 Differenze di pressione innescate da un gradiente termico Le isobare si incurvano assumendo una convessità verso l alto e le particelle d aria tendono a scivolare ai lati verso le zone fredde Nelle zone fredde si avrà quindi accumulo d aria ed aumento di pressione, mentre nella zona calda la pressione tenderà a diminuire

7 Formazione del vento I movimenti dell aria rompono quindi l equilibrio tra le pressioni Per compensare le differenze, a livello del suolo alcune masse d aria si dirigono dalla zona fredda ad alta pressione verso quella calda a bassa pressione, generando moti convettivi: i venti. La loro intensità dipende dalle differenze di temperatura e pressione esistenti

8 Venti a livello planetario A livello planetario, la formazione dei venti è dovuta al movimento di masse d aria calde equatoriali, che salgono verso le parti alte dell atmosfera, dirigendosi verso i poli, richiamando altra aria dai tropici. Si verifica pertanto un alternanza di zone di alta pressione, alle calotte polari e lungo le due fasce subtropicali, con zone di bassa pressione, all equatore e lungo le due fasce sub-polari.

9 Fattori che determinano l intensità del vento Oltre che dai fattori climatici, i movimenti dell aria vengono determinati dalle caratteristiche della superficie terrestre: a) disomogeneità (aree con differente capacità di assorbimento e rilascio di calore, quali terre, mari, deserti, ghiacciai, ecc.) b) orografia e rugosità, in particolare nei primi 100 m

10 La corrente d aria, nel vincere l attrito che incontra per la rugosità della superficie, dissipa energia, per cui si instaurano gradienti di velocità

11 Andamento della velocità con la quota La velocità del vento risulta variabile con la quota: in cui: h è la quota generica H è la quota della velocità indisturbata v è la velocità del vento alla quota h V è la velocità del vento alla quota H α è il coefficiente di rugosità del terreno.

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13 Misura dell intensità del vento Il vento si classifica in base alla sua intensità e direzione. L intensità può essere indicata con il valore della sua velocità o attraverso la scala Beaufort.

14 grado velocità (km/h) tipo di vento velocità (nodi) Caratteri velocità (m/s) calma 0 1 il fumo ascende verticalmente; il mare è uno specchio. < bava di vento 1 3 il vento devia il fumo; increspature dell'acqua brezza leggera 4-6 le foglie si muovono; onde piccole ma evidenti brezza brezza vivace brezza tesa vento fresco vento forte burrasca moderata burrasca forte tempesta fortunale oltre 118 uragano 64 + foglie e rametti costantemente agitati; piccole onde, creste che cominciano ad infrangersi. il vento solleva polvere,foglie secche,i rami sono agitati; piccole onde che diventano più lunghe. oscillano gli arbusti con foglie; si formano piccole onde nelle acque interne; onde moderate allungate. grandi rami agitati, sibili tra i fili telegrafici; si formano marosi con creste di schiuma bianca, e spruzzi. interi alberi agitati, difficoltà a cmminare contro vento; il mare è grosso, la schiuma comincia ad essere sfilacciata in scie. rami spezzati, camminare contro vento è impossibile; marosi di altezza media e più allungati, dalle creste si distaccano turbini di spruzzi. camini e tegole asportati; grosse ondate, spesse scie di schiuma e spruzzi, sollevate dal vento, riducono la visibilità. rara in terraferma, alberi sradicati, gravi danni alle abitazioni; enormi ondate con lunghe creste a pennacchio. raro, gravissime devastazioni; onde enormi ed alte, che possono nascondere navi di media stazza; ridotta visibilità. distruzione di edifici, manufatti, ecc.; in mare la schiuma e gli spruzzi riducono assai la visibilità

15 Rosa dei venti E un diagramma polare in cui in ogni settore vengono riportati segmenti proporzionali al numero di ore in cui il vento ha soffiato da quella direzione

16 Mappa delle velocità dei venti ITALIA

17 Velocità media del vento - Italia

18 Venti in Italia Maestrale da Nord-Ovest Scirocco da Sud-Est Libeccio da Sud-Ovest

19 Venti nel mondo

20 Idoneità dei siti per la produzione eolica Caratteristiche di idoneità dei siti: velocità del vento superiore ai 4 m/s per almeno un centinaio di giorni all'anno regolarità dei venti bassi costi di trasporto (siti di produzione non lontani dai luoghi di utilizzo).

21 Velocità che caratterizzano sinteticamente il regime anemologico di un sito Velocità media aritmetica, v m, per una prima comparazione tra i siti; Velocità media cubica, v 3, per una valutazione dell energia disponibile (la potenza associata alla vena fluida è proporzionale al cubo della velocità) Velocità massima, v max, per il dimensionamento strutturale delle macchine Scarto quadratico medio, σ, esprime la dispersione dei valori di velocità e quindi il grado di regolarità del vento

22 Caratterizzazione anemologica di un sito Viene effettuata rilevando i valori delle velocità per periodi molto lunghi (almeno 5 anni), con passo orario o suborario, ed organizzandoli in classi di frequenze annuali o pluriennali, costruendo le distribuzioni: distribuzione delle frequenze: numero di ore in cui la velocità assume un determinato valore distribuzione cumulata: numero di ore in cui la velocità è minore di un determinato valore

23 Distribuzione delle frequenze delle velocità

24 Distribuzione delle frequenze delle velocità

25 Distribuzione delle frequenze delle velocità (%) Percentuale di tempo in cui si è verificata una velocità v

26 Distribuzione delle velocità cumulata Distribuzione delle velocità Distribuzione delle velocità cumulata Numero di ore in cui la velocità è minore o uguale ad un determinato valore

27 Modelli probabilistici Le distribuzioni delle velocità vengono interpretate con modelli probabilistici: a) curva di frequenza: percentuale di tempo in cui si è verificata una determinata velocità e) curva di frequenza cumulata: probabilità che la velocità sia minore o uguale al valore considerato (tende a 1) f) curva di durata: numero di ore in cui un determinato valore di velocità viene raggiunto o superato

28 Curve di frequenza Rappresenta la percentuale di tempo in cui si è verificata una determinata velocità v

29 Modello di Weibull - v velocità del vento (m/s) - k parametro di forma (adimensionale) - C parametro di scala (m/s)

30 Fattore di forma k Di solito compreso fra 1 e 4, indica la simmetria della distribuzione k = 1: distribuzioni molto asimmetriche 2 < k < 3 distribuzioni simmetriche, simili a gaussiane Il caso particolare k = 2 prende il nome di Distribuzione di Rayleigh

31 Parametro di scala C Al crescere del parametro di scala C il massimo si sposta verso velocità maggiori

32 Distribuzione di Weibull con diversi valori di k e C C

33 Esempi

34 Esempi

35 Distribuzione cumulata Modello di Rayleigh v, k e C sono gli stessi parametri del modello di Weibull

36 Curva di frequenza cumulata Probabilità che la velocità sia minore o uguale al valore di velocità considerato. Tende ad 1 per velocità estreme

37 CURVA DI DURATA Numero di ore in cui una determinata velocità viene raggiunta o superata

38 Attrezzature per la misura di parametri Weather Transmitter Vaisala WXT 520 climatici Università Mediterranea, DIIES, Laboratorio Energia e Ambiente Reggio Calabria

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41 wind velocity (m/s) Reggio Calabria Media mensile della velocità del vento Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

42 frequency RC Curva di frequenza delle velocità 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Weibull Observed wind speed (m/s)

43 Impianti eolici

44 Sfruttamento dell energia eolica L'energia cinetica ottenuta dalle correnti d'aria viene trasformata in altre forme di energia (meccanica rotazionale o elettrica)

45 Uso dell energia eolica Produzione di energia elettrica Produzione di energia meccanica Aerogeneratori Aeromotori

46 Aeromotore

47 Tipologie di aerogeneratori Asse orizzontale Asse verticale

48 Differenze fra le due tipologie asse orizzontale: hanno bisogno di orientarsi per ricevere il vento ortogonalmente al rotore asse verticale: sono omnidirezionali asse orizzontale: hanno l attrezzatura meccanica in alto asse verticale: hanno tutta l attrezzatura meccanica di controllo a livello del suolo e quindi è più facile effettuarne la manutenzione asse orizzontale: hanno potenza ed efficienza maggiore rispetto a quelli ad asse verticale

49 Scala degli impianti singole macchine, connesse alla rete (grid-connected), o dotate di accumulo elettrico per insediamenti isolati (stand-alone) pochi aerogeneratori che alimentano reti locali centrali eoliche (wind farms), connesse alla rete con range di potenze molto estesi (20 kw-20 MW). La distanza fra gli aerogeneratori è pari a 5-10 volte il diametro delle pale, per evitare interferenze che potrebbero causare cadute di produzione impianti off-shore, costruiti in mare

50 Minieolico e microeolico microeolico impianti con potenza nominale P < 20 kw Hanno piccole dimensioni, adatte ad uso familiare, ma prezzi di installazione più elevati ( /kw) essendo il loro mercato ancora in via di sviluppo minieolico impianti con potenza nominale 20 kw <P< 200 kw

51 Rete locale

52 Impianti offshore

53 Tipologia più diffusa Il tipo di aerogeneratore più utilizzato è quello ad asse orizzontale a tre pale, lunghe circa 20 m

54 Taglia degli aerogeneratori ad asse orizzontale Potenza Piccola kw Media 100 kw 1 MW Grande > 1 MW diametro: 3-20 m altezza: m diametro: m altezza: m diametro: m altezza: m

55 Corrispondenza Potenza - diametro

56 Componenti degli aerogeneratori

57 Aerogeneratori ad asse orizzontale

58 In cima alla torre sono posizionati: Componenti il rotore, costituito da un mozzo, su cui sono fissate le pale, agganciato alla navicella. Essa può ruotare di 180 sul proprio asse, orientandosi nella direzione del vento, e contiene: il moltiplicatore di giri, che trasforma la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce il generatore, che trasforma l'energia meccanica in energia elettrica il sistema di controllo il sistema frenante La torre di sostegno può essere a traliccio o a pilone tubolare

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60 Navicella

61 Navicella

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63 Rotore Il componente fondamentale di un aerogeneratore è il rotore, costituito da un certo numero di pale (1, 2 o 3), di varie lunghezze, fissate su un mozzo. Le pale sottraggono al vento energia cinetica e la trasformano in energia meccanica di rotazione.

64 Numero di pale monopala, con contrappeso: sono le più economiche, ma essendo sbilanciate generano rilevanti sollecitazioni meccaniche e rumore; sono poco diffusi bipala: hanno due pale poste a 180 tra loro, ossia nella stessa direzione, ma con verso opposto. Hanno costo e prestazioni intermedie rispetto alle altre due tipologie; sono le più diffuse per installazioni minori tripala: hanno tre pale poste a 120 una dall'altra: sono costose, ma essendo bilanciate, non causano sollecitazioni scomposte e sono affidabili e silenziose. Sono le più diffuse

65 Moltiplicatore di giri Per sistemi interfacciati alla rete, la velocità dell asse del rotore non è sufficiente perché il generatore produca elettricità alla frequenza di rete (50 Hz in Europa), quindi un sistema di moltiplicazione trasferisce il movimento a un albero veloce, dotato di freno

66 Moltiplicatore di giri

67 Moltiplicatore di giri

68 Generatore elettrico E azionato dall albero veloce Negli impianti di piccola taglia non collegati alla rete può essere del tipo a corrente continua o alternata, senza restrizioni di costanza della frequenza Nel caso di sistemi interfacciati con la rete servono alternatori a frequenza costante

69 Il sistema di controllo Dispositivo di interfaccia del generatore con la rete e/o con eventuali sistemi di accumulo Controlla il funzionamento della macchina e gestisce l erogazione dell energia elettrica e l'arresto del sistema oltre certe velocità per motivi di sicurezza (calore generato dall'attrito del rotore sull'asse e sollecitazioni meccaniche della struttura)

70 Torre Può raggiungere dimensioni notevoli in altezza, superiori a 120 m più è alta, migliori sono le condizioni di ventosità in termini di intensità e costanza e tanto più grande può essere il rotore, con aumento dell'energia prodotta con l altezza cresce la sezione e la fondazione deve essere più stabile i materiali costitutivi sono di tipo metallico per garantire la massima robustezza agli stress meccanici dovuti alle sollecitazioni esterne

71 Torre

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73 Generatori ad asse verticale hanno potenze dell ordine delle decine di kw, minori di minori di quelle delle macchine ad asse orizzontale hanno una ridotta quantità di parti mobili nella struttura: ciò conferisce elevata resistenza alle forti raffiche di vento, ad alte velocità e turbolenze, e possibilità di sfruttare qualsiasi direzione, senza doversi orientare di continuo sono molto versatili, adatti sia all'uso domestico che alla produzione centralizzata di energia

74 Tipologie

75 Tipologie

76 Turbina Savonius Costituita da due (o più) superfici semicilindriche, traslate lateralmente e fissate su un disco orizzontale rotante, con concavità poste in modo da assumere in pianta la forma di S o semi-s

77 Turbina Darrieus Ha forma a fuso ed è costituita da 2 o 3 pale lunghe e sottili, ancorate ai due estremi ad un albero vincolato alla base ed al terreno da alcuni tiranti

78 Turbina Darrieus ad H La turbina Darrieus può anche avere configurazione ad H

79 Turbina Kobold E una variante della Darrieus, a pale mobili, in grado di minimizzare la resistenza nella fase passiva

80 Rotore Windside Ha forma elicoidale

81 Aerogeneratore W.M. E dotato di semipale mobili che si aprono nella fase passiva e si chiudono nella fase attiva

82 Intermittenza della produzione eolica La produzione eolica, essendo discontinua e non programmabile, non può sostituire completamente le fonti tradizionali, quali combustibili fossili o energia idroelettrica, che erogano potenza costante o modulabile in base alle esigenze. Pertanto trova il suo ambito applicativo principalmente nell'integrazione di reti esistenti, per soddisfare la necessità di potenza di picco

83 Smart grids La variabilità aleatoria può essere superata con sistemi di distribuzione elettrica automatizzati (smart grids), in grado di smaltire i flussi di energia intermittenti, che altrimenti genererebbero sovraccarichi e improvvisi cali di tensioni, con ripercussioni sulla produzione, trasmissione e distribuzione dell'energia

84 Sistemi ibridi eolico-idrogeno In Danimarca esistono centrali eolico-idrogeno La produzione di idrogeno viene effettuata attraverso l'elettrolisi dell'acqua. L'idrogeno viene quindi usato per generare elettricità in mancanza di produzione eolica. L'energia immagazzinata nell'idrogeno viene convertita in energia elettrica attraverso celle a combustibile o con un motore a combustione collegato a un generatore elettrico.

85 Produzione energetica

86 Potenza di una vena fluida La potenza P disponibile in una vena fluida è data dal prodotto della sua portata G per l energia E posseduta dalla sua unità di volume V P [W] = G [m 3 /s] x E [J/m 3 ] G è data dal prodotto della velocità v del vento per l area A della sezione di fluido perpendicolare alla direzione del moto G = A x v E è data dal prodotto dell energia cinetica della vena E c = ½ mv 2 per la densità dell aria ϱ E = ½ ϱ v 2

87 Potenza della vena fluida La potenza di una massa d aria è proporzionale al cubo della velocità del vento ϱ = 1,225 kg/m 3 P v = Av 3 A = πd 2 /4 ed al quadrato del diametro del disco che investe P v = Av 3 = π(d 2 /4)v 3

88 Potenza estraibile dal vento La potenza massima teorica associabile ad una massa d aria in movimento non può essere interamente sfruttata a causa di vari tipi di perdite di tipo dissipativo (attriti, turbolenze) o dovute alla presenza delle pale, che riducono la sezione di passaggio.

89 Legge di Betz La potenza teorica massima P es che si può estrarre dal vento con un aerogeneratore è pari al 59,3% di quella che lo investe P v Il rapporto P es /P v rappresenta l efficienza del generatore. Valori di efficienza pari a sono in pratica considerati ottimi

90 Potenza utilizzabile

91 Potenza utile all asse del generatore Cp è il fattore di potenza, proprio di ciascun generatore (l efficienza), dato dal rapporto fra la potenza resa dalla macchina P u e quella contenuta nella corrente indisturbata P v

92 Fattore di potenza Cp La potenza resa e quindi Cp variano al variare del rapporto di velocità periferica λ fra la velocità dell estremo del rotore (velocità periferica vp) e la velocità della vena v: Cp è massimo per un valore ottimale λ ott, in corrispondenza del quale si verificano le migliori condizioni aerodinamiche.

93 Fattore di potenza massimo L andamento di C p in funzione di λ evidenzia la maggiore efficienza delle macchine ad asse orizzontale rispetto a quelle ad asse verticale

94 Solidità E il rapporto fra l area complessiva occupata dalle pale e l area del disco battuto. In genere il fattore di potenza Cp si riduce all aumentare della solidità, in quanto aumenta la turbolenza provocata dall ingombro delle pale.

95 La Solidità decresce al crescere del rapporto di velocità periferica ottimo λ ott

96 Coppia di spunto E il momento torcente esercitato dal mozzo in corrispondenza delle più basse velocità del vento a cui la macchina è in grado di azionarsi I generatori che riescono ad azionarsi anche per modesti valori di velocità del vento presentano bassi valori della coppia di spunto

97 La Coppia di spunto decresce al crescere di λott

98 Curva di potenza Esprime la potenza elettrica resa ai morsetti del generatore in funzione della velocità del vento. Nella curva si distinguono: velocità di avviamento (start-up), a cui il rotore entra in moto velocità di inserimento (cut-in), a cui inizia a produrre energia velocità nominale (rated) a cui viene resa la potenza nominale, corrispondente al massimo rendimento velocità di stacco (cut-out) a cui intervengono i meccanismi di sicurezza per bloccare il rotore

99 Curva di potenza

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101 Potenza nominale La velocità nominale coincide con il rapporto di velocità periferica ottimale λott, a cui corrisponde il massimo fattore di potenza Cpmax La potenza resa alla velocità nominale viene mantenuta costante fino alla velocità di cut-out per evitare sovraccarichi o per non scegliere un generatore sovradimensionato, che funzionerebbe a regime massimo solo per un limitato periodo di tempo

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103 Power (kw) Curva di potenza aerogeneratori Ingegneria Reggio Calabria 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, wind speed (m/s)

104 Energy production (kwh/month) Produzione di energia aerogeneratori Ingegneria Reggio Calabria SkyLine SL10 SkyLine SL30 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

105 Costi Costo medio di produzione dell'energia eolica: ca /kwh, International Energy Agency (IEA) Costo della potenza installata: circa 1500 /kw; per impianti micro-eolici: /kw.

106 Aerogeneratore da 600 kw V media (m/s) Produzione (GWh/anno) Tipologia Costi Investimento Produzione ( /kw) Energia ( /kwh) su terraferma ,04-0,07 off-shore ,08

107 Cina: 62 GW USA: 47 GW Germania: 29 GW Spagna: 22 GW India: 16 GW Italia: 7 GW Francia: 7 GW Regno Unito: 6 GW Canada: 5 GW Portogallo: 4 GW UE: 93 GW Mondiale: 237 GW Capacità installate 2011

108 Impatto ambientale a) Non generano inquinamento atmosferico b) Il principale impatto è dovuto all intrusione visiva sul paesaggio c) L occupazione del suolo può risultare notevole a causa della distanza (ca.7 diametri) a cui vanno poste le macchine per evitare interferenze aerodinamiche. Tuttavia l area effettivamente occupata è pari a circa il 10% dell estensione e può essere quasi integralmente utilizzata per fini agricoli. d) Possono causare interferenze nelle telecomunicazioni, nella navigazione aerea e nei ponti radio (per escluderle la distanza dall impianto di trasmissione/ripetizione deve essere pari almeno a 5 km) e) Generano un moderato impatto acustico f) Possono causare la morte di specie avicole e, in caso di rottura, danneggiare le colture